LTE下行链路迭代接收方法研究与实现

摘要

随着LTE标准协议的正式成形，LTE系统的商用已经逐渐迫近。LTE系统下行链路使用了正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)传输方案，具有高数据吞吐量、高传输效率以及能有效地对抗频率选择性衰落的特点。本文针对LTE系统的下行链路，研究了基于特征值分解(EVD)的软输入软输出(SISO)最小均方误差(MMSE)检测算法及其硬件实现方法。
　　 首先，研究LTE下行链路的迭代接收算法。在Turbo接收机中，将检测和译码联合起来，利用彼此产生的软信息作为先验信息进行迭代工作，有效地提高了接收性能。其中，检测器选用性能优异的SISO-MMSE检测器，但是，SISO-MMSE检测算法中包括复杂的矩阵求逆运算，不利于其实际应用。在传统的SISO-MMSE检测算法的基础上，提出基于EVD的SISO-MMSE检测算法，该算法的优点在于使用一次EVD运算取代了传统迭代接收算法迭代过程中的多次求逆运算，降低了算法的计算复杂度。仿真结果表明，基于EVD的SISO-MMSE检测算法具有和传统算法一致的性能。
　　 接着，研究了EVD的数值算法。高效的EVD算法是基于EVD的SISO-MMSE检测器设计的关键。常见的EVD算法有Jacobi分解算法、QR分解算法和二对角分解算法等。其中，QR分解算法和二对角分解算法虽然相对Jacobi算法具有较少的迭代次数，但它们在计算过程中需要使用包含有除法和开方的Householder变换，同时也均需要通过复杂的特征值移位算法才能降低迭代次数，这些都使得它们的硬件实现代价较大;Jacobi分解算法虽然所需的迭代次数略高，但具有较高的计算精度，并且其并行结构通过与CORDIC算法的结合可以使得实现变得相对简单，有利于硬件实现。在综合考虑以上因素之后，选择了基于CORDIC的并行Jacobi算法作为EVD的硬件实现方案。
　　 最后，对基于EVD的SISO-MMSE检测算法进行了定点化和硬件设计。采用统计分析的方法给出算法的定标方案，通过仿真比较了定点和浮点链路的性能，验证定标方案选择的合理性。然后，给出了基于EVD的SISO-MMSE检测器的硬件设计，并通过大量的测试用例，将硬件模块的RTL仿真结果与定点C结果进行比对，验证硬件实现的正确性。

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摘要

英文缩略语表

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表格目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 移动通信系统的演进

1．1．2 LTE概述

1．1．3 OFDM技术

1．1．4 MIMO传输技术

1．2 主要研究内容和论文安排

1．3 数学符号约定

第2章 LTE物理层标准简述

2．1 概述

2．2 帧结构

2．3 时隙结构和物理资源粒子

2．3．1 时隙结构

2．3．2 物理资源

2．4 下行物理信道

2．4．1 加扰

2．4．2 调制

2．4．3 层映射

2．4．4 预编码

2．4．5 资源粒子映射及OFDM基带信号的产生

2．5 本章小结

第3章 LTE下行链路SISO迭代接收算法研究

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 基于SISO-MMSE的迭代接收算法

3．4 基于EVD的SISO-MMSE检测算法

3．5 软解调与均值方差重建

3．5．1 软解调

3．5．2 均值方差重建

3．6 仿真结果

3．7 本章小结

第4章 EVD算法研究

4．1 引言

4．2 矩阵变换方法

4．2．1 Householder变换

4．2．2 Givens变换及CORDIC算法

4．3 Jacobi旋转分解算法

4．3．1 传统的Jacobi旋转分解算法

4．3．2 并行Jacobi旋转算法

4．4 QR分解算法

4．4．1 实三重对角化

4．4．2 三对称阵的QR迭代法

4．4．3 QR分解算法流程

4．5 二对角分解法

4．5．1 快速算法求解三对称阵特征值

4．5．2 近似特征值计算方法

4．6 浮点算法精度及计算复杂度比较

4．7 本章小结

第5章 LTE下行链路SISO检测算法定点化及实现方法研究

5．1 引言

5．2 模块划分

5．3 定标及定点仿真

5．3．1 定标

5．3．2 定点仿真结果及测试

5．4 硬件设计及实现

5．4．1 检测器总模块硬件设计

5．4．2 矩阵变换模块硬件设计

5．4．3 EVD模块硬件设计

5．4．4 MMSE均衡模块硬件设计

5．4．5 软解调模块的硬件设计

5．4．6 均值方差重建模块的硬件设计

5．4．7 测试及结果

5．5 本章小结

第6章 总结

参考文献

致谢