如何使用最大似然检测器方案优化MIMO接收器性能

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描述

  MIMO技术介绍

  MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

  MIMO技术大致可以分为两类:发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去,在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品,从而获得更高的接收可靠性。举例来说,在慢瑞利衰落信道中,使用1根发射天线n根接收天线,发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的,可以获得最大的分集增益为n,平均误差概率可以减小到 ,单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说,同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中,如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落,可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据,形成指向某些用户的赋形波束,从而有效的提高天线增益,降低用户间的干扰。广义上来说,智能天线技术也可以算一种天线分集技术。

  分集技术主要用来对抗信道衰落。相反,MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲,如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的,那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流,可以提供传输数据速率,这被称为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下,传输速率是自由度受限的,此时对于m根发射天线n根接收天线,并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。

  根据子数据流与天线之间的对应关系,空间多路复用系统大致分为三种模式:D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

  最大似然检测器方案优化MIMO接收器性能

  对于改进数据速率和/或信噪比,多输入和多输出(MIMO)是领先的方法之一。通过使用多个接收和发送天线,MIMO可利用无线信道的多样性。对于任何给定的信道带宽,这可用于提高信道的频谱效率并改进数据速率。

  MIMO的规格取决于发送和接收天线的数量。在一个4×4 MIMO配置中,使用了四个发送天线和四个接收天线。这在同样信道带宽上实现了(在合适的条件下)高达四倍的数据传输。

  一方面,简单的MIMO接收器基于线性接收器算法,其易于实现但无法完全利用MIMO的好处。另一方面,使用迭代法,可以实现最佳的最大后验概率近似MIMO算法;然而,这会导致高延时的不足。一种更加实用的非线性MIMO接收器的实施途径是最大似然(Maximum Likelihood, ML)或最大似然检测器(Maximum Likelihood Detector, MLD), 它在根本上是基于一个彻底的并列搜索。MLD在处理方面比传统线性接收器要求更高,但对于相同的信道条件,可提供明显更高的比特率。另外,对于具有天线相关性的信道,MLD更稳健可靠。

  使用高阶MIMO规格(超过两个接收和两个发送天线)可以导致显著的频谱效率改进——但这也有其成本代价:随着MIMO规格的增加,MLD接收器的计算复杂性以指数方式增加。高阶MIMO要求相当大的处理能力——对于这一点,直接的MLD方法是不切实际的,必须使用次优(suboptimal)MLD算法来实现用户设备(User Equipment,UE)的实施。

  次优ML接收器

  次优ML接收器试图以更有效的方法来扫描可能的传送信号,从而减少整体复杂性并达到接近ML精度的结果。减少复杂性有助于根据大小和功率进行更加实际的硬件实施。这还使硬件能够保持由先进通信标准规定的高吞吐量。

  次优ML方程式的解决可定义为一种树形搜索,其中树的每一个层级对应于一个发送符号。每个节点的分支突出数匹配QAM或发送符号的调制。一个4×4 MIMO配置可由一个四层树表示。假如调制为BPSK,每个节点将包含两个分支。

  一旦定义了树的符号,可以部署树遍历算法,借用其它领域比如计算机科学。 关于此点,次优ML接收器可划分为两个主要类型:

  1. 横向优先搜索

  2. 深度优先搜索

  横向优先搜索

  横向优先的一个例子就是K-best算法。该解码器是一个固定复杂性解决方案,从树根开始并上行,直至它达到树的最后一层。在树的每层上,对所有选择的分支进行了评估并保留K留存节点,匹配最佳解决方案(代表了最接近接收信号的符号)——因此得名“K-best”。K剩余树叶然后就用于生成LLR结果。

  该解码器的优点是

  * 单向流有助于硬件的简易流水线实施。

  * 计算每层所需要的处理能力是恒定的,且直接与实施中所选的留存节点(K)的数量相关。

  * 数据吞吐量是恒定的,其反过来简化了在系统中计划的数据流

  该解码器的缺点包括:

  * 需要大面积实施以便评估和分类所有选择的层级节点。

  * 精度要求越高,所需要的K值越高。

  * 在最佳SNR条件中,数据吞吐量不会增加。

  * 不能保证达到ML解决方案,因为最佳解决方案可能存在于没有选择的节点中。

  下述图表显示了一个采用QPSK调制的MIMO 4×4 (4-层)树。在此例子中,K为四。树的每层将分为十六个节点。最好的四个将会是用于下一层的留存节点。

  深度优先搜索

  深度优先的一个例子就是软输出球解码(Soft-Output Sphere Decoder)算法。此解码器是一种自适应复杂性解决方案,从树根开始并首先直接上升到树叶——因此得名“深度优先”。该树的优先解决方案确定了初始搜索半径或范围。从那时起,解码器在整个树层中追溯并上升。对树的每个超出搜索半径的节点及其下面的所有节点进行修整。每次找到一个更好的解决方案,相应地减少半径范围。以此方法,扫描并修整了符号树,直至有效选项数量减少。余下的符号代表了ML解决方案。

  此解码器的优点是:

  * 可保证获得ML解决方案,有助于结果精确度。

  * 在高SNR条件下, 解码器运行更快,增加了数据吞吐量并降低了功耗。

  * 相比同等的横向优先解决方案,可在更小区域内实施。

  图3显示了具有自适应复杂性软输出球解码器与固定复杂性K-best解码器间的循环计数比较。因为SNR增加,球解码器将减少它的循环计数,而固定复杂性将保持不变,无论信道条件如何。

  MIMO

  该解码器的缺点包括:

  * 解码器的非确定性表现使系统计划复杂化。

  * 仅在当前分支完成后才知道下一个分支选择。这使得硬件传递途径的实施受到挑战。

  图4显示了一个采用QPSK调制的MIMO 4×4 (4层)树例子。

  1. 深度优先以下列方式选择到第一个树叶的符号路径:a. -3 (层1);b. -3 (层2);c. 1 (层 3);d. 3 (层 4)

  2. 更新了初始半径

  3. 追溯执行到第二层的一个符号

  4. 在搜索期间,修整了超出搜索半径的分支(红色所示),因此使搜索树最小化。

 MIMO

  CEVA解决方案

  CEVA通过推出最大似然MIMO检测器(MLD)来应对MIMO接收器的挑战。该MLD是紧密耦合扩展加速器硬件单元。该MLD能够处理LTE——先进的Cat.7数据流并产生软输出最大对数解决方案。

  该MLD加速器达到了次优最大似然(ML)解决方案,可用于4×4或3×3 MIMO @12.6 Mega-tones/秒,使用软输出球解码器方法,以及2×2基于LORD 的ML解决方案 @ 28.8 Mega-tones/秒,使用载波聚合。该MLD设计用于移动应用,强调低功耗设计理念。

  功能集

  MLD功能集包括对以下的支持:

  * 从2×2到4×4 MIMO的可变传输模式,且每层可配置的调制高达64QAM。

  * 三种搜索优化:每个树层的用户自定义层排序,初始半径和搜索半径。

  * 通过提供吞吐量控制能力,CEVA MLD解决了软输出球解码的非确定性质,包括用于音调处理的上下循环计数界线。另外,使用用户自定义的基于时间标记的终端来保持系统吞吐量。

  * 可以扩展软比特来补偿SNR和调制因数。

  * 在内部符号和内层解决方案中提供对LLR排列的支持

  * 内层解映射:支持两个代码层,使MLD能够将所写数据拆分到两个不同的目的地。

  * 可扩展的硬件解决方案实现了性能/功率/面积的权衡,包括选择MLD引擎的数量、缓冲器大小和接口时钟比率。

  另外,加速器提供了广泛的调试和性能分析能力。

  MLD加速器方框图

  图5描述了MLD加速器的方框图,其包含了一个AXI接口、输入缓冲器、分配器、最大似然引擎(Maximum Likelihood Engine,MLE)、LLR发生器、重排序缓冲器和输出缓冲器。

  输入缓冲器存储了大量的音调数据,通过分配器,每次传送一个音调到MLE。每个MLE输出有关检测到的比特数据;这进而通过LLR发生器转化为LLR格式。重排序缓冲器积累LLR 数据,以便传输和发送有序的输出到输出缓冲器中。输出缓冲器通过AXI接口将LLR写到接收链中的下一个模块。

 MIMO

  MLD性能

  图6描述了与MMSE接收器相比较的CEVA MLD TCE的性能,使用了4×4空间复用MIMO。封包出错率中的吞吐量可在不同的SNR条件下评估。LTE信道设置在EPA 5Hz和低相关传播条件上。

  MIMO

  CEVA的解决方案获得接近ML的结果,而MMSE遭受严重的性能下降,即便在低相关条件下。对于更高的相关条件,MMSE将会进一步恶化。

  相比之下,具有类似性能的K-best解决方案将需要超过两倍的CEVA MLD TCE范围。

  CEVA MLD TCE包含了:

  * 相比单纯的ML解码,MIMO 4×4具有低于1.5dB损失的极佳精确度。

  * 无精度损失解码MIMO 2×2 (LORD同等性能和复杂性)。

  * 超低功耗设计。

  * 有竞争力的芯片尺寸。

  图7描述了4×4 MIMO的性能,采用64-QAM调制,SM在最高编码速率下。即使在这些条件下,相比理想的ML结果,CEVA MLD TCE仍提供了低于1.5dB的精度损失。

  MIMO

  说明了SM 在最高编码速率下的2×2 MIMO的性能,采用64-QAM 调制。CEVA MLD TCE提供完美的ML性能。

  MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一,通过近几年的持续发展,MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面,第3代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容,B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中,正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中,如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR),都在考虑应用MIMO技术。   随着使用天线数目的增加,MIMO技术实现的复杂度大幅度增高,从而限制了天线的使用数目,不能充分发挥MIMO技术的优势。目前,如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度,成为业界面对的巨大挑战。

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