MIMO與OFDM技術(shù)架構(gòu)的原理

雖然無線通信技術(shù)一直都在不斷發(fā)展，但當(dāng)前卻處于一個前所未有的變革期，新興的4G空中接口如WiMAX、LTE、UMB、802.20、WiBRO以及下一代PHS等等都有一個共同的特點：即都是基于正交頻分多址接入(OFDMA)、都采用MIMO(多入多出)技術(shù)、都具有“扁平化架構(gòu)”且均基于IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。

本文將主要關(guān)注軟件定義下(靈活)的OFDMA和MIMO架構(gòu)，簡要討論在WiMAX和LTE中使用MIMO(全IP雖然也受到關(guān)注，但不在本文討論范圍)，然后介紹如何實現(xiàn)OFDMA核心DSP算法及LTE上行鏈路使用的新型變量。

MIMO可以使用幾種不同的形式，以WiMAX下行鏈路為例，有兩種標(biāo)準(zhǔn)的MIMO模式：Matrix A或者STC(空時編碼)，以及Matrix B。STC用兩種不同的形式在兩個傳送天線上傳送相同的信號，因此數(shù)據(jù)率和SISO相比沒有增加，但因為兩種形式(s和–s*)是不同的，接收器有更大機會恢復(fù)數(shù)據(jù)，這樣對于給定的數(shù)據(jù)率它提高了穩(wěn)定性和范圍。如果在下行鏈路也采用這種技術(shù)，則符號率數(shù)據(jù)塊不會受到影響(發(fā)送的一個符號)，不過現(xiàn)在有兩個脈沖鏈饋送至兩個天線，同時信息采用不同形式的調(diào)制方式。

Matrix B則相反，它傳送兩個不同的符號從而使數(shù)據(jù)率加倍。這里有兩個脈沖鏈(對于兩個天線)，每個實際上都運行單獨的符號而不是復(fù)制，符號率部分可以設(shè)計更為快速，然后將輸出交替送到兩個TX部分。在實際中，真正的系統(tǒng)同時支持兩種模式，并根據(jù)用戶選擇Matrix A或B：對狀況好的用更快速度傳輸，而對狀況不好的就用STC。

這和多核架構(gòu)非常匹配，如圖1所示，兩個獨立的脈沖鏈饋送到兩個天線上：同一個架構(gòu)應(yīng)用了兩次，對于工程師非常簡單。這一框圖實際上會有些復(fù)雜，現(xiàn)實中很多系統(tǒng)將MIMO與空間技術(shù)如波束成形、“調(diào)零控制”或者SDMA結(jié)合在一起。該設(shè)計有8個天線，每個MIMO通路配置了4個，每個都有獨立的操控權(quán)。

2x2 MIMO結(jié)構(gòu)用于8天線下行鏈路

圖1：MIMO下行鏈路系統(tǒng)，顯示兩個獨立的脈沖鏈。該系統(tǒng)還包括波束成形，用于總共8個天線。

在接收器端，信號處理更加復(fù)雜，因為Matrix B的峰值數(shù)據(jù)率更高，而且接收器要區(qū)分不同的信號也要更為復(fù)雜。

LTE-TDD是TD-SCDMA未來的演進技術(shù)，相關(guān)研究與標(biāo)準(zhǔn)化工作已在中國開始進行，LTE系統(tǒng)要求已由3GPP發(fā)布，主要參與機構(gòu)包括中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(CCSA)、大唐移動、中國移動、中興通訊、華為以及鼎橋通信等。

LTE TDD原來有兩類幀結(jié)構(gòu)，第一類最初可同時用于FDD和TDD，后來變?yōu)閮H用于FDD。每個無線幀長度為10毫秒，包括20個0.5毫秒時段，兩個連續(xù)的時段定義為一個子幀。在TDD中，子幀用于下行鏈路或者上行鏈路傳輸，其中子幀0和5總是用于下行鏈路傳輸，子幀2僅適用于TDD且?guī)缀跖cTD-SCDMA結(jié)構(gòu)一樣。每個無線幀都有兩個長度各為5毫秒的半幀，每個半幀包含7個時段，編號從0到6，還有3個特殊字段，分別為DwPTS、GP和UpPTS。第二類幀結(jié)構(gòu)由大唐移動提出，因為它與TD-SCDMA更加兼容，所以一些特性和所定義的物理程序仍然繼續(xù)適用。

第一類幀結(jié)構(gòu)——僅用于FDD：

第二類幀結(jié)構(gòu)——僅用于TDD：

不過在中國移動的支持下，這兩種類型在去年11月舉行的3GPP RAN1會議上合并為一種結(jié)構(gòu)，最終的幀結(jié)構(gòu)更類似于FDD結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

OFDM采用了大量空間結(jié)構(gòu)緊湊的正交子載波，每個都具有傳統(tǒng)的調(diào)制方案(如正交幅度調(diào)制，QAM)以及較低的符號率，使同樣帶寬下的數(shù)據(jù)率類似于傳統(tǒng)單載波調(diào)制方案。OFDMA則有所增強，可通過分配特別的符號使多個用戶共享信道。

OFDM相比于單載波方案最大的優(yōu)勢是可以應(yīng)對多種信道狀態(tài)而不需要復(fù)雜的均衡濾波器，如長距離銅線的高頻衰減、多通路造成的窄帶干擾和頻選衰減等。由于OFDM可以看作是使用很多慢調(diào)制窄帶信號而不是一個快速調(diào)制寬帶信號，所以信道均衡可得以簡化。較低的符號率也使得在符號之間應(yīng)用防護間隔更易于承受，可以處理時間分配并消除符號間干擾(ISI)。

來自市場的壓力常常使供應(yīng)商在標(biāo)準(zhǔn)還處于早期版本時就推出產(chǎn)品，所以他們必須要能用簡單的軟件升級辦法使產(chǎn)品靈活升級到最終版本，最好通過同一個可編程平臺能支持不同的模式或不同的標(biāo)準(zhǔn)(例如同時支持LTE與WiMAX)，以便在靈活的基于軟件的引擎上高效實現(xiàn)面向硬件的算法。一個應(yīng)用實例是高性能picoChip PC102，它將上市時間和軟件開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點與算法內(nèi)采用并行處理的好處結(jié)合在了一起。

目前大部分系統(tǒng)包括WiMAX和LTE下行鏈路，核心算法都是FFT(快速傅里葉變換)，但是LTE上行鏈路需要用到(更復(fù)雜的)離散傅里葉變換(DFT)。

FFT只是離散傅里葉變換的一種有效實現(xiàn)方式，對于一個N點DFT，直接實現(xiàn)所需要的乘法與加法運算復(fù)雜度為N2數(shù)量級，而傳統(tǒng)FFT需要的運算只有N×log2N數(shù)量級，因此它是一個非常完美的例子，顯示了這種聰明的算法如何得到不可思議的效率提高。FFT的特性很多地方都有介紹，在本文網(wǎng)絡(luò)版中也有詳細描述。

picoChip PC102是一種高性能針對無線應(yīng)用進行了優(yōu)化的多核DSP，集成了超過300個處理器或陣列元件(AE)，每個都是傳統(tǒng)的16位哈佛結(jié)構(gòu)DSP，帶有本地存儲器。標(biāo)準(zhǔn)(STAN2)AE包括乘法累加外圍元件與特殊指令，對CDMA傳播和解擴進行了優(yōu)化，內(nèi)存分為512字節(jié)代碼和256字節(jié)數(shù)據(jù)。存儲器(MEM2)AE有一個乘法單元和另外的存儲器，存儲器在代碼和數(shù)據(jù)之間的分配是可配置的。

picoArray編程模型使其易于編譯流水線結(jié)構(gòu)，而這正是用于實現(xiàn)FFT的方法。表1給出了在PC102上實現(xiàn)256點FFT的性能概要，表中顯示256點FFT所需要的資源其采樣率復(fù)雜度在10MSa/s和80MSa/s之間，同時表中給出了在每個采樣率上PC102可以執(zhí)行的FFT最大數(shù)。表中顯示，一個10MSa/s的FFT需要約1.5%的資源。

復(fù)合采樣率
　　
　　每個FFT所需要的陣列元件數(shù)量(總數(shù)百分比) AE類型 最大FFT數(shù)(AE總數(shù)百分比)

表1：在picoArray上進行OFDMA 256點16+j16 FFT所用到的資源。

最大FFT數(shù)取決于可用的MEM類AE數(shù)量。

圖2b顯示了如何將“構(gòu)件模塊”FFT組合起來以得到更高輸出率，顯然并行結(jié)構(gòu)非常適合于做這樣的事。

與使用OFDM(WiFi、16d、Flash OFDM)或OFDMA(WiMAX 16e)的標(biāo)準(zhǔn)相反，LTE所選擇的上行傳輸方案是一個新變量：SC-FDMA(單載波FDMA)，也稱為DFT-擴展OFDM。它相比于傳統(tǒng)OFDMA的優(yōu)點是信號具有較低的峰值-均值功耗比(PAPR)，原因是其本身的單載波結(jié)構(gòu)。在上行鏈路這點特別重要，此時較低的PAPR可在傳輸功效方面極大提高移動終端的性能，因此可延長電池使用壽命。正因為此，一些人稱之為“魚和熊掌兼得”：即有單載波的低PAPR，又有多載波的可靠性，雖然代價是數(shù)字處理復(fù)雜度增加。

圖3是SC-FDMA上行鏈路實現(xiàn)示意圖，DFT在OFDM調(diào)制器之前，它顯示了與標(biāo)準(zhǔn)OFDMA相比所增加的步驟。

圖3：SC-FDMA或DFT擴展OFDM。

眾所周知，如果變換的規(guī)模可以分解為較少(基本)數(shù)量，DFT就可以有效執(zhí)行，基本數(shù)越少，實現(xiàn)起來越簡單，經(jīng)典FFT只使用一個基本數(shù)2。

LTE里DFT預(yù)編碼器的規(guī)模取決于分配給某個用戶上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖有诺赖臄?shù)量。

其中N是子載波的數(shù)量，當(dāng)N<=1,320的時候(20MHz帶寬)a、b、c都>=0。對于給定用戶，N可以從12個符號(a,b,c = 0 = 1* 12，一個資源塊)直到1,296個，共有35個不同的選擇，這些符號然后一起調(diào)制形成單載波上行鏈路。不過這只是發(fā)生在手機發(fā)射器端，而基站接收器要面對多個用戶，每一個都從這些選擇中選取，因此所有可能的幀配置能夠達到的排列總數(shù)為531,783,569個，這一靈活性顯然使接收iDFT變得更復(fù)雜。

分解iDFT的技術(shù)稱為“分割控制”，基本原理和熟悉的FFT相同，但是長長的iDFT列表不能分解為一個基本因數(shù)，相反，每個可分解為三個短的iDFT，長度分別為2、3和5，這些是iDFT“引擎”。這種方法里，一些iDFT沒有分解為基本因數(shù)(即4、8和9)，以便將最大流水線級數(shù)量減少到3，其優(yōu)點是可以減少延遲。

各級流水線都必須能夠執(zhí)行所有35種可能的iDFT功能，以及動態(tài)重配置功能，并避免在同一時刻不同長度iDFT流造成流水線出現(xiàn)問題。最簡單的結(jié)構(gòu)用于重新配置以及級緩沖器對A、B和C，這些都可作為執(zhí)行所有6個iDFT引擎同樣功能模塊的實例(如果是1點iDFT則為7，也就是不改變直接通過)。更加優(yōu)化的方案也承認只有一級需要執(zhí)行9點引擎，另一個執(zhí)行8點引擎，第三個執(zhí)行4點引擎，對任何iDFT長度而言，對2、3、5引擎的需要永遠不會超過9、8、4。

還有一個復(fù)雜的是LTE是一種可擴展帶寬系統(tǒng)(簡言之，就是TDD/FDD選項均為1.25MHz – 20MHz)，表二列出了不同模式實現(xiàn)方式。靈活性是相對FFT而言的(見表一)，需要注意結(jié)構(gòu)在執(zhí)行這些配置的時候是如何達到仍然非常有效，即使需要的資源是20MHz+20MHz FDD (最壞情況)，PC102也只有約10%。

表2：picoArray進行可擴展iDFT時所用到的資源。

MIMO在發(fā)射器和接收器端都使用多個天線以改善通信效果，也是所有4G系統(tǒng)都具有的特性。

它在數(shù)據(jù)傳輸率和連接范圍方面有很大提升，不需要額外的帶寬或傳輸功率，它還具有更高的頻譜效率(每Hz帶寬每秒可傳輸更多位數(shù)據(jù))與連接可靠性或差異性(減少衰減)。

如果在TX端有m個天線，在RX端有n個，這就組成了一個m×n MIMO系統(tǒng)，通道數(shù)量就是所有組合的總數(shù)：例如2×2 MIMO有4個“通道”(1-1，1-2，2-1，2-2)，其性能可能是SISO系統(tǒng)Shannon限制的兩倍。對于4個“通道”，只有2x的信息可以傳送，因為需要“解決”通道矩陣以抽取出信息。在實際中，通道并不是完全獨立的(有一些相關(guān))，所以其性能會受到影響，一個看似矛盾的說法是MIMO對于效果差的通道(更多種多路情況)更有價值，因為這些通道很少關(guān)聯(lián)，而在空曠的空間里4個通道都非常相似，因此優(yōu)勢反而不明顯。

結(jié)論

空中接口正變得越來越復(fù)雜，而且依賴更為復(fù)雜的算法以優(yōu)化性能、效率和范圍。OFDMA基于FFT，正成為下一代無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。但最新的技術(shù)如LTE正在尋求對此加以改進：采用更復(fù)雜的技術(shù)如SC-FDMA，同時需要靈活的DFT技術(shù)。

可以采用軟件可編程結(jié)構(gòu)模擬出面向硬件的折中優(yōu)勢和靈活性，使得系統(tǒng)制造商盡快進入需要這些算法的市場，如WiMAX和LTE，這樣可以比競爭對手更早將產(chǎn)品推向市場，同時還保證在標(biāo)準(zhǔn)得到批準(zhǔn)時能夠符合標(biāo)準(zhǔn)。確實，一個合適的架構(gòu)可以在一個公共平臺實現(xiàn)全范圍標(biāo)準(zhǔn)(如16d、16e和LTE，以及下一代PHS或UMB)，而將這一架構(gòu)進行擴展以支持MIMO相對來說將更為直接。