软输入软输出MIMO检测算法和硬件结构研究

摘要

与单天线技术相比,多输入多输出( Multiple-Input and Multiple-Output)技术能够在不增加额外带宽和功率的前提下提供更高的数据传输速率或者连接可靠性,近年来已成为无线通信系统算法设计与硬件实现的研究热点之一。接收机MIMO信号检测的计算复杂度和检测性能是MIMO技术走向实际应用的关键。迭代检测技术通过在MIMO信号检测器和信道译码器之间迭代地交换软信息,能够显著提高MIMO信号检测的性能。然而,检测性能的提高,伴随而来的是相对于非迭代检测器更高的复杂度和更低的数据吞吐率。因此,设计一种支持迭代的高性能、高吞吐率软输入软输出 MIMO检测器,对于满足未来无线通信系统标准的带宽要求,具有十分重要的意义。
　　本文综合考虑面积、吞吐率和检测性能等因素,基于定复杂度球形译码(Fixed Complexity Sphere Decoding,FSD)检测算法,提出并实现了一种支持4×4天线、64-QAM调制的软输入软输出 MIMO信号检测器。在算法层面,为了提高检测器BER性能,引进了最小均方误差-智能排序QR分解(Minimum Mean Square Error Smart Ordered QR Decomposition,MMSE-SOQRD)预处理方法,并采用了并行候选路径添加的方法,提高了软信息计算的准确性;为了降低检测器的计算复杂度,采用了非平衡子节点展开和混合枚举的方法,大大减少了树搜索访问节点的数目。在超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated,VLSI)架构层面,采用了一种高效的并行深度多级流水线结构,采用了硬件资源复用和共享的设计方案,提高了面积效率。
　　仿真结果表明,本文所提出的软输入软输出MIMO检测算法能够接近最优检测的性能,同时保持着相对较低的复杂度。通过对该检测器在TSMC90nm工艺ASIC流程中实现,该检测器的数据吞吐率可达2.2Gbps,面积效率为3.96Mbps/kG。在和其他文献类似设计的比较中,本文提出的MIMO检测器在数据吞吐率和面积效率上具有较为显著的优势,并且检测延迟仅为0.1μs,为下一代高性能Gbps软输入软输出MIMO检测器的应用奠定了基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 MIMO 信号检测技术

1.3 论文的主要贡献

1.4 论文的主要内容与章节安排

第二章 MIMO 系统模型及其检测技术

2.1 MIMO 系统模型和容量

2.2 MIMO 检测算法概述

2.3 不同算法的总结与比较

2.4 本章小结

第三章 软输入软输出固定复杂度球译码算法

3.1 MMSE-SOQRD 预处理

3.2 正交实数分解

3.3 非平衡子节点展开

3.4 改进的混合枚举方法

3.5 并行候选路径添加

3.6 算法总结和性能比较

3.7 本章小结

第四章 MIMO 信号检测器的 VLSI 实现

4.1 总体架构设计

4.2 CGU 模块

4.3 PE-A 模块

4.4 PE-B 模块

4.5 PE-C 模块

4.6 LCU 模块

第五章 系统验证、仿真及实现结果

5.1 定点仿真

5.2 验证与仿真环境

5.3 实现结果和比较

5.4 本章小结

第六章 结束语

6.1 主要工作与创新点

6.2 后续研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文