如何使用最大似然檢測器方案優(yōu)化MIMO接收器性能 - 全文

　　MIMO技術(shù)介紹

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

　　MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號通過n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術(shù)也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來說，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。

　　分集技術(shù)主要用來對抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度（degrees of freedom）。從本質(zhì)上來講，如果每對發(fā)送接收天線之間的衰落是獨(dú)立的，那么可以產(chǎn)生多個(gè)并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱為空間復(fù)用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時(shí)對于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落的。

　　根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對應(yīng)關(guān)系，空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

　　最大似然檢測器方案優(yōu)化MIMO接收器性能

　　對于改進(jìn)數(shù)據(jù)速率和/或信噪比，多輸入和多輸出（MIMO）是領(lǐng)先的方法之一。通過使用多個(gè)接收和發(fā)送天線，MIMO可利用無線信道的多樣性。對于任何給定的信道帶寬，這可用于提高信道的頻譜效率并改進(jìn)數(shù)據(jù)速率。

　　MIMO的規(guī)格取決于發(fā)送和接收天線的數(shù)量。在一個(gè)4×4 MIMO配置中，使用了四個(gè)發(fā)送天線和四個(gè)接收天線。這在同樣信道帶寬上實(shí)現(xiàn)了（在合適的條件下）高達(dá)四倍的數(shù)據(jù)傳輸。

　　一方面，簡單的MIMO接收器基于線性接收器算法，其易于實(shí)現(xiàn)但無法完全利用MIMO的好處。另一方面，使用迭代法，可以實(shí)現(xiàn)最佳的最大后驗(yàn)概率近似MIMO算法；然而，這會(huì)導(dǎo)致高延時(shí)的不足。一種更加實(shí)用的非線性MIMO接收器的實(shí)施途徑是最大似然（Maximum Likelihood， ML）或最大似然檢測器（Maximum Likelihood Detector， MLD）， 它在根本上是基于一個(gè)徹底的并列搜索。MLD在處理方面比傳統(tǒng)線性接收器要求更高，但對于相同的信道條件，可提供明顯更高的比特率。另外，對于具有天線相關(guān)性的信道，MLD更穩(wěn)健可靠。

　　使用高階MIMO規(guī)格（超過兩個(gè)接收和兩個(gè)發(fā)送天線）可以導(dǎo)致顯著的頻譜效率改進(jìn)——但這也有其成本代價(jià)：隨著MIMO規(guī)格的增加，MLD接收器的計(jì)算復(fù)雜性以指數(shù)方式增加。高階MIMO要求相當(dāng)大的處理能力——對于這一點(diǎn)，直接的MLD方法是不切實(shí)際的，必須使用次優(yōu)（suboptimal）MLD算法來實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備（User Equipment，UE）的實(shí)施。

　　次優(yōu)ML接收器

　　次優(yōu)ML接收器試圖以更有效的方法來掃描可能的傳送信號，從而減少整體復(fù)雜性并達(dá)到接近ML精度的結(jié)果。減少復(fù)雜性有助于根據(jù)大小和功率進(jìn)行更加實(shí)際的硬件實(shí)施。這還使硬件能夠保持由先進(jìn)通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高吞吐量。

　　次優(yōu)ML方程式的解決可定義為一種樹形搜索，其中樹的每一個(gè)層級對應(yīng)于一個(gè)發(fā)送符號。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分支突出數(shù)匹配QAM或發(fā)送符號的調(diào)制。一個(gè)4×4 MIMO配置可由一個(gè)四層樹表示。假如調(diào)制為BPSK，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將包含兩個(gè)分支。

　　一旦定義了樹的符號，可以部署樹遍歷算法，借用其它領(lǐng)域比如計(jì)算機(jī)科學(xué)。 關(guān)于此點(diǎn)，次優(yōu)ML接收器可劃分為兩個(gè)主要類型：

　　1. 橫向優(yōu)先搜索

　　2. 深度優(yōu)先搜索

　　橫向優(yōu)先搜索

　　橫向優(yōu)先的一個(gè)例子就是K-best算法。該解碼器是一個(gè)固定復(fù)雜性解決方案，從樹根開始并上行，直至它達(dá)到樹的最后一層。在樹的每層上，對所有選擇的分支進(jìn)行了評估并保留K留存節(jié)點(diǎn)，匹配最佳解決方案（代表了最接近接收信號的符號）——因此得名“K-best”。K剩余樹葉然后就用于生成LLR結(jié)果。

　　該解碼器的優(yōu)點(diǎn)是：

　　* 單向流有助于硬件的簡易流水線實(shí)施。

　　* 計(jì)算每層所需要的處理能力是恒定的，且直接與實(shí)施中所選的留存節(jié)點(diǎn)（K）的數(shù)量相關(guān)。

　　* 數(shù)據(jù)吞吐量是恒定的，其反過來簡化了在系統(tǒng)中計(jì)劃的數(shù)據(jù)流

　　該解碼器的缺點(diǎn)包括：

　　* 需要大面積實(shí)施以便評估和分類所有選擇的層級節(jié)點(diǎn)。

　　* 精度要求越高，所需要的K值越高。

　　* 在最佳SNR條件中，數(shù)據(jù)吞吐量不會(huì)增加。

　　* 不能保證達(dá)到ML解決方案，因?yàn)樽罴呀鉀Q方案可能存在于沒有選擇的節(jié)點(diǎn)中。

　　下述圖表顯示了一個(gè)采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4-層）樹。在此例子中，K為四。樹的每層將分為十六個(gè)節(jié)點(diǎn)。最好的四個(gè)將會(huì)是用于下一層的留存節(jié)點(diǎn)。

　　深度優(yōu)先搜索

　　深度優(yōu)先的一個(gè)例子就是軟輸出球解碼（Soft-Output Sphere Decoder）算法。此解碼器是一種自適應(yīng)復(fù)雜性解決方案，從樹根開始并首先直接上升到樹葉——因此得名“深度優(yōu)先”。該樹的優(yōu)先解決方案確定了初始搜索半徑或范圍。從那時(shí)起，解碼器在整個(gè)樹層中追溯并上升。對樹的每個(gè)超出搜索半徑的節(jié)點(diǎn)及其下面的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修整。每次找到一個(gè)更好的解決方案，相應(yīng)地減少半徑范圍。以此方法，掃描并修整了符號樹，直至有效選項(xiàng)數(shù)量減少。余下的符號代表了ML解決方案。

　　此解碼器的優(yōu)點(diǎn)是：

　　* 可保證獲得ML解決方案，有助于結(jié)果精確度。

　　* 在高SNR條件下， 解碼器運(yùn)行更快，增加了數(shù)據(jù)吞吐量并降低了功耗。

　　* 相比同等的橫向優(yōu)先解決方案，可在更小區(qū)域內(nèi)實(shí)施。

　　圖3顯示了具有自適應(yīng)復(fù)雜性軟輸出球解碼器與固定復(fù)雜性K-best解碼器間的循環(huán)計(jì)數(shù)比較。因?yàn)镾NR增加，球解碼器將減少它的循環(huán)計(jì)數(shù)，而固定復(fù)雜性將保持不變，無論信道條件如何。

　　該解碼器的缺點(diǎn)包括：

　　* 解碼器的非確定性表現(xiàn)使系統(tǒng)計(jì)劃復(fù)雜化。

　　* 僅在當(dāng)前分支完成后才知道下一個(gè)分支選擇。這使得硬件傳遞途徑的實(shí)施受到挑戰(zhàn)。

　　圖4顯示了一個(gè)采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4層）樹例子。

　　1. 深度優(yōu)先以下列方式選擇到第一個(gè)樹葉的符號路徑：a. -3 （層1）；b. -3 （層2）；c. 1 （層 3）；d. 3 （層 4）

　　2. 更新了初始半徑

　　3. 追溯執(zhí)行到第二層的一個(gè)符號

　　4. 在搜索期間，修整了超出搜索半徑的分支（紅色所示），因此使搜索樹最小化。

　　CEVA解決方案

　　CEVA通過推出最大似然MIMO檢測器（MLD）來應(yīng)對MIMO接收器的挑戰(zhàn)。該MLD是緊密耦合擴(kuò)展加速器硬件單元。該MLD能夠處理LTE——先進(jìn)的Cat.7數(shù)據(jù)流并產(chǎn)生軟輸出最大對數(shù)解決方案。

　　該MLD加速器達(dá)到了次優(yōu)最大似然（ML）解決方案，可用于4×4或3×3 MIMO @12.6 Mega-tones/秒，使用軟輸出球解碼器方法，以及2×2基于LORD 的ML解決方案 @ 28.8 Mega-tones/秒，使用載波聚合。該MLD設(shè)計(jì)用于移動(dòng)應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)低功耗設(shè)計(jì)理念。

　　功能集

　　MLD功能集包括對以下的支持：

　　* 從2×2到4×4 MIMO的可變傳輸模式，且每層可配置的調(diào)制高達(dá)64QAM。

　　* 三種搜索優(yōu)化：每個(gè)樹層的用戶自定義層排序，初始半徑和搜索半徑。

　　* 通過提供吞吐量控制能力，CEVA MLD解決了軟輸出球解碼的非確定性質(zhì)，包括用于音調(diào)處理的上下循環(huán)計(jì)數(shù)界線。另外，使用用戶自定義的基于時(shí)間標(biāo)記的終端來保持系統(tǒng)吞吐量。

　　* 可以擴(kuò)展軟比特來補(bǔ)償SNR和調(diào)制因數(shù)。

　　* 在內(nèi)部符號和內(nèi)層解決方案中提供對LLR排列的支持

　　* 內(nèi)層解映射：支持兩個(gè)代碼層，使MLD能夠?qū)⑺鶎憯?shù)據(jù)拆分到兩個(gè)不同的目的地。

　　* 可擴(kuò)展的硬件解決方案實(shí)現(xiàn)了性能/功率/面積的權(quán)衡，包括選擇MLD引擎的數(shù)量、緩沖器大小和接口時(shí)鐘比率。

　　另外，加速器提供了廣泛的調(diào)試和性能分析能力。

　　MLD加速器方框圖

　　圖5描述了MLD加速器的方框圖，其包含了一個(gè)AXI接口、輸入緩沖器、分配器、最大似然引擎（Maximum Likelihood Engine，MLE）、LLR發(fā)生器、重排序緩沖器和輸出緩沖器。

　　輸入緩沖器存儲(chǔ)了大量的音調(diào)數(shù)據(jù)，通過分配器，每次傳送一個(gè)音調(diào)到MLE。每個(gè)MLE輸出有關(guān)檢測到的比特?cái)?shù)據(jù)；這進(jìn)而通過LLR發(fā)生器轉(zhuǎn)化為LLR格式。重排序緩沖器積累LLR 數(shù)據(jù)，以便傳輸和發(fā)送有序的輸出到輸出緩沖器中。輸出緩沖器通過AXI接口將LLR寫到接收鏈中的下一個(gè)模塊。

　　MLD性能

　　圖6描述了與MMSE接收器相比較的CEVA MLD TCE的性能，使用了4×4空間復(fù)用MIMO。封包出錯(cuò)率中的吞吐量可在不同的SNR條件下評估。LTE信道設(shè)置在EPA 5Hz和低相關(guān)傳播條件上。

　　CEVA的解決方案獲得接近ML的結(jié)果，而MMSE遭受嚴(yán)重的性能下降，即便在低相關(guān)條件下。對于更高的相關(guān)條件，MMSE將會(huì)進(jìn)一步惡化。

　　相比之下，具有類似性能的K-best解決方案將需要超過兩倍的CEVA MLD TCE范圍。

　　CEVA MLD TCE包含了：

　　* 相比單純的ML解碼，MIMO 4×4具有低于1.5dB損失的極佳精確度。

　　* 無精度損失解碼MIMO 2×2 （LORD同等性能和復(fù)雜性）。

　　* 超低功耗設(shè)計(jì)。

　　* 有競爭力的芯片尺寸。

　　圖7描述了4×4 MIMO的性能，采用64-QAM調(diào)制，SM在最高編碼速率下。即使在這些條件下，相比理想的ML結(jié)果，CEVA MLD TCE仍提供了低于1.5dB的精度損失。

　　說明了SM 在最高編碼速率下的2×2 MIMO的性能，采用64-QAM 調(diào)制。CEVA MLD TCE提供完美的ML性能。

　　MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，MIMO技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。在無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)方面，第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃（3GPP）已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中加入了MIMO技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容，B3G和4G的系統(tǒng)中也將應(yīng)用MIMO技術(shù)。在無線寬帶接入系統(tǒng)中，正在制訂中的802.16e、802.11n和802.20等標(biāo)準(zhǔn)也采用了MIMO技術(shù)。在其他無線通信系統(tǒng)研究中，如超寬帶（UWB）系統(tǒng)、感知無線電系統(tǒng)（CR），都在考慮應(yīng)用MIMO技術(shù)。 　　隨著使用天線數(shù)目的增加，MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大幅度增高，從而限制了天線的使用數(shù)目，不能充分發(fā)揮MIMO技術(shù)的優(yōu)勢。目前，如何在保證一定的系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低MIMO技術(shù)的算法復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，成為業(yè)界面對的巨大挑戰(zhàn)。