（微电子学与固体电子学专业论文）mimo接收机均衡算法和实现.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲磁眯魄雄二监鲨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 、 签名： 摘要 摘要 在无线通信飞速发展的今天，频谱成为最稀缺的资源。如何在有限的频谱上 传输更多的信息从而提高频率利用率，是通讯产业一直努力的方向。 m i m o 技术可以提高通信速率和可靠性，其空间复用特征可以有效提高频谱 利用率，m i m o 均衡器性能的好坏直接影响到空间复用特性的发挥，所以设计性 能良好的均衡器具有重要的实际意义。 本文先从m i m o 的技术背景进行回顾，介绍了m i m o 关键技术及其发展现 状。在算法方面，从解决码间干扰的一般方法入手，逐步具体到在m i m o o f d m 条件下均衡器的算法设计，从几何意义和矩阵推导两方面对各种均衡算法进行阐 述。本文将重排序q r 分解应用到k b e s t 球形译码算法上，从而对k b e s t 球形 译码算法进行优化。通过m a t l a b 建立模型对所涉及的均衡算法进行仿真，分析 对比仿真结果和运算量得出，重排序k b e s t 球形译码算法是算法复杂度和性能 的折中，具有很好的实用价值。在实现方面，本文叙述了浮点数硬件实现和硬件 资源复用的技巧，重点给出高速低功耗的实现方法，并从功耗、面积和速度方面 进行详细分析。该方法最后通过实践结果进行验证。 论文的主要工作包括： 1 阅读l t e 标准，了解l t e 中m i m o 技术的应用。 2 学习码间干扰产生的原因，研究对抗码间干扰的三种方法：时域均衡，扩 频技术和正交频分复用调制。 3 推导m i m o o f d m 均衡器的公式，其中包括迫零均衡算法，最小均方误 差算法和最大似然算法，还有球形译码算法等，并对上述均衡算法作出仿真。 4 在f p g a 和a s i c 上实现浮点的高速低功耗迫零均衡器。 关键词：m i m o ；均衡器；球形译码算法；低功耗 北京工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t s p e c t r u mi sb e c o m i n gt h er a r e s tr e s o u r c e si nt h ee r ao fr a p i dd e v e l o p m e n t o f w i i e i e s sc o m m u n i c a t i o n r e s e a r c h e r sh a v ea l w a y sf o c u s e do ni n c r e a s i n gt h es p e c t r u m e f f i c i e n c yw h i c hm e a n st h a tt h es p e c t r u mu n i tc a nc r i t ym o r ei n f o r m a t i o n a tat i m e u n d o u t l y , m i m ot e c h n o l o g yb e c o m e s t h em o s ti m p o r t a n tm e t h o dt oi m p r o v et h e s p e c t r u me f f i c i e n c y ag o o dp e r f o r m a n c ee q u a l i z e r c a n u s et h es p a t i a lm u l t i p l e x i n go f m i m ot oi m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c ye f f i c i e n t l ya n dd i r e c t l y , s oi t sv e r y i m p o r t a n t t od e s i g nag o o dp e r f o r m a n c em i m oe q u a l i z e r t h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h eh i s t o r yo fm i m ot e c h n o l o g ya n di n t r o d u c et h em a i n c h a r a c t e r i s t i c so fi t f r o mt h ev i e wo fa l g o r i t h m ，w e i n t r o d u c et h ei n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c ew e ，v em e ti nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dw h i c hc a l l b es o l v e db y e q u a l i z e r f r o mt h ec o m m o nm e t h o d st os o l v et h ei s i ，w ed e d u c et h em i m o o f d m e q u a l i z e r i n g e o m e t r ya n d m a t r i xt h e o r y t h i sp a p e ru s e st h er e o r d e rq r d e c o m p o s i t i o ni nk b e s ts d a a n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fk - b e s ts d a t h e m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h er e o r d e rk b e s ts d a h a st h eb e t t e rt r a d e o f f b e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y f r o mt h ev i e wo fi m p l e m e n t a t i o n ，t h i sp a p e r g i v e st h ei m p l e m e n t a t i o no fz fo nf p g aa n da s i c i ti n t r o d u c e st h et r i c k l e so f f l o a t i n gp o i n ta n dh a r d w a r er e u s ei m p l e m e n t a t i o n i te m p h a s i z e sa n da n l y s i s e st h e h i g hs p e e d a n d l o wp o w e rd e s i g nm e t h o d sw h i c hw i l lb e t e s t i f i e d b y t h e i m p l e m e n t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ec o n t e n t sb e l o w ： 1 。r e a d i n gl t es p e c i f i c a t i o nt ou n d e r s t a n dh o wt h em i m et e c h n o l o g ya p p l i e di n m 2 s t u d y i n gh o w t h ei s ig e n e r a t e sa n dt h et h r e em e t h o d st om i t i g a t ei s i ，t h et h r e e m e t h o d sa r et i m i n gd o m a i ne q u a l i z a t i o n ，s p r e a ds p e c t r u ma n do f d m 3 d e d u c i n gt h em a n yk i n d so fe q u a l i z a t i o ni nm i m e o f d mw h i c hi n c l u d e sz f ， m m s e ，m la n ds d a 4 i m p l e m e n tah i g hs p e e da n dl o wp o w e r z fe q u a l i z e ro nf p g aa n da s i c k e yw o r d s ：m i m e ；e q u a l i z a t i o n ；s d a ；l o wp o w e r i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 无线通信发展史简介1 1 2m i m o 简介2 1 2 1m i m o 发展历史2 1 2 2m i m o 关键技术：3 1 2 3m i m o 研究现状6 1 2 4 采用m i m o 技术的标准简介7 1 3 论文研究的主要内容9 1 4 本论文用到的符号表一lo 第二章均衡器的原理1 1 2 1 码间干扰l l 2 2 奈奎斯特准则和均衡器l l 2 2 1 迫零均衡。14 2 2 2 最小均方误差均衡。1 4 2 2 3 最大似然序列估计1 5 2 2 4 判决反馈均衡15 2 2 5 自适应均衡l5 2 3 扩频通信16 2 3 1 直序扩频16 2 3 2 调频扩频l9 2 4 正交频分复用( o f d m ) 及其均衡2 0 2 4 1 正交频分复用2 0 2 4 2 正交频分复用的均衡器2l 2 5 本章小结2 3 第三章川m 0 接收机均衡算法及仿真2 5 3 1m i m o 系统模型2 5 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2m i m o 接收机均衡算法2 5 3 2 1 迫零均衡算法。2 5 3 2 2 最小均方差均衡算法2 7 3 2 3 最大似然算法2 9 3 2 4 球形译码算法3 0 3 2 5k b e s t 球形译码算法3 2 3 2 6 重排序k b e s t 球形译码算法3 3 3 3 软判决均衡3 5 3 3 1 软解调逐位l l r 的推导3 5 3 3 2q a m 星座点解映射- 3 6 3 3 3 迫零均衡软判决3 8 3 3 4 最大似然软判决3 8 3 4 仿真与分析3 9 3 4 1 仿真模型。3 9 3 4 2 硬判决仿真结果4 0 3 4 3 软判决仿真结果。4 5 3 4 4 算法复杂度分析。4 7 3 5 本章小结4 9 第四章m im 0 迫零均衡器的实现：5 1 4 1 浮点数。5l 4 1 1 浮点数的表示5l 4 1 2 浮点数的运算5 l 4 1 3 舍入准则5l 4 2m i m o 均衡实现的选取5 4 4 2 1 选取迫零均衡的原因5 4 4 2 2 迫零均衡的计算公式5 4 4 3 均衡器的硬件实现。5 5 4 3 1 高速低功耗硬件代码风格5 5 4 3 2 硬件复用。5 9 4 3 3 浮点数与定点数的转换6 0 4 4 验证方法6l 4 5 实现结果6 2 4 5 1f p g a 实现结果6 2 2 一 参考文献6 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 1 致 谢：7 3 北京工业大学t 学硕士学位论文 一4 一 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖比 1 1 无线通信发展史简介 18 8 7 年，年仅3 0 岁的赫兹( h e i n r i c hh e r t z ) 通过实验证实麦克斯韦( m a x w e l l l 的电磁理论【l j ，从此天才的预想变成世人公认的真理。就在他发现电磁波的第二 年，当他被问及他的发现有何作用时，他声称并没有什么重要的价值。然而在1 8 9 5 年，意大利的马可尼( g u g l e i l m omm a r c o n i ) 首次从英国怀特岛( i s l eo fw e i g h t ) 至l j 3 0 k m 之外的一条拖船之间进行了无线传输，现代意义下的无线通信由此产生。 赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是 开创了无线电电子技术的新纪元。 早期的无线通信传送的是模拟信号。今天大多数的无线通信系统传送的是由 二进制比特组成的数字信号，这些比特或者直接来自于数字信号，或者是由模拟 信号数字化得到。数字无线通信既可以连续发送比特流，也可以对比特进行分组 后以数据包为单位进行发送。后一种情形称为分组无线电( p a c k e tr a d i o ) ，其特点 是突发传输：数据包的发送可能是间歇性的，没有数据包发送的时候信道是空闲 的。 2 0 世纪五六十年代，美国电话电报公司( a t & t ) 贝尔实验室的研究人员提出 的蜂窝概念【2 j 。蜂窝系统基于这样一个事实，即传输信号的功率随着距离的增大 而减小。把两个用户在空间上分隔足够远的距离，就能使它们之间的干扰非常小， 于是这两个用户就可以使用相同的频率进行各自的通信，从而使频率被充分利 用，系统所能承载的用户数也因此而大量增加。 基于数字通信技术的第二代蜂窝系统( 2 g ) 于2 0 世纪9 0 年代初面世。数字系 统的高容量以及数字电路在成本、速度、硬件功率效率方面的优势带动了蜂窝系 统从模拟到数字的转变。第二代蜂窝系统最初主要提供话音业务，后来逐渐演进 到可以提供电子邮件、互联网接入、短消息等数据业务。不幸的是，蜂窝电话的 巨大市场潜力导致了第二代蜂窝系统标准的多样性。仅在美国就有三个不同的标 准，在欧洲和日本还有其他的标准，这些标准都是不兼容的。 欧洲人鉴于自己的第一代蜂窝系统多数是互不兼容的，所以他们很快就达成 了一致，为第二代数字蜂窝系统制定了一个统一的标准g s m 。g s m 结合了 北京工业大学工学硕士学位论文 时分接入和慢调频技术，语音调制采用频移键控。美国在制定2 g 标准的时候， 在多址技术上产生了激烈的争论，最终形成了多个互不兼容的标准。第二代数字 蜂窝系统后来都增强以支持高速分组数据业务，工业界也称这些标准为2 5 g 系 列的标准。g s m 通过把所有的时隙分配给一个用户的方法使数据速率到达 1 4 0 k b p s ，这种增强型版本称为g p r s 。另一种更为彻底的g s m 增强型是 e d g e ( e n h a n c e dd a t as e r v i c e sf o rg s me v o l u t i o n ) ，它通过采用编码高阶调制，将 数据率提高到3 8 6 b p s 。因为高阶调制对衰落敏感，所以e d g e 采用了自适应技 术来抑制衰落的影响。i s 9 5 系统则是采用捆绑扩频码的方法使数据速率到达 11 5 k b p s 。 第三代蜂窝系统( 3 g ) 都是基于宽带c d m a 的，它由国际电信联盟 ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，简称为i t u ) 发起，称为国际移动通信 2 0 0 0 标准( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s ，简称为i m t - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 根据不同的移动性和用户位置提供不同的数据速率：步行3 8 4 k b p s 、汽车1 4 4 k b p s 、 室内2 m b p s 。现在经过国际电联批准的3 g 标准有美国公司提出的c d m a 2 0 0 0 和w i m a x ，把欧洲和日本标准进行融合的w c d m a 以及中国自主创新提出的 t d s c d m a 标准。 后3 g 时代( b e y o n d3 g ) 是各大阵营为第四代蜂窝系统( 4 g ) 提出的过渡性标 准，以3 g p p 2 组织提出的l 丌b 标准和3 g p p 组织提出的l 1 陋标准。其中u m b 标准的主要制定者美国高通公司已经在2 0 0 8 年末宣布放弃u m b 转投l t e 阵营， 使得l t e 标准成为众望所归。当前所有2 g 以及3 g 系统演进到4 g 系统都必须 经过l t e ，l t e 标准在学术界和工业界都炙手可热。 1 2m i m o 简介 1 2 1m i m o 发展历史 m i m o 概念的提出最初是在上世纪7 0 年代，之后在8 0 年代，关于波束赋性 的论文发表。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出b l a s t 算法、1 9 9 8 年t a r o k h 等提出空时编 码以来，m i m o 无线通信技术的研究如雨后春笋般涌现。至2 0 0 9 年底，i e e e 数 据库收录该领域的研究论文已经达到数千篇，从m i m o 无线通信技术的理论研 究到实验验证，再到商用化的各个方面。从b l a s t 系统出现以后，m i m o 的研 究就进入了快速发展期。最早在w i m a x 中被引入，现在w i f i 和l t e 等以高数 据率为目标的无线通信标准中都采用了m i m o 技术。 一2 一 第一章绪论 1 2 2m i m o 关键技术 m i m o 关键技术主要可以分为三种【3 】【4 】【5 】：预编码，空间复用和分集。 ( 1 ) 预编码 预编码实现的是波束赋性技术。在传统的波束成形应用中，通过对每条信号 路径进行复数加权来控制天线阵，以便在无线链路上获得最佳信噪比，之后，同 时从每个天线阵元传输相同的信号或数据信号。在针对空间分集或者空间复用进 行优化的波束成形器中，每个天线阵元同时传输多个数据符号的加权组合。波束 成形技术要求发射机端了解信道特性，而前面所讨论的空间分集和空间复用则没 有这一要求。在此情形下，可能需要在接收机处对信道进行测量，并将信息发回 接收机。发射机端的信道信息可以是完整的，也可以是不完整的。 ( 2 ) 空间复用 如果空间复用使用的带宽和功率与传统的s i s o 系统相同，则空间复用可用 以提高传输速率。理论上，容量的增加与添加到m i m o 系统中的发射和接收天 线数线形相关。m i m o 系统也可以在接收机和发射机端配置数目不等的天线，例 如nx m 情形，其中发射天线数m 不等于接收天线数。在此配置下，容量的 增加值与m i n n ，m 成正比。 图1 1 给出一种m i m o2 x 2 配置的简单空间复用系统，从上部发射天线t x l 发射第一个数据墨，从下部发射天线t x 2 发射第二个数据是。这两个数据符号的传 输同时在第一符号时间内进行。在下一个符号时间内，同时传输数据符号& 和尚。 在此过程中，由于从每根天线交替发射不同的符号，并且每个符号仅发射一次， 所以数据速率加倍。 图1 - 1 简化的m i m 0 2 x 2 框图 f i g u r el - 1s i m p l i f i e dm i m 0 2 x 2d i a g r a m 需要注意的是，空间复用只能在多径非常丰富的无线环境中提高传输速率， 大量的多径会导致信道之间的低相关性，从而有可能在接收机端进行数据恢复。 当信道高度相关时，空间的复用性能会快速恶化。因为在信道高度相关时，信道 系数高度相关，此信道矩阵称为病态的( 矩阵的条件数很大) ，此时信道系数发 北京工业大学丁学硕士学位论文 生微量变化时，解码出来的信号变化非常大。 ( 3 ) 分集 l t e 在下行中获取发射分集通过空时码( a l a m o u t i 编码) ，见图1 2 ，另外使用 大延迟c d d ( c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y ) 获取空间分集。l t e 在上行中获取空间分集通 过接收分集。 罗 s t c 爿2 】y 1 】 解码 图l - 2a l a m o u t i 编解码 f i g u r e1 - 2a l a m o u t ic o d e c 因为l t e 在发射的时候，并不能完全知道信道的信息( 针对f d d ) 。在此情 况下用空时编码a l 锄o u t i 编码来实现发射分集。a l a m o u t i 编码是所有天线以 各向同性方式辐射能量的方案中具有最佳的性能。另外在l t e 接收端，至少有两 根线，同时也可以实现接收分集。 在l t e 中还可以通过大延迟c d d 来获取空间分集，方法是在与编码之前乘 以矩阵d ( i ) u ，矩阵d ( f ) 和u 如下表l 一1 1 6 所示。 。表1 1 大延迟c d d 参数 t a b l e l - il a r g ed e l a yc d d p a r a m e t e r s n u m b e ro fl a y e r s u d ( d u 1 f 1 1 11 0 1 2 万lp 叫2 们ji - 0p 叫2 砟j 。1 11 l00 l 1f i 2 x 1 3f j 姐岛0p 吖2 卅30 3 压 1f 脚| 3e - 潮| 300 f j 霄诤 11 11 。1 0 00 。 l 1f j 2 f 4f 】 蕊| f j 乜| i0f j 2 砸1 100 4 0 0e - j 铡 0 21f j i l f t i l t 4f t z g 4 ie j 6 z 4 口一j 1 2 z 4p f l s x 4000e - j 6 翱h 乘以矩阵u 以后，每个数据流旋转不同的相位之后在每根天线上都发送，如 图1 3 所示： 弋彳 第一章绪论 暑曼鼍昌詈皇奠鼍鲁! 詈舅皇皇量富薯寡量暑詈量皇詈曩皇宣詈喜詈曼鼍鼍量曼詈鲁量皇鼍皇! 曼暑詈昌詈詈舅鼍曹鼍墨曼葛皇皇皇置i i 。i i 鲁墨詈鲁置鼍鼍 数据流1 数据流2 数据流n 一 t 、 、 照 旋转 b 一 、j 天线l 、l 。 t _ 一 后续处理u 天线2 后续处理，l - j 兀强z ： 丫天线m i t大致m i j 、一一， 图1 - 3c d d 数据处理过程图 f i g u r e l 一3d a t ap r o c e s s i n gf l o wi i lc d d 这样处理之后相当于每个数据流分散在m 个相互独立衰落的信道上。而后 又乘以对角矩阵9 ( 0 ，这样每根天线上的数据在不同的时刻又进行不同的相位旋 转，假设在平坦衰落信道下，不同的延迟获得的频率选择性衰落如图1 - 4 所示： 大延迟 频率 图l - 4 不同程度延迟下c d d 效果图 f i g u r e l - 4t h ee f f e c t so f d i f f e r e n td e l a yc d d 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 3m i m o 研究现状 目前国际上很多科研院校与商业机构都争相对m i m o 通信技术进行深入研 究。其研究现状如下： ( 1 ) m i m 0 算法开发 虽然理论分析结果表明m i m o 无线技术能够极大地提高系统容量与可靠性 川【8 】【9 】，但仅有分析是不够的，更为重要的是开发误码性能与复杂度折中的方案 以获取m i m o 系统的实际性能增益。大量m i m o 算法都想同时充分获取分集与 复用增益，因此可将m i m o 算法方案分为两大类。 第一类是分集最大化方案，即空时编码( s t c ) 方案。天线分集可以对抗信 道衰落，提高无线链路的可靠性，并且联合应用多维天线分集与时间分集，可以 获得更好的分集效果，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，从而提高无 线传输的稳健性。在延时发射分集的基础上，t a r o k h 等提出了空时格形码 ( s 1 v r c ) ，它具有卷积码的特性，并将格形编码、调制与发射分集结合在一起， 在不增加带宽的情况下，可以同时获得满分集增益和高编码增益。其性能较好， 抗衰落能力强，但是其接收机用v i t e r b i 译码，复杂度很高。随后，各种空时编码 得到快速的发展，如t u r b o 空时格码与级联空间码等。然而，空时编码的盛行实 际是从空时分组码( s t b c ) 发现开始的，因为s t b c 比较容易构造，译码也简 单。s t b c 的性能只与分集阶数有关，它可以获得满分集增益，但是没有编码增 益，其抗衰落性能较差，因此，更适合于微小区或微微小区。 第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为m i m o 系统的多天线也可以 空间复用。无线信道的多径传播增加了m i m o 系统可用的自由度，若各对收发 天线路径的衰落相互独立，则空间矩阵信道创建了多个并行的空间传输信道，并 利用并行通道同时传输独立信息流，从而提高系统的数据率。 然而，纯粹的天线分集与纯粹的复用方案并非最优方案，因为m i m o 系统本 身的自由度在给定天线配置下是有限的，它们各自都只解决了问题的一个方面， 即获取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然。于是，在m i m o 算法开发中如何对二者性能进行折中以同时获得分集与复用增益达到最佳的系 统性能，成为人们追求的目标。 ( 2 ) m i m 0 无线信道建模 m i m o 系统利用无线信道【1 0 】【l l 】【1 2 】的多径传播，开发空间资源，建立空间并 行矩阵传输通道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性。然而， 决定空时处理性能的关键因素在于无线传播信道的空时特性。研究表明，只有在 无线信道散射传播的多径分量足够丰富的条件下，各对发收天线单元间的多径 第一章绪论 衰落才趋于独立，信道矩阵才趋于满秩；如果散射不够丰富或天线单元间距较小 等，多径衰落将不完全独立，信道矩阵也非满秩，m i m o 信道的空间优势得不 到充分发挥，m i m o 系统传输方案的性能将下降，即信道传播条件决定了m i m o 系统的信道容量。一方面，需开发更加稳健的空时处理算法，如空时编解码、空 时均衡与m i m o 收发信机算法；另一方面，需开发m i m o 无线信道模型以模拟各 种实际信道条件、评估各种空时处理算法的相对性能、仿真与优化设计高性能的 通信系统。 ( 3 ) m i m 0 天线设计 发射与接收多天线系统是m i m o 无线系统的重要组成部分，其性能直接影响 m i m o 信道的性能。多天线发出的信号在无线信道中经散射传播而混合在一起， 再经接收端多天线接收后，系统通过空时处理算法分离并恢复出发射数据，其性 能取决于各天线单元接收信号的独立程度，即相关性，而多天线间的相关性与散 射传播及天线特性密切相关。因此，实现m i m o 系统的高性能除依赖于多径传 播的丰富度外，还依赖于多天线单元的合理设计。 ( 4 ) mim o 技术的标准化发展 随着m i m o 技术日趋成熟，并向实用化迈进，国际上很多研究机构已不断推 动m i m o 技术的标准化进程，包括：m i m o 无线传播信道模型的标准化和m i m o 技术的标准化。在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动的未来 通用无线通信技术研究计划( f u t u r e ) 分为三阶段实施：在第二阶段( 2 0 0 4 1 到 2 0 0 5 1 2 ) ，b 3 g 4 g 空中接口技术研究达到相对成熟的水平，并进行与之相关的 系统总体技术研究( 包括与无线自组织网络、游牧无线接入网络的互联互通技术 研究等) ，完成联网实验和演示业务的开发，建成具有b 3 g 4 g 技术特征的演示系 统，向i t u 提交初步的新一代无限通信体制标准：在第三阶段( 2 0 0 6 1 到 2 0 1 0 1 2 ) ，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规 模的现场实验，完成预商用系统的研制。 1 2 4 采用m i m o 技术的标准简介 下面介绍几种成功采用m i m o 技术的比较有影响力的无线通信标准： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1l n - 2 0 0 9 标准 i e e e8 0 2 1l x 系列标准有个商业化的名字叫做w i f i 。i e e e8 0 2 1i n 2 0 0 9 是 i e e e8 0 2 1 1 - 2 0 0 7 无线网络标准的补充，主要规定了p h y 层空中接口，8 0 2 1 1 n 相比它的前任8 0 2 1 l a b g 在速率上有很大的提升。8 0 2 1 i a b g 原始数据率为 5 4 m b p s ，而8 0 2 1 l n 在m i m o 数据流为4 ( m i m o 配置至少为4 x 4 ) 带宽为4 0 m h z 的条件下的速度可以达到6 0 0 m b p s 。8 0 2 1 1 n 相比它的前任做了诸多改进才在速 北京工业大学工学硕士学位论文 率上有质的提升： ( 1 ) o f d m 中引入更多的子载波，由原先的4 8 个增加到5 2 个，速率从5 4 m b p s 增加到5 8 5 m p b s ； ( 2 ) f e c 采用更高的编码率，高达5 6 ，速率从5 8 5 m b p s 增加到6 5 m b p s ； ( 3 ) 保护间隔由之前的8 0 0 n s 减小到4 0 0 n s ，速率增加到7 2 2 m b p s ： ( 4 ) 引入m i m o 技术，空间复用使速率大大提升，空间数据流最大为4 ，速率 最大提升到2 8 8 9 m b p s ； ( 5 ) 可支持4 0 m h z 带宽，而子载波数从5 2 到1 0 8 ，速率增加到6 0 0 m b p s ； 另外8 0 2 1 l n 采用了快速m c s 反馈和发射波束成形大大提高了链路的稳定 性。 ( 2 ) w im a x 标准 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，即全球微波互联接 入。w i 心是i e e e 8 0 2 1 6 x 系列标准的商业化名称。w j m a x 是一项新兴的宽 带无线接入技术，能提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达5 0 k m 。 w i m a x 还具有q o s 保障、传输速率高、业务丰富多样等优点。w i m a x 的技术 起点较高，采用了代表未来通信技术发展方向的o f d m o f d m a 、a a s 、m i m o 等先进技术。 w i 燃能够在比w i f i 更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接性， 由此支持企业客户享受t l 类服务以及居民用户拥有相当于线缆d s l 的访问能 力。凭借其在任意地点的1 , - - 6 英里覆盖范围( 取决于多种因素) ，w i m a x 可以为 高速数据应用提供更出色的移动性。此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率， w i m a x 还能够提供为电信基础设施、企业园区和w i f i 热点提供回程。 w i m a x 物理层的关键技术如下： ( 1 ) 采用o f d m a 接入技术； ( 2 ) f e c 采用更为先进的c t c 编码； ( 3 ) 采用自适应调制技术； ( 4 ) 采用h a r q 技术； ( 5 ) 采用多天线技术( m i m o ) ； w i m a x 技术在无线技术标准里面是率先使用m i m o 技术和其他的先进技术。 3 g p p * f j 定的l t e 标准在物理层关键技术方面和w i m a x 非常相似。但是w i m a x 只 包含m a c 层和p h y 层，其中核心网的部分不w i m a x 标准内，这使得w i m a x 的 跨层调度不像l t e 那样方便和有效，l t e 从p h y 层到核心网都是一起整体设计的。 ( 3 ) l t e 标准 一8 一 第一章绪论 詈暑量詈鼍喜葺皇詈置皇曼! 鼍曼皇曼鲁詈曼寡皇量暑量鼍量置i i i 。 oi 。1 i i 吕毫 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目是3 g 的演进，始于2 0 0 4 年3 g p p 的多 伦多会议。l t e 并非人们普遍误解的4 g 技术，而是3 g 与4 g 技术之间的一个过渡， 是3 9 g 的全球标准，它改进并增强y 3 g 的空中接入技术，采用o f d m 和m i m o 作为 其无线网络演进的唯一标准。在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行3 2 6 m b i t s 与上行 8 6 m b i t s 的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延 迟。其整个体系架构较之前的标准都有很大的改进，层结构逐渐扁平化。 其空中接口部分是本文重点关注的内容。其主要特点如下： ( 1 ) l t e 支持t d d 模式和f d d 模式； ( 2 ) 支持多种传输带宽( 1 4 m h z ，3 m h z ，5 m h z ，1 0 m h z ，1 5 m h z ，2 0 m h z ) ； ( 3 ) 各种配置下的传输速率如表1 2 所示： 表1 2l t e 上下行峰值速率 t a b l e l 一1t h ep e a kr a t eo f l t e l t e 下行峰值速率( 6 4 q a m ) 天线配置 ls i s oi2 x 2 m i m oi4 x 4 m i m o 峰值速率( m b p s )l 1 0 0 l 1 7 2 8 i 3 2 6 4 l t e 上行峰值速率( 单根天线) 调制模式 iq p s ki1 6 q a ml6 4 q a m 峰值速率( m b p s )l 5 0 l 5 7 6 l 8 6 4 ( 4 ) 采用o f d m a 接入技术，相比c d m a 而言，o f d m 技术在小区边缘会有 更大的小区间干扰，l t e 采用在小区边缘较小的频率复用系数( f r e q u e n c yr e u s e f a c t o r ) ，在小区中央采用频率服用系数为l 来解决小区边缘的干扰问题； ( 5 ) 上行采用s c o f d m a 技术，降低了对p a 的要求； ( 6 ) 采用m i m o 多天线技术； ( 7 ) 采用自适应编码调制技术； 1 3 论文研究的主要内容 本文主要对l t em i m o 接收机中的关键部分均衡器的由来和作用进行 了详细的研究，并且把均衡器和其它类似的技术进行对比，最后给出了均衡器算 法的推导并在f p g a 上实现了该均衡器。 本论文的章节安排顺序如下： 第一章首先介绍无线通信发展的历史，主要是以商用的蜂窝通信系统为主， 从最早蜂窝概念的提出到现在的后3 g 技术标准，然后着重对后3 g 技术标准里 北京工业大学工学硕士学位论文 出现的m i m o 技术的历史和现状进行了介绍，同时也简要的阐述了m i m o 技术 的主要特征。 第二章介绍无线信道中码间干扰( i s i ) 产生原理，以及在系统设计中如何避 免i s i 对接收的影响。目前克服i s i 影响的技术有三种：时域均衡，扩频技术和 正交频分复用调制技术。在本章节中简要介绍了这些技术如何对抗i s i 的原理。 第三章重点介绍m i m o 系统的模型，以及m i m o 接收机各种均衡算法的推 导，其中有迫零均衡算法，最小均方误差算法和最大似然准则算法，以及最大似 然准则算法的简化算法，球形译码算法。球形译码算法的变种有很多种，本章节 介绍了其中便于硬件实现的k b e s t 球形译码算法和其改进的算法。另外本节中 也推导了迫零均衡算法的软判决均衡的公式，这也是实际系统采用的实现方式。 最后在本章节的最后给出了上述各种算法的性能仿真结果并对结果进行了分析。 第四章主要介绍迫零均衡算法在f p g a 和a s i c 上的实现。其中应用了浮点 数的运算，本节中介绍了浮点数的硬件实现方法和注意事项，同时提出高速低功 耗的设计风格，极大地降低芯片最后的面积和功耗。最后给出了迫零均衡算法主 要部分的实现结构，该结构有效的节省了硬件资源。 1 4 本论文用到的符号表 矩阵彳的共轭 矩阵彳的转置 矩阵彳的共轭转置 矩阵彳的逆 矩阵a 的伪逆 随机变量x 的数学期望 矩阵彳第衍i ：第列元素 循环卷积 向量a 的第f 个元素 一1 0 一 。 r q ，“” “ ，y f 烈 气 p q 第二章均衡器的原理 2 1 码间干扰 第二章均衡器的原理 在通信系统中，由于频谱资源的限制，发射机总是要用滤波器把发射的信号 限定在一定的频谱内。假设一个单载波的基带发射机要送发信是 厶) ，经过带限 滤波器之后的信号为： l s ( t ) = i m g ( t 一聊丁)( 2 1 ) 由于g ( ，) 在时域上是无限的，所以它会将当前的信号扩展到前后的信号中【1 3 】【1 4 1 ， 如图2 1 所示： jl a o gt 够 f 妇( 卜r ) i 、 、 八i 、 t1 图2 - l 码间干扰 f i g u r e 2 1i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e 在接收端k 时刻采样后得： ! - s ( k t ) = l g ( 灯一聊丁) = 厶* g ( k t )( 2 - 2 ) 将卷积式展开得： s ( k t ) = g ( o ) 厶+ 厶g ( 灯一m t )( 2 3 ) m * k 第一项是接收机需要的，而第二项是由附件的信号引入的，称第二项为符号间干 扰，也叫做码间干扰。 2 2 奈奎斯特准则和均衡器 对于码间干扰问题，第一种直接的解决方案从式( 2 3 ) 可以看出，即使得 第二项为零。此时， g ( k t