（通信与信息系统专业论文）b3g关键技术研究——mimo检测技术的研究与fpga实现.pdf

摘要 摘要 本论文探讨了m i m o 检测的f p g a 实现，以及围绕这个主题所进行的算法研 究。 m i m o 技术被认为是新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) 的核心技术之一，它利用 多个天线进行收发，能在不占用过多带宽的情况下提高系统的容量。m i m o 检测 技术是m i m o 技术体系中的一个热点。现有的检测算法很多，有的性能优良但复 杂度太高，如m l 检测算法，有的复杂度低但性能不好，如z f 检测算法。基于循 环结构的m m s es i c 检测算法是一种两者兼顾的算法，但实现起来还是存在诸多 困难。本文的重点就是讨论如何将这种检测算法在性能损失不大的情况下进行简 化，使之适合硬件设计，并且将简化后的算法在x i l i n x 公司的v i r t e x i i p r ox c 2 v p 7 0 芯片中实现。 第一章回顾了现代移动通信的发展，对下一代移动通信系统及关键技术进行 了展望，介绍了课题来源与论文的安排。 第二章简要介绍了m i m o 技术框架以及该技术在b 3 g 下行链路中的应用，接 下来重点介绍了m m s es i c 检测算法，通过复杂度分析来说明硬件实现的困难所 在。然后提出自己的简化方案，即通过简要的推导证明在无循环的情况下m m s e s i c 检测算法完全等同于m m s e 检测算法，结合运算的特点提出了简化的对数似 然比解调方案，从而省去了大量的非线性运算，简化后的方案在文中被称为 m m s e l l r 检测方案。 在第三章中研究了矩阵求逆运算。由于基于m m s e 的检测算法中会不可避免 地遇到矩阵求逆运算，经过分析发现此类矩阵均为正定h e r m i t e 矩阵，根据此类矩 阵的特点引入了变量循环重新编号法求逆算法，并且根据运算过程中数据的对称 性提出了进一步的简化方案。 第四章首先介绍f p g a 的基本原理与设计方法，然后详细描述了设计中将要 采用的v i r t e x i ip r o 系列f p g a 芯片的结构、特点和资源等。 第五章为m i m o 检测的f p g a 实现部分。在本章中先介绍了系统需求、基本 框架，然后介绍了在系统中采用的器件分时复用的思想，接着对重点模块同时也 摘要 是难实现的模块的实现方案进行了详细的介绍，最后对硬件的性能进行了分析 以此来证明前面做的简化与设计都是行之有效的。 最后一章进行了概括性的总结与展望。 关键词：b 3 g ，m i m o ，m m s e ，正定h e r m i t e 阵，f p g a i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i sw eh a v ed i s c u s s e dt h ef p g a i m p l e m e n t a t i o no fm i m o d e t e c t i o na n d r e s e a r c ho nr e l a t e da l g o r i t h m s t h em i m o t e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da st h ek e yt e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o n o f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ( b e y o n d3 g 4 g ) ，w h i c hd e p l o y sm u l t ia n t e n n a sa tb o t h t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rt oe n h a n c es y s t e mc a p a c i t yw i t h o u tu s i n ga d d i t i o n a lb a n d w i d t h m i m od e t e c t i o nt e c h n i q u e sa r eh i g h l i g h t e di nm i m or e s e a r c h e s t h e r ea r ep l e n t yo f d e t e c t i o na l g o r i t h m sa tp r e s e n t ，s o m eo f w h i c hh a v eg o o dp e r f o r m a n c eb u ta l s oh a v e l l i g hc o m p l e x i t y , w h i l es o m eh a v el o wc o m p l e x i t yb u tt h ep e r f o r m a n c ea r ev e r yg o o d t h em m s es i ca l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h ei t e r a t i v es t r u c t u r eh a sat r a d e o f f b e t w e e n p e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y , w h i l et h ei m p l e m e n t a t i o ni sv e r yd i f f i c u l t t h em a i n p o i n to f t h i st h e s i si st or e s e a r c hh o w t or e d u c et h ec o m p l e x i t yw h i l en o tt ol o s em u c h o f t h ep e r f o r m a n c e , w h i c ht h e ni sm o r es u i t a b l ef o rh a r d w a r ed e s i g nw h e nu s i n gx i l i n x c o m p a n y sv i r t e x i ip r ox c 2 v p 7 0c h i p s i nc h a p t e ro n e ，w er e v i e wt h ed e v e l o p m e n to f m o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a n de n v i s i o n st h es y s t e m sa n dk e yt e c h n o l o g i e so f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n so f n e x t g e n e r a t i o ni nb r i e f t h es o u r c ea n dt h ea r r a n g e m e n to f t h i st h e s i sa r ep r o v i d e d i nc h a p t e rt w o ，w ei n t r o d u c et h em i m o t e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n si nt h e d o w n l i n ko f b 3 gs y s t e m w et h e nd i s c u s si nd e t m lt h em m s es i cd e t e c t i o na l g o r i t h m w es h o wt h ed i f f i c u l t yi nh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nb yc o m p l e x i t ya n a l y s i s ，t h e nb a s e d o nt h ea n a l y s i sw ep r o v i d e0 1 1 1 s c h e m e ，w h i c hh a sl o wc o m p l e x i t ya n dh a sb e e np r o v e d t ob ee q u i v a l e n tt ot h em m s ea l g o r i t h mw i t h o u ti t e r a t i o n s w ep r o v i d eas c h e m ec a l l e d t h em m s e l l r ( l o g a r i t h ml i k e l i h o o dr a t i o 、w h i c hi st h es i m p l i f i e dl l r d e m o d u l a t i o ns c h e m ea n do m i t t e da1 0 to f n o n - l i n e a ro p e r a t i o n s i nm m s eb a s e dd e t e c t i o na l g o r i t h m si t si n e v i t a b l et od ot h em a t r i xi n v e r s i o n o p e r a t i o n ，a n dw eh a v ef o u n db ya n a l y s i st h a ts u c hm a t r i c e sa r ea l lp o s i t i v ed e f i n i t i o n h e r m i t em a t r i c e s s o ，i nc h a p t e rt h r e e ，b yr e n u m b e r st h el o o p e dv a r i a b l e sw ei n d u c ea n e wm a t r i xi n v e r s i o na l g o r i t h ma n db a s e do nt h es y m m e t r yo f t h ed a t aw ef l l i r t h e r t t t a b s t r a c t s i m p l i f i e dt h ea l g o r i t h m i nc h a p t e rf o u r - w ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e sa n dd e s i g nm e t h o d so f f p g a t h e n w ed i s c u s si nd e t a i lt h es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s o u r c e so f v i r t e x i ip r os e r i e s f p g ac h i p sw h i c hw i l lb eu s e di nt h ei m p l e m e n t a t i o n s i nc h a p t e rf i v e ，w ep r o v i d et h ef p g a i m p l e m e n t a t i o no f m i m od e t e c t i o n s w e f i r s ti n t r o d u c et h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n dt h eb a s i cf r a m e w o r ka n dt h ep r i n c i p l e so f t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t h e ni n t r o d u c ei nd e t a i lt h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m e so f k e y m o d u l e s ，w h i c ha r ea l s ot h em o d u l e st h a ta r eh a r dt ob ei m p l e m e n t e d f i n a l l y , t h e a n a l y s e so f h a r d w a r ep e r f o r m a n c e sa r ep r o v i d e dt op r o v e t h a tt h ea b o v es i m p l i f i c a t i o n s a n dd e s i g n sa r er e a l l ye f f e c t i v e i nt h el a s tc h a p t e rw ec o n c l u d et h ew h o l et h e s i sa n ds o m ee n v i s i o n sa r ea l s o p r o v i d e d k e y w o r d s ：b 3 gm 1 m o ，m m s e ，p o s i t i v ed e f i n i t i o nh e r m i t em a t r i x ，f p g a i v 图目录 图目录 图2 1m i m o 信道模型 图2 2b 3 g 实验系统 图2 - 3b 3 g 下行链路基本框架 图2 - 4m m s es i c 检测算法处理框图 图2 - 5m m s es i c 检测算法流程图 图2 - 6 迭代等效原理图 图2 7m m s e l l r 算法框图 图2 - 8m m s e l l r 检测算法流程图 图2 - 9 三种检测方案的性能对比曲线 图3 1 第k 次循环后的数据对称关系示意图 图4 1 简化的f p g a 结构 图4 2 单一c l b 结构 图4 3v i r t e x i ip r o 系列的结构示意图 图4 。4v i r t e x i ip r o 系列的单一c l b 结构 图4 5 流水线设计示意图 图4 6 完整的f p g a 设计流程 图5 - 1 输入端信号处理 图5 2 输出信号格式 图5 3 四天线分时复用原理图 图5 4m i m o 模块划分框图 图5 - 5m i m o 检测输入定点数格式 图5 - 6 加减法输入输出数据格式 图5 7 乘法器输入输出数据格式 图5 80 设1 入法函数曲线 图5 - 9 截断法函数曲线 图5 1 0 末尾置1 法函数曲线 图5 1 1 乘加器电路图 图5 1 2 乘加器的输入输出波形 图5 - 1 3 并串转换电路， 图5 一1 4 并串转换波形图 图5 1 5 矩阵求逆的串行处理框图 图5 1 61 级时钟完成一次循环方案 图5 1 7 五级时钟完成一次循环方案框图 图5 - 1 85 级时钟循环方案求逆矩阵内部循环示意图 图5 1 9 状态转移图 图5 2 0 矩阵求逆模块仿真波形图1 i x m n n”侉加丝船弛弛孙”粥甜北钙钙稻钉钉档铝如钉钉鲐卯鲫 图目录 图5 2 1 矩阵求逆模块仿真波形图2 图5 2 2 幅度自动调整模块与m i m o 检测模块的连接关系 图5 2 3 基于信道信息调整示意图 图5 2 4 基于接收信号调整示意图 图5 2 5 移位运算前后数据格式 图5 2 6f p g a 仿真结果与浮点仿真结果对比曲线 图5 2 7m i m o 检测电路板 x 6 0 6 1 6 3 6 3 6 5 6 6 6 7 表目录 表目录 表2 1b 3 g 系统参数 表2 2m m s es i c 算法复杂度 表2 3m m s e l l r 算法复杂度 表4 1v i r t e x i ip r o 系列f p g a 资源列表 表5 1 双符号位的溢出判断表 表5 2 三种舍入方案优劣比较 表5 3 各公式在循环过程中加减( 正负1 号的选取 表5 4 各级运算单元工作分配表 表5 5 状态机输出与第四级运算符号的对应关系 表5 - 6 输入输出控制 表5 7 两种精确调整方案复杂度对比 表5 8 移位控制列表 表5 - 9m i m o 检测的资源占用情况 加坫俎弘钳弱鳃”甜酊矾 缩略字表 3 g a m p s a s i c b 3 g b e r b l r b p s k c a i c d m a c l b c p c p l d d b l a s t d s p e e p r o m e p r o m f p g a f p l m t s f u t u r e g s m h d l l c l i m t 2 0 0 0 缩略字表 t h i r dg e n e r a t i o n a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t b e y o n d3 g b i te r r o rr a t e b i tl i k e l i h o o dr a t i o b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o a n t e n n ai n t e r f e r e n c e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n f i g n r a b l el o g i cb l o c k s c y c l i cp r e f i x c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e d i a g o n a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ea n dp r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d - - o n l ym e m o r y f i d dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e p h o n es y s t e m f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i o e n v i r o n m e n t g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h a r d w a r ed e s e r j 【p t i o nl a n g u a g e i n t e r c a r t i e ri n t e r f e r e n c e i n t e m 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 2 0 0 0 ( t h e3 gi t us t a n d a r d ) x i i 第三代移动通信系统 高级移动电话系统 专用集成电路 超三代( 移动通信系统) 比特误码率 比特似然比 二进制相移键控 天线共扰 码分多址 可配景逻辑模块 循环前缀 复杂可编程逻辑器件 对角贝尔实验室分层空 时 数字处理器 电可擦除只读存储器 紫外线可擦除 只读存储器 现场可编程门阵列 未来地面移动电话系统 通用无线电环境新技术 全球移动通信系统 硬件描述语言 载波间干扰 国际移动通信2 0 0 0 ( i t u 的3 g 标准) 缩略字表 i p i s i i t u l d p c l l r m a c m i m o m l m m s e o f d m p a l p r o m q a m q o s s i c s n r s o c s o p c s r a m t a c s t d d t d m a v b l a s t w a r c z f i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e h 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 nu n i o n l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e l o gl i k e l i h o o dr a t i o m u l t i p l ya c c u m u l a t o r m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c p r o g r a m m a b l er e a d - - o n l ym e m o r y q u a d r a m r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e s o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e u a t i o l l s i g n a lt on o i s er a t i o s y s t e mo nc h i p s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p s t a t i cr a n d o ma c e sm e m o r y t o t a la c c e s sc o m m u n i c 撕o ns y s t e m t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s v e r t i c a lb e ul a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e w o r l da d m i n i s t r a t i v er a d i oc o n f e r e n c e z e r of o r c i n g 知识产权 符号问干扰 国际电信联盟 低密度极性校验码 对数似然比 乘加器 多入多出 最大似然 最小均方误差 正交频分复用 可编程阵列逻辑 可编程只读存储器 正交幅度调制 服务质量 软干扰抵消 信号噪声比 片上系统 可编程片上系统 静态随机存储器 全接入通信系统 时分双工 时分多址 垂直贝尔实验室分层空 时 世界无线电管理委员会 迫零 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：至塞垫日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲兰逃翩虢雄 日期：年 月日 第一章引言 1 1 移动通信的发展概况 第一章引言 人类采用无线通信的历史可以追溯到遥远的古代。但直到十九世纪末，人们 都是采用十分直观的方式实现简单的信息传输。古代战争中的烽火台、金鼓和旌 旗都是直观无线通信的例子。1 8 6 4 年，英国物理学家j c m a x w e l l 创造性地总结人 们已有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1 8 9 7 年，m g 马可尼完成的无线通 信试验就是在固定站与一艘轮船之间进行的，当时的距离为1 8 海里。在后来一个 世纪多时间里，在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线移动通信的理 论和技术不断取得进步。今天，无线移动通信已经发展到大规模商用并逐渐成为 人们日常生活不可缺少的通信方式之一 i 】。 第一代蜂窝移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟 技术，包括模拟蜂窝和无绳电话系统。典型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、 前西德的c 4 5 0 等。模拟系统的缺点主要有频谱利用率低、抗干扰能力差、系统 保密性差等，但由于模拟技术十分成熟，因而在发展初期也得到了较为广泛的应 用。模拟蜂窝技术由于不适合未来多媒体通信业务的需求，必将在日益激烈的市 场竞争中被逐步淘汰。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝 模拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。8 0 年代中期，欧洲首先推 出了全球移动通信系统( g s m ) 。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信 体制。2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝 移动通信系统，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。从此，码分多址这种 新的无线接入技术在移动通信领域占有了越来重要的地拉。除此之外，还有欧洲 的d c s l 9 0 0 ，美国的i s 一5 4 等。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统是第二 代移动通信系统。 早在部署第二代数字无线通信系统时，人们就已经展开了研制第三代无线通 信系统( 3 g ) 的工作，要求在这些系统中添加宽带数据业务，以支持视频、互联网接 入以及其他更高速率的业务。 电子科技大学硕士学位论文 1 9 9 2 年，国际电信联盟( i t u ) 年d 世界无线电管理委员会( w a r c ) 提出计划，准 备向所有国家开放2 0 0 0 m h z 频段，用于实施全球无线通信系统。这一计划开始称 作未来地面移动电话系统( f p l m t s ) ，在1 9 9 5 年更名为国际移动电信标准2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 的初衰是期望能够在世界范围内定义单一的、遍布各地的 无线通信标准，提供通用的基本网络设备和手持终端，从而为全球所有用户提供 通用的无线通信系统和设备。然而在2 0 世纪9 0 年代中期，由于多种数字无线技 术都已经在商业领域内获得了巨大的成功，因此制定全球通用标准的想法也就变 得不可行了。欧洲的t d m a 和g s m 技术以及北美的i s 一9 5 c d m a 技术至今也没有 达成共识，形成统一的第三代无线技术。这样，u 只好确定一系列标准，以供全 球范围使用。 目前，人们已经把目光越来越多地投向三代以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统 中，使其可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质，达到高速数据传输的要求。 1 2b 3 g 的定义及其关键技术 下一代移动通信系统称为b 3 g 或4 g 。b 3 g 即b e y o n d3 g 、b e y o n di t m 2 0 0 0 、 超3 g 、后3 g 等等；4 g ，即第四代移动通信系统。一些专家反对4 g 的叫法，他 们认为这种叫法不够严谨，因为目前各国对第四代移动通信系统的理解相差甚远， 另外在3 g 还没大规模商用就开始4 g 说法对运营公司不利，这种观点得到了i t u r 的支持；而另外一些专家则认为b 3 g 的概念包括的范围太广，他们极力支持4 g 这种称法。在本文里这两个概念是相同的，不做任何区分。 与3 g 相比，b 3 g 移动通信系统的特点主要有： 夺高速率的数据传输 b 3 g 的数据传输速率从3 g 的2 m b s 发展到1 0 0 m b s ，移动台的速率从步行到 车行甚至更快都能实现高质量的通信。虽然传输速率提高的同时也提高了系统的 带宽，但b 3 g 能够提高频带的利用率。 夺灵活多样的通信业务 通信发展的最初是以话音业务为主，但随着社会文明的发展，各种新的通信 业务的不断出现，多种多样的数据业务将取代话音业务的主导地位，就对现有的 2 第一章引言 通信系统提出了新的要求。b 3 g 满足人们各种通信要求，在各种通信媒体之间建 立无缝漫游，实现完全综合的通信网络。 夺全i p 的网络 i p 与各种无线接入方式是兼容的，因此在设计核心网时有很大的灵活性。b 3 g 网络实现口地址的个人化，现有的i p v 4 的地址空间是有限的，而i p v 6 将较好的 解决这一问题。 为了实现高速率的数据传输与灵活多样的通信业务，b 3 g 移动通信系统采用 了一系列新技术。b 3 g 移动通信系统的关键技术有： 夺m i m o 技术 m i m o ( 多输入多输出) 技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技 术，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信 息论己经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，m i m o 系 统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽 受限的无线信道中，m i m o 技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质 量的空间分集技术。 夺o f d m 技术 o f d m ( e 交频分复用) 是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在 频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调 制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每 个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道 的相应带宽。o f d m 技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，提高了频 谱利用率。 夺调制与编码技术 b 3 g 移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及 单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿 命。b 3 g 移动通信系统采用更高级的信道编码方案( 如t u r b o 码、级连码和l d p c 等) 、自动重发请求( a r q ) 技术和分集接收技术等，从而在低e b n 0 条件下保证系 统足够的性能。 电子科技大学硕士学位论文 夺软件无线电技术 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利 用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技 术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换 器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件 实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编 码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵 活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不 同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变q o s 。 夺基于口的核心网 b 3 g 移动通信系统的核心网是一个基于全i p 的网络，同已有的移动网络相比 具有根本性的优点，即：可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具 体的无线接入方案，能提供端到端的i p 业务，能同已有的核心网和p s t n 兼容。 核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、 控制和传输等分开。采用i p 后，所采用的无线接入方式和协议与核一i i , 网络( c n ) 协 议、链路层是分离独立的。i p 与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络 时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。 1 3 本论文的研究内容和主要贡献 1 3 1 课题来源和研究任务 根据“十五”“8 6 3 ”通信技术主题战略发展报告，我国移动通信研究开发的 主要目标是面向未来1 0 年无线通信领域的发展趋势与需求，研究b e y o n d 3 g 4 g 新 一代蜂窝通信空中接口技术，建立相关关键技术验证系统，支持面向未来的无线 通信新业务，对形成新一代无线与移动通信知识产权和体制标准做出较大贡献， 为国家培养一支规模性的具有国际竞争力的超前研究队伍，形成我国无线通信方 面人才队伍的合理布局，使我国移动通信技术研究与国际先进水平同步发展，为 实现我国未来无线通信产业的跨越式发展创造条件【4 】。 围绕上述目标，启动一个名为f u t u r e 的未来移动通信研究计划。本课题就 4 电子科技大学硕上学位论文 夺软件无线电技术 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过个通用硬件平台，利 用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技 术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换 器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件 实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编 码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵 活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不 同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变q o s 。 夺基于i p 的核心网 b 3 g 移动通信系统的核心网是个基于全d 的网络，同已有的移动网络相比 具有根本性的优点，即：可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具 体的无线接入方案，能提供端到端的口业务，能同已有的核心网和p s t n 兼容。 核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、 控制和传输等分开。采用i p 后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络( c n ) 协 议、链路层是分离独立的。i p 与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络 时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。 1 3 本论文的研究内容和主要贡献 1 3 1 课题来源和研究任务 根据“十五”“8 6 3 ”通信技术主题战略发展报告，我国移动通信研究开发的 主要目标是面向来来1 0 年无线通信领域的发展趋势与需求，研究b e y o n d 3 g 4 g 新 一代蜂窝通信空中接口技术，建立相关关键技术验证系统，支持面向未来的无线 通信新业务，对形成新一代无线与移动通信知识产权和体制标准做出较大贡献， 为国家培养一支规模性的具有国际竞争力的超前研究队伍，形成我国无线通信方 面人才队伍的合理布局，使我国移动通信技术研究与国际先进水平同步发展，为 实现我国未来无线通信产业的跨越式发展创造条件”j 。 围绕上述目标，启动一个名为f u t u r e 的未来移动通信研究计划。本课题就 围绕上述目标，启动一个名为f u t u r e 的未来移动通信研究计划。本课题就 4 电子科技大学硕士学位论文 夺软件无线电技术 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利 用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技 术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换 器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件 实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编 码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵 活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不 同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变q o s 。 夺基于口的核心网 b 3 g 移动通信系统的核心网是一个基于全i p 的网络，同已有的移动网络相比 具有根本性的优点，即：可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具 体的无线接入方案，能提供端到端的i p 业务，能同已有的核心网和p s t n 兼容。 核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、 控制和传输等分开。采用i p 后，所采用的无线接入方式和协议与核一i i , 网络( c n ) 协 议、链路层是分离独立的。i p 与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络 时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。 1 3 本论文的研究内容和主要贡献 1 3 1 课题来源和研究任务 根据“十五”“8 6 3 ”通信技术主题战略发展报告，我国移动通信研究开发的 主要目标是面向未来1 0 年无线通信领域的发展趋势与需求，研究b e y o n d 3 g 4 g 新 一代蜂窝通信空中接口技术，建立相关关键技术验证系统，支持面向未来的无线 通信新业务，对形成新一代无线与移动通信知识产权和体制标准做出较大贡献， 为国家培养一支规模性的具有国际竞争力的超前研究队伍，形成我国无线通信方 面人才队伍的合理布局，使我国移动通信技术研究与国际先进水平同步发展，为 实现我国未来无线通信产业的跨越式发展创造条件【4 】。 围绕上述目标，启动一个名为f u t u r e 的未来移动通信研究计划。本课题就 4 第一章引言 是来源于此项目的第二阶段，项目编号：2 0 0 3 a a l 2 3 3 1 0 0 6 。在本阶段中电子科技 大学负责t d d 方式下行链路的f p g a 设计。b 3 g t d d 下行链路采用m i m o + o f d m 的基本框架，采用t d m a + o f d m a 的多址方式。 本论文的主要任务是研究m i m o 检测技术以及基于f p g a 的设计与实现。 1 3 2 本论文的主要贡献 本论文在两方面做出了贡献。在算法方面，这里对算法进行的一切研究都是 围绕下一步的f p g a 实现展开。对硬件设计而言，一个好的算法不仅要性能优异， 而且还要保证复杂度在可实现的范围之内。本文中所提到的m m s es i c 检测算法 就其性能而言是一种非常好的算法，但其复杂度也非常大，如何能简化到可以用 有限的f p g a 资源实现出来是本文算法研究部分的重点。这部分的主要亮点有3 个： 夺分析了在无循环的情况下m m s es i c 检测算法实际上等同于m m s e 检测 算法； 夺分析了m m s e 滤波因子的特点，引入并简化了变量循环重新编号法求逆 矩阵算法，使其f p g a 设计的难度相对降低了很多； 夺分析了m i m o 检测结果输出比特似然l e ( b l r ) 算法的硬件实现难度，对采 用结果输出为对数似然l l ：( l l r ) 的检测算法进行了简化，降低了实现难度。 在f p g a 设计方面，在这一部分除了介绍常规的设计技巧以外也有三个亮点： 令根据整个下行链路的系统需求巧妙地安排时钟频率与器件的处理方式，达 到最大限度的资源复用； 夺在设计m m s e 滤波器所涉及的矩阵求逆模块的设计上，结合在m i m o 检 测内部4 个时钟处理一个数据的时钟要求，以及变量循环重新编号法对4 阶矩阵需循环4 次的特点，巧妙地采用5 级时钟循环处理方式，既达到了 输入数据与循环数据不发生冲突，又达到了资源最大限度的合理利用： 夺幅度自动调整算法的研究与设计，用很少的资源实现了数据幅度的自动调 整，拓宽了m i m o 检测所能处理的数据范围。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3 3 本文的结构安排 第一章引言，回顾移动通信系统的发展历史，介绍本文所研究的b 3 g 系统的 定义及技术要求，对本文研究工作的课题来源、论文内容进行了概述。 第二章m i m o 技术与检测算法，首先介绍了m i m o 的基本知识，接下来介绍 了m i m o 技术在本项目( b 3 g 下行无线链路设计1 中的应用。然后是本文的重点部 分，先介绍完整的基于循环结构的m m s es i c 检测算法，然后又对其进行了大量 的简化，并且对简化方案进行了