空中接口通用的ofdma和mimo技術(shù)探討

4G空中接口通用的OFDMA和MIMO技術(shù)探討：本文將首先討論如何實(shí)現(xiàn)OFDMA的DSP算法，然后是被LTE用來實(shí)現(xiàn)上行鏈路的新技術(shù)，最后簡要介紹用WiMAXLTEMIMO(IP方面的內(nèi)容不在本文討無線通信正在不斷發(fā)生著變化。所有新的4G空中接口(WiMAX、LTE、UMB、802.20、WiBROPHS等等)都共享著某些公共的技術(shù)：所有接口都基于正交頻分多址接入(OFDMA)；所有接口使用MIMO(多入多出)；所有接口都采用“扁平化架構(gòu)”并且都基于本文將討論其中的前兩項(xiàng)：具體地說，首先是介紹如何實(shí)現(xiàn)OFDMA的DSP算法，然后是被LTEWiMAX和LTE的MIMO(所IP方面的內(nèi)容不在本文討論范圍內(nèi))。本文討論的前提條件是采用軟件定義的架構(gòu)。OFDM使用大量緊鄰的正交子載波。每個(gè)子載波采用傳統(tǒng)的調(diào)制方案(如正交幅度調(diào)制)進(jìn)OFDMA技術(shù)允許通過給多個(gè)用戶分配特殊頻率并共享信道。采用單載波方案的OFDM的主要優(yōu)點(diǎn)是無需復(fù)雜的均衡濾波器就能夠應(yīng)付多種信道條件。OFDM可以看作使用許多慢速調(diào)制的窄帶信號，而不是使用一個(gè)快速調(diào)制的寬帶信號，因直是FFT。然而，LTE上行鏈路進(jìn)行了革新，要求使用更復(fù)雜的離散變換(DFT)所有這些系統(tǒng)不僅需要高速FFT處理，而且要求靈活性。頻增的市場壓力要求供應(yīng)商發(fā)然而，也可以采用可編程平臺，這種可編程平臺可以在靈活的軟件引擎上高效地實(shí)現(xiàn)面向piohp公司的高性能C2FFT其實(shí)就是離散變換(DFT)的一種高效實(shí)現(xiàn)。對于一個(gè)N點(diǎn)DFT來說，直接實(shí)現(xiàn)要求N2次復(fù)雜的乘法與加法運(yùn)算，但作為一個(gè)提供難以置信的效率增益的完美例子，經(jīng)典的FFT只要求N<LOG2N次運(yùn)算。有兩種方法可以將DFT減少為一系列更簡單的運(yùn)算。法是執(zhí)行頻域抽取，另一種將輸入乘上復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)因子e-j2πn/N。FFT可以采用對串行輸入流的實(shí)時(shí)連續(xù)處理進(jìn)行表征。面向硬件的方法通過盡量FFT算法涉及到數(shù)據(jù)的暫時(shí)分離，這是由蝶形運(yùn)算執(zhí)行的一項(xiàng)任務(wù)。由于樣值要從輸入流中的不同點(diǎn)處獲取，因此流水線FFT需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和重新排序。目前有許多不同的架構(gòu)可以解決這個(gè)問題。本文的FFT用例采用了標(biāo)準(zhǔn)的radix-4頻域抽取算法。FFTpicoArraypicoChipPC102是一款高性能的多核DSP，專門針對無線做過優(yōu)化。它在單個(gè)片上集成了300多個(gè)種類略有不同的處理器(或“陣列單元”)：每個(gè)處理器均是自帶器的傳統(tǒng)16位哈佛結(jié)構(gòu)DSP，如表1所示。表1PC102處理器變化和器分布(*FFT的最大數(shù)量受限于可用MEM類AE的數(shù)量)picoArrayFFT所用的方法。舉radix-44個(gè)復(fù)雜的乘法(4個(gè)蝶形運(yùn)算只包含復(fù)雜的DSP提供輸出。由于總的吞吐量受限于最慢的陣列單元，8160MHz時(shí)可達(dá)每秒20M個(gè)采樣。在每個(gè)蝶形運(yùn)算中會發(fā)生位增加現(xiàn)象，其中2個(gè)位用于加法，16個(gè)位用于復(fù)雜的乘法，這種位增加在采用就近舍入策略的40STNA2AE累加器中很容易管理。這種機(jī)制可以保持中間值的最佳可能精度，從而達(dá)到較高的輸出數(shù)據(jù)信噪比。圖1a顯示了本實(shí)現(xiàn)中的1b：FFT內(nèi)部單元；并FFT可實(shí)現(xiàn)LTE上行鏈路要求的更高吞吐DFT2PC102256FFT2給出了復(fù)雜采樣速率在10MSps和80MSps256FFTPC102上能以每個(gè)速率點(diǎn)執(zhí)行的最大FFT數(shù)量。從表中可以看出，單個(gè)10MSpsFFT需要約1.5%的資源。2：picoArrayOFDMA采用的256點(diǎn)16+j16FFT的資源使用1b可以看出如何通過整合“構(gòu)建模塊”FFT來獲得更高的吞吐量--顯然并行架構(gòu)是非常LTE選用的上行鏈路發(fā)送機(jī)制是的SC-FDMA(單載波FDMA)，也稱為DFT擴(kuò)展OFDMA相比，SC-FDMA的優(yōu)點(diǎn)是信號具有更低的峰值/平均功率比(PAPR)，因PAPR可以使移動終端在發(fā)送功效方面得到更大的好處，并進(jìn)而延長電池使用時(shí)間。因此一些認(rèn)為，SC-FDMA“集兩者之”，即單載波的低PAPR和多載波的魯棒性。當(dāng)SC-FDMA2DFTOFDM調(diào)制器之前，這表明比標(biāo)準(zhǔn)OFDMA要多一些步驟。2：SC-FDMADFT擴(kuò)展OFDM數(shù)越少，實(shí)現(xiàn)越簡單。當(dāng)然，經(jīng)典FFT使用單個(gè)素?cái)?shù)因子2。LTE中的DFT預(yù)編尺寸取決于為指定用戶的上行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送分配的子信道數(shù)量N是子載波的數(shù)量，a、bc在N≤13200(20MHz帶寬時(shí))。對于指定的用戶，N12個(gè)音(a,b,c=0,即單個(gè)資源模塊)129635個(gè)不同的選擇，這些音再一起經(jīng)過調(diào)制形成單載波上行鏈路。然而，這是在發(fā)送器側(cè)，置的總允許變換器數(shù)量是、、。這種靈活性顯然增加了接收iDFTiDFT的技術(shù)是“分而治之”，主要原理與大家熟悉的FFTiDFT的長列iDFT的“引擎”iDFT已經(jīng)被分解成素?cái)?shù)因子(4、89以外的其他因子，以便將流水線級的最大數(shù)量減小至3，從而帶來縮短延遲的好處。3LTEiDFTPC102/PC20x20MHzLTEeNodeB3：LTEiDFT庫結(jié)構(gòu)iDFT同時(shí)流過而造成的任何流水線危害。最簡單的架構(gòu)是重新排序+A、B和C6iDFT引擎的相同功能塊的實(shí)例(1iDFT7臺引擎，即通過不變)。更優(yōu)化的解決方案確認(rèn)只有一級需要實(shí)現(xiàn)9點(diǎn)引擎，另外一級需要實(shí)842、35iDFT長度都不需要超過一個(gè)9、8或4。使事情復(fù)雜化的因一是，LTE是一個(gè)帶寬可擴(kuò)展的系統(tǒng)(簡言之，TDD/FDD都是1.25MHz～20MHz)3FFT相比靈活性有一定的代價(jià)(2)，但值得注意的是，這種架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)這些配置時(shí)效率仍然特別高：即使所需的20MHz+20MHzFDD(情況)資源也仍只占PC102的10%。3：picoArray上可擴(kuò)展iDFT的資源使用MIMO是指在發(fā)送機(jī)和上使用多幅天線以改善通信性能，它是所有4G系統(tǒng)的一個(gè)MIMO不需要增加帶寬或發(fā)送功率就能顯著地提高數(shù)據(jù)吞吐量和鏈路距離，并具有更高的發(fā)送(T)m幅天線，接收(Rnm×n的MM，此時(shí)信2×2的MMO4個(gè)信道”(111-22-12-2)，到O系統(tǒng)中限值兩。只從4個(gè)“信道送2倍的信息，因?yàn)槟阈枰敖忾_”(存在一定的相關(guān)性，因此優(yōu)勢有所降低。事實(shí)上有個(gè)似是而非的結(jié)論，即信道越差(的多徑等)，MMO4帶來的好處非常有限。MMOWiMXMMO模式：MarixA和Marix。前者也被稱為空間時(shí)間編碼(TC)，它通過兩幅發(fā)射天線以不同的形O上不會提高，但由于兩種形式(s和s)，好會數(shù)因棒范(針對指定的數(shù)據(jù)速率得到了改善。為了在下行鏈路中實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，雖然符號率塊不受影響發(fā)送的一個(gè)符號)(brstchain)MatrixB則相反，它通過發(fā)送兩個(gè)不同的符號來獲得雙倍的數(shù)據(jù)速率。在這種情況下，共，而是符號率部分將被設(shè)計(jì)得更加快速，然后將輸出信號交替發(fā)送給兩個(gè)TX分支。MatrixAB：向條件較好的系統(tǒng)以較快的速度發(fā)送數(shù)據(jù)，而使用STC能使蜂窩邊緣的系統(tǒng)受益。這非常適合多核架構(gòu)。如圖4所示，有兩個(gè)獨(dú)立的突發(fā)鏈饋送倒兩幅天線：同樣的架構(gòu)被SDMA8幅天線，配置為每個(gè)MIMO4幅，每個(gè)天線都可以圖4：具有兩個(gè)獨(dú)立突發(fā)鏈的MIMO下行鏈路系統(tǒng)在側(cè)，信號處理相對更加復(fù)雜：不僅因?yàn)镸atrixB有更高的峰值數(shù)據(jù)速率，而且用本文小結(jié)于FF