空中接口通用的ofdma和mimo技術探討

4G空中接口通用的OFDMA和MIMO技術探討：本文將首先討論如何實現(xiàn)OFDMA的DSP算法，然后是被LTE用來實現(xiàn)上行鏈路的新技術，最后簡要介紹用WiMAXLTEMIMO(IP方面的內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：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”并且都基于本文將討論其中的前兩項：具體地說，首先是介紹如何實現(xiàn)OFDMA的DSP算法，然后是被LTEWiMAX和LTE的MIMO(所IP方面的內容不在本文討論范圍內)。本文討論的前提條件是采用軟件定義的架構。OFDM使用大量緊鄰的正交子載波。每個子載波采用傳統(tǒng)的調制方案(如正交幅度調制)進OFDMA技術允許通過給多個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)點是無需復雜的均衡濾波器就能夠應付多種信道條件。OFDM可以看作使用許多慢速調制的窄帶信號，而不是使用一個快速調制的寬帶信號，因直是FFT。然而，LTE上行鏈路進行了革新，要求使用更復雜的離散變換(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現(xiàn)面向piohp公司的高性能C2FFT其實就是離散變換(DFT)的一種高效實現(xiàn)。對于一個N點DFT來說，直接實現(xiàn)要求N2次復雜的乘法與加法運算，但作為一個提供難以置信的效率增益的完美例子，經典的FFT只要求N<LOG2N次運算。有兩種方法可以將DFT減少為一系列更簡單的運算。法是執(zhí)行頻域抽取，另一種將輸入乘上復雜的旋轉因子e-j2πn/N。FFT可以采用對串行輸入流的實時連續(xù)處理進行表征。面向硬件的方法通過盡量FFT算法涉及到數(shù)據的暫時分離，這是由蝶形運算執(zhí)行的一項任務。由于樣值要從輸入流中的不同點處獲取，因此流水線FFT需要對數(shù)據進行緩存和重新排序。目前有許多不同的架構可以解決這個問題。本文的FFT用例采用了標準的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。它在單個片上集成了300多個種類略有不同的處理器(或“陣列單元”)：每個處理器均是自帶器的傳統(tǒng)16位哈佛結構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個復雜的乘法(4個蝶形運算只包含復雜的DSP提供輸出。由于總的吞吐量受限于最慢的陣列單元，8160MHz時可達每秒20M個采樣。在每個蝶形運算中會發(fā)生位增加現(xiàn)象，其中2個位用于加法，16個位用于復雜的乘法，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。這種機制可以保持中間值的最佳可能精度，從而達到較高的輸出數(shù)據信噪比。圖1a顯示了本實現(xiàn)中的1b：FFT內部單元；并FFT可實現(xiàn)LTE上行鏈路要求的更高吞吐DFT2PC102256FFT2給出了復雜采樣速率在10MSps和80MSps256FFTPC102上能以每個速率點執(zhí)行的最大FFT數(shù)量。從表中可以看出，單個10MSpsFFT需要約1.5%的資源。2：picoArrayOFDMA采用的256點16+j16FFT的資源使用1b可以看出如何通過整合“構建模塊”FFT來獲得更高的吞吐量--顯然并行架構是非常LTE選用的上行鏈路發(fā)送機制是的SC-FDMA(單載波FDMA)，也稱為DFT擴展OFDMA相比，SC-FDMA的優(yōu)點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，并進而延長電池使用時間。因此一些認為，SC-FDMA“集兩者之”，即單載波的低PAPR和多載波的魯棒性。當SC-FDMA2DFTOFDM調制器之前，這表明比標準OFDMA要多一些步驟。2：SC-FDMADFT擴展OFDM數(shù)越少，實現(xiàn)越簡單。當然，經典FFT使用單個素數(shù)因子2。LTE中的DFT預編尺寸取決于為指定用戶的上行鏈路數(shù)據發(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)。對于指定的用戶，N12個音(a,b,c=0,即單個資源模塊)129635個不同的選擇，這些音再一起經過調制形成單載波上行鏈路。然而，這是在發(fā)送器側，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已經被分解成素數(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庫結構iDFT同時流過而造成的任何流水線危害。最簡單的架構是重新排序+A、B和C6iDFT引擎的相同功能塊的實例(1iDFT7臺引擎，即通過不變)。更優(yōu)化的解決方案確認只有一級需要實現(xiàn)9點引擎，另外一級需要實842、35iDFT長度都不需要超過一個9、8或4。使事情復雜化的因一是，LTE是一個帶寬可擴展的系統(tǒng)(簡言之，TDD/FDD都是1.25MHz～20MHz)3FFT相比靈活性有一定的代價(2)，但值得注意的是，這種架構在實現(xiàn)這些配置時效率仍然特別高：即使所需的20MHz+20MHzFDD(情況)資源也仍只占PC102的10%。3：picoArray上可擴展iDFT的資源使用MIMO是指在發(fā)送機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MIMO不需要增加帶寬或發(fā)送功率就能顯著地提高數(shù)據吞吐量和鏈路距離，并具有更高的發(fā)送(T)m幅天線，接收(Rnm×n的MM，此時信2×2的MMO4個信道”(111-22-12-2)，到O系統(tǒng)中限值兩。只從4個“信道送2倍的信息，因為你需要“解開”(存在一定的相關性，因此優(yōu)勢有所降低。事實上有個似是而非的結論，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)據速率得到了改善。為了在下行鏈路中實現(xiàn)這一技術，雖然符號率塊不受影響發(fā)送的一個符號)(brstchain)MatrixB則相反，它通過發(fā)送兩個不同的符號來獲得雙倍的數(shù)據速率。在這種情況下，共，而是符號率部分將被設計得更加快速，然后將輸出信號交替發(fā)送給兩個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，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。如圖4所示，有兩個獨立的突發(fā)鏈饋送倒兩幅天線：同樣的架構被SDMA8幅天線，配置為每個MIMO4幅，每個天線都可以圖4：具有兩個獨立突發(fā)鏈的MIMO下行鏈路系統(tǒng)在側，信號處理相對更加復雜：不僅因為MatrixB有更高的峰值數(shù)據速率，而且用本文小結于FF