如何使用最大似然檢測器方案優(yōu)化MIMO接收器性能

對于改進(jìn)數(shù)據(jù)速率和/或信噪比，多輸入和多輸出（MIMO）是領(lǐng)先的方法之一。通過使用多個接收和發(fā)送天線，MIMO可利用無線信道的多樣性。對于任何給定的信道帶寬，這可用于提高信道的頻譜效率并改進(jìn)數(shù)據(jù)速率。

MIMO的規(guī)格取決于發(fā)送和接收天線的數(shù)量。在一個4×4 MIMO配置中，使用了四個發(fā)送天線和四個接收天線。這在同樣信道帶寬上實現(xiàn)了（在合適的條件下）高達(dá)四倍的數(shù)據(jù)傳輸。

一方面，簡單的MIMO接收器基于線性接收器算法，其易于實現(xiàn)但無法完全利用MIMO的好處。另一方面，使用迭代法，可以實現(xiàn)最佳的最大后驗概率近似MIMO算法；然而，這會導(dǎo)致高延時的不足。一種更加實用的非線性MIMO接收器的實施途徑是最大似然（Maximum Likelihood， ML）或最大似然檢測器（Maximum Likelihood Detector， MLD），它在根本上是基于一個徹底的并列搜索。MLD在處理方面比傳統(tǒng)線性接收器要求更高，但對于相同的信道條件，可提供明顯更高的比特率。另外，對于具有天線相關(guān)性的信道，MLD更穩(wěn)健可靠。

使用高階MIMO規(guī)格（超過兩個接收和兩個發(fā)送天線）可以導(dǎo)致顯著的頻譜效率改進(jìn)——但這也有其成本代價：隨著MIMO規(guī)格的增加，MLD接收器的計算復(fù)雜性以指數(shù)方式增加。高階MIMO要求相當(dāng)大的處理能力——對于這一點(diǎn)，直接的MLD方法是不切實際的，必須使用次優(yōu)（suboptimal）MLD算法來實現(xiàn)用戶設(shè)備（User Equipment，UE）的實施。

次優(yōu)ML接收器

次優(yōu)ML接收器試圖以更有效的方法來掃描可能的傳送信號，從而減少整體復(fù)雜性并達(dá)到接近ML精度的結(jié)果。減少復(fù)雜性有助于根據(jù)大小和功率進(jìn)行更加實際的硬件實施。這還使硬件能夠保持由先進(jìn)通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高吞吐量。

次優(yōu)ML方程式的解決可定義為一種樹形搜索，其中樹的每一個層級對應(yīng)于一個發(fā)送符號。每個節(jié)點(diǎn)的分支突出數(shù)匹配QAM或發(fā)送符號的調(diào)制。一個4×4 MIMO配置可由一個四層樹表示。假如調(diào)制為BPSK，每個節(jié)點(diǎn)將包含兩個分支。

一旦定義了樹的符號，可以部署樹遍歷算法，借用其它領(lǐng)域比如計算機(jī)科學(xué)。

關(guān)于此點(diǎn)，次優(yōu)ML接收器可劃分為兩個主要類型：

1.橫向優(yōu)先搜索

2.深度優(yōu)先搜索

橫向優(yōu)先搜索

橫向優(yōu)先的一個例子就是K-best算法。該解碼器是一個固定復(fù)雜性解決方案，從樹根開始并上行，直至它達(dá)到樹的最后一層。在樹的每層上，對所有選擇的分支進(jìn)行了評估并保留K留存節(jié)點(diǎn)，匹配最佳解決方案（代表了最接近接收信號的符號）——因此得名“K-best”。K剩余樹葉然后就用于生成LLR結(jié)果。

該解碼器的優(yōu)點(diǎn)是：

*單向流有助于硬件的簡易流水線實施。

*計算每層所需要的處理能力是恒定的，且直接與實施中所選的留存節(jié)點(diǎn)（K）的數(shù)量相關(guān)。

*數(shù)據(jù)吞吐量是恒定的，其反過來簡化了在系統(tǒng)中計劃的數(shù)據(jù)流

該解碼器的缺點(diǎn)包括：

*需要大面積實施以便評估和分類所有選擇的層級節(jié)點(diǎn)。

*精度要求越高，所需要的K值越高。

*在最佳SNR條件中，數(shù)據(jù)吞吐量不會增加。

*不能保證達(dá)到ML解決方案，因為最佳解決方案可能存在于沒有選擇的節(jié)點(diǎn)中。

下述圖表顯示了一個采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4-層）樹。在此例子中，K為四。樹的每層將分為十六個節(jié)點(diǎn)。最好的四個將會是用于下一層的留存節(jié)點(diǎn)。

深度優(yōu)先搜索

深度優(yōu)先的一個例子就是軟輸出球解碼（Soft-Output Sphere Decoder）算法。此解碼器是一種自適應(yīng)復(fù)雜性解決方案，從樹根開始并首先直接上升到樹葉——因此得名“深度優(yōu)先”。該樹的優(yōu)先解決方案確定了初始搜索半徑或范圍。從那時起，解碼器在整個樹層中追溯并上升。對樹的每個超出搜索半徑的節(jié)點(diǎn)及其下面的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修整。每次找到一個更好的解決方案，相應(yīng)地減少半徑范圍。以此方法，掃描并修整了符號樹，直至有效選項數(shù)量減少。余下的符號代表了ML解決方案。

此解碼器的優(yōu)點(diǎn)是：

*可保證獲得ML解決方案，有助于結(jié)果精確度。

*在高SNR條件下，解碼器運(yùn)行更快，增加了數(shù)據(jù)吞吐量并降低了功耗。

*相比同等的橫向優(yōu)先解決方案，可在更小區(qū)域內(nèi)實施。

圖3顯示了具有自適應(yīng)復(fù)雜性軟輸出球解碼器與固定復(fù)雜性K-best解碼器間的循環(huán)計數(shù)比較。因為SNR增加，球解碼器將減少它的循環(huán)計數(shù)，而固定復(fù)雜性將保持不變，無論信道條件如何。


圖3：固定對自適應(yīng)復(fù)雜性。

該解碼器的缺點(diǎn)包括：

*解碼器的非確定性表現(xiàn)使系統(tǒng)計劃復(fù)雜化。

*僅在當(dāng)前分支完成后才知道下一個分支選擇。這使得硬件傳遞途徑的實施受到挑戰(zhàn)。

圖4顯示了一個采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4層）樹例子。

1.深度優(yōu)先以下列方式選擇到第一個樹葉的符號路徑：a. -3 （層1）；b. -3 （層2）；c. 1 （層3）；d. 3 （層4）

2.更新了初始半徑

3.追溯執(zhí)行到第二層的一個符號

4.在搜索期間，修整了超出搜索半徑的分支（紅色所示），因此使搜索樹最小化。


圖4：球解碼樹遍歷。

CEVA解決方案

CEVA通過推出最大似然MIMO檢測器（MLD）來應(yīng)對MIMO接收器的挑戰(zhàn)。該MLD是緊密耦合擴(kuò)展加速器硬件單元。該MLD能夠處理LTE——先進(jìn)的Cat.7數(shù)據(jù)流并產(chǎn)生軟輸出最大對數(shù)解決方案。

該MLD加速器達(dá)到了次優(yōu)最大似然（ML）解決方案，可用于4×4或3×3 MIMO @12.6 Mega-tones/秒，使用軟輸出球解碼器方法，以及2×2基于LORD的ML解決方案@ 28.8 Mega-tones/秒，使用載波聚合。該MLD設(shè)計用于移動應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)低功耗設(shè)計理念。

功能集

MLD功能集包括對以下的支持：

*從2×2到4×4 MIMO的可變傳輸模式，且每層可配置的調(diào)制高達(dá)64QAM.

*三種搜索優(yōu)化：每個樹層的用戶自定義層排序，初始半徑和搜索半徑。

*通過提供吞吐量控制能力，CEVA MLD解決了軟輸出球解碼的非確定性質(zhì)，包括用于音調(diào)處理的上下循環(huán)計數(shù)界線。另外，使用用戶自定義的基于時間標(biāo)記的終端來保持系統(tǒng)吞吐量。

*可以擴(kuò)展軟比特來補(bǔ)償SNR和調(diào)制因數(shù)。

*在內(nèi)部符號和內(nèi)層解決方案中提供對LLR排列的支持

*內(nèi)層解映射：支持兩個代碼層，使MLD能夠?qū)⑺鶎憯?shù)據(jù)拆分到兩個不同的目的地。

*可擴(kuò)展的硬件解決方案實現(xiàn)了性能/功率/面積的權(quán)衡，包括選擇MLD引擎的數(shù)量、緩沖器大小和接口時鐘比率。

另外，加速器提供了廣泛的調(diào)試和性能分析能力。

MLD加速器方框圖

圖5描述了MLD加速器的方框圖，其包含了一個AXI接口、輸入緩沖器、分配器、最大似然引擎（Maximum Likelihood Engine，MLE）、LLR發(fā)生器、重排序緩沖器和輸出緩沖器。

輸入緩沖器存儲了大量的音調(diào)數(shù)據(jù)，通過分配器，每次傳送一個音調(diào)到MLE.每個MLE輸出有關(guān)檢測到的比特數(shù)據(jù)；這進(jìn)而通過LLR發(fā)生器轉(zhuǎn)化為LLR格式。重排序緩沖器積累LLR數(shù)據(jù)，以便傳輸和發(fā)送有序的輸出到輸出緩沖器中。輸出緩沖器通過AXI接口將LLR寫到接收鏈中的下一個模塊。


圖5：MLD加速器方框圖。