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基于信道分析的动态可重构MIMO检测器

来源:华佗小知识
第37卷 第18期 计算机工程 2011年9月 、厂o1.37 NO.18 Computer Engineering September 201 1 ・工程应用技术与实现・ 文章编号:1o0o_3428(2011)18— 243— 3 文献标识码t A 中圈分类号:TP306 基于信道分析的动态可重构MIMO检测器 聂竣 ,刘亮 ,叶凡ap任俊彦a,b (复旦大学a.专用集成电路与系统国家重点实验室;b.微纳电子科技创新平台,上海201203) 摘要:在多输入多输 ̄(MIMO)系统中分析信道增益对信号检测性能的影响,提出一种基于信道分析的智能MIMO信号检测算法,根据 各对天线间的信道增益动态调整子节点扩展数,在检测性能接近最大似然算法性能的前提下,该算法比传统K—best算法减少54%的子节点 扩展数。基于该算法设计并实现的动态可重构的超大规模集成电路MIMO检测器支持4x4天线阵列、QPSK/16一QAM调制信号,数据吞吐 率达到800 Mb/s。 关健词:信道分析;动态可重构;K—best算法;多输入多输出检测器;超大规模集成电路设计 Dynamic Rec0nfigurable MIMO Detector Based 0n Channel Analysis NIE Yu ,LIU Liang“,YE Fan ,REN Jun・yan ’“ fa.State Key Lab of ASIC&System;b.Micro/Nano—Electronics Science and Technology Innovation Hatform. Fudan University,Shanghai 201203,China) [Abstract]This paper analyzes the effect of channel gains on the performance of signal detection in Mulitple Input Multiple Ou ̄ut(MIMO) systems,and based on that this paper proposes an intelligent MIMO signal detection algorihtm.It dynamically chooses child—node number according tO the gains between antennas.While keeping the detection performance close tO Maximum Likelihood(ML)algorihtm,it Can reduce up to 54% extension nodes compared with tradiitonal K—best algorithm.Based on the proposed algorithm,a dynamic reconfigurable Very Large Scale In.grand Circuit(VLSI)MIMO detector is designed and implemented,and it cai1 suppo ̄4x4 antennas,demodulates QPSK and 16一QAM signals with throughput up to 800 Mb/s. [Key wordsl channel analysis;dynamic reconfigurable;K—best algorithm;Multiple Input Mulitple Output(MIMO)detector;Very Large Scale Integrated Circuit(VLS1)design D0I:10.39690.issn.1000—3428.2011.18.081 1概述 随着频谱资源的日趋紧张,为了满足人们对高速数据传 2 MIMO信号检测 在Ⅳ根发射天线和M根接收天线组成的MIMO系统中, 输率的需求,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, 接收信号 ={),f, 1,2,…,M}表示为: MIMO)技术被广泛应用于无线通信系统中(如IEEE802.1in、 Y=Hs+n (1) IEEE802.16e/m)。MIMO技术的引入对于无线通信系统接收 其中,日={ ,i=1,2,…,M,j=l,2,…,Ⅳ}为信道矩阵,其元素被 机中复杂信号处理器,特别是关键的MIMO信号检测器的设 建模为相互独立的高斯变量; = ,i=1,2,…,Ⅳ}表示发射的符 计和实现提出了巨大挑战,它要求检测器以较低复杂度、较 号向量,曲代表星座映射点; = ,i=1,2,…, J表示加性高斯 小的硬件开销和功耗实现高速高质量的信号检测。 白噪声。为了简便起见,本文后续部分假设发射天线数目和 在众多MIMO信号检测算法中,K—best算法及其改进型 接收天线数目均为Ⅳ。根据ML检测的原理,信号检测的求 算法以接近最大似然(Maximum Likelihood,ML)算法的高检 解问题见式(2): 测性能、固定复杂度以及单向搜索的特性,被广泛应用于基 于并行流水线结构的高速超大规模集成电路(Very Large argrai  nIly一胁lI (2) Scale Integrated Circuit,VLSI)实现中,近年来有很多此类研 其中, 包含发射符号向量所有可能的组合。根据文献[3】 究的成果。文献[1]利用Schnorr—Euchner搜索策略改进K—best 通过实数分解和QR分解,K—best检测算法将ML检测中的 算法。文献【2】通过分组方式、文献[3]通过预删除技术减少每 最近点搜索转化为逐步进行的树形搜索。从第2N层开始, 层扩展的子节点数目。然而,这些都只针对信号检测本身进 由式(3)计算第i层的部分欧式距离 ,保留部分欧式距离最 行简化和改进,忽略了信道信息对MIMO信号检测性能的影 小的 个子节点,直到进行到第1层,选择第1层中欧式距 响,从而引入大量的冗余计算。 离最小的路径作为检测结果输出。 本文提出一种基于信道分析的信号检测算法,该算法针 基金项目:国家科技重大专项基金资助项目“载波体制超宽带高速 对每层信道增益的大小智能选择保证该层信号检测性能的子 无线通信芯片研发与应用示范”(2009ZX 03006—007一O1),“超宽带设 节点扩展数目,从而大幅减少运算浪费。当信道改变时,每 备的技术规范和性能评测”(2009ZX03006—009) 层所扩展的节点数目根据最新的信道增益动态地进行改变。 作者倚介:聂或(1986--),女,硕士研究生,主研方向:数字集成 为了以最小的硬件资源实现所提算法,本文设计一种动态可 电路设计,无线通信系统;刘亮,博士研究生;叶凡,讲师; 重构的检测器硬件架构,在0.13 gm CMOS工艺下进行VLSI 任俊彦,教授、博士生导师 实现。 收稿日期:201 1-03—23 E-mail:09210720064@fudan.edu.ca 244 计算机工程 该算法具体描述为: 2011年9月20日 = +。+ly 一∑ ,一Rif Il IJ J i+1 ¨ (3) (1)标记1层~2Ⅳ_1层中信道增益最大的n层。 (2)检测 =2Ⅳ层,扩展所有节点并计算欧式距离。 展一个子节点,否则每个父节点扩展所有可能的子节点,然 3基于信道分析的检测算法 3.1算法基本原理 K—best检测算法基于分层检测的原理,每一层检测结果 的正确性与该层的信噪比、该层扩展的节点数目呈正相关。 在 阵中,对角线元素的绝对值大小代表了各层的信道增益, 信道增益越大,该层的等效接收信噪比越高,检测错误的概 率越低;扩展的子节点数目越多,保留正确节点的概率越大, 反之,删除正确节点的概率越大。 针对此原理,在Matlab平台进行仿真,图1表示当子节 一 (3)检测第_『_1层,如果本层有标记,则每个父节点只扩 一 后每层最多保留累积欧式距离最优的 个子节点。 (4)ti果本层不是最后一层,继续步骤(3),否则选择累积 一 欧式距离最小的路径作为检测结果。 3.3性能仿真及复杂度分析 ; 根据本文算法,采用Matlab仿真平台进行性能仿真,采 用4x4的天线阵列,不采用编码,定点位数为7位整数和 点扩展数(Node)不同时,其对应的各层信号检测错误率与信 道增益的仿真关系,其中,abs(R(i, ))表示R阵的第i个对角 3位小数,调制信号为QPSK/16'QAM,每点信噪比的仿真比 图3展示的是4x4的QPSK、16一QAM调制下不同n取 兰 值时的误码率。仿真结果表明,当n=4时,本文算法的误码 特数为2x10。。 元素的绝对值,即第i层的信道增益。仿真结果表明,在信 道增益(右轴)较大的层,无论扩展子节点数目的多少,检测 错误的概率非常接近,如第1层、第4层、第8层;而在信 道增益较小的层,子节点扩展数少的算法的检测错误概率比 子节点扩展数多的算法大得多,如第5层、第7层。 率几乎与K—best算法相同,并逼近ML算法的误码率,因此 参数n选定为4。 — ----o-- l6.QAM本文算法n=6 16-QAM本文算法n=5 16-QAM本文算法n=4 I 6-oAM K—best K=8 一’ 一 一O-一 一— △ QPSK本文算法n=6 QPSK本文算法n=5 QPSK本文算法n=4 QPSKK-bestK=6 QPSKML — 16一QAM ML 一 - 层数 图1予节点扩展数不同时各层误码率与信道增益的关系 圈3未编码的4x4 MIMO系统仿真性能 3.2算法实现 根据以上分析及仿真结果,本文提出一种基于信道分析 的检测算法,其具体流程见图2。 根据R的对角阵元素的绝对值大小(除第2Ⅳ层外) 标记绝对值最大的n(n<2Ⅳ)层 基于信道分析的检测算法能够利用信道信息减少扩展的 子节点数。根据性能仿真结果,当n取值为4时,在QPSK、 16一QAM调制下,本文算法与K—best算法相比,最多能减少 54%的节点扩展数,见表1。 表1不同调制方式下算法子节点扩展数比较 保留第2Ⅳ层所有可能的节点并计算欧式距离 F层有标记? 将父节点扩展最近的一个 子节点,计算累积欧式距 离,将所有扩展节点和累 积欧式距离传递给下一层 将父节点扩展所有子节点, 计算累积欧式距离,将 个 最小的累积欧式距离及其扩 展子节点传递给下一层 4硬件实现 4.1整体结构 本文设计的MIMO检测器采用并行流水线结构 ,整体 结构如图4所示。与K—best流水线结构不同的是,为了以最 少的硬件资源实现本检测器,本文算法中的2种扩展节点的 本层是检测的最后一层? 模块需要分别实现,但它们间相互连接构成流水线的方式随 信道的变化而改变,不能以固定结构的流水线实现,因此, 本文提出一种动态可重构的流水线结构。固定结构的流水线 将欧式距离最小的路径上的节点作为检测的结果输出 由于模块间相互连接的确定性,硬件实现较简便,而动态可 图2基于信道分析的检测算法漉程 重构流水线由于模块间的连接存在多种可能,模块问的连接 第37卷第l8期 聂或,刘亮,叶凡,等:基于信道分析的动态可重构MIMO检测器 一245 线多而复杂,实现较困难,这是本文设计的重点。 QPSK/16-QAM选择 些典型的信号检测器性能的比较结果。本文设计的信号检 测器在等效门数和数据吞吐率上都优于KSE “、KB一Ⅱ ;相 较于KB ,本文虽然增加23%的硬件资源,但吞吐率是它的 80倍。通过对比表明,本文设计以较少的硬件资源实现更高 速率的信号检测。 表2天钱阵列为4x4时检测器性能比较 5结束语 本文提出一种基于信道分析的MIMO信号检测算法和实 图4动态可重构MIMO检测器整体架构 现该算法的动态可重构检测器的硬件结构。在保持良好检测 性能的同时,本文简化了计算复杂度,优化了硬件资源的利 用率,实现的动态可重构结构灵活性高。今后将进行低功耗 检测器设计,进一步改进和完善动态流水线结构。 4.2动态可重构模块 动态可重构的流水线结构由动态可重构模块实现,其结 构如图5所示。比较R阵的对角元素的大小,标记7位的指 示信号SIG。通过对SIG信号的译码操作,由译码结果控制 检测输入动态连接模块将7层待检测信号通过并行多路选择 器连接到相应的检测模块,而另一组译码结果控制干扰抵消 参考文献 [1】Zhan Guo,Nilsson E Algorithm and Implementation of the K—best Sphere Decoding for MIMO Detection[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2006,24(3):491—503. [2】Kim Tae—Hwan,Park In—Cheo1.Small—area and Low—energy K—best MIMO Detector Using Relaxed Tree Expansion and Early 动态连接模块将本层的保留节点通过并行多路选择器连接到 下一层的干扰抵消模块。第1层的保留节点和累积欧式距离 送到后一个模块,以便选择距离最小的路径作为检测输出。 Forwarding[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,2010, 由R(i,i) 大小 确定 , TT n介TT n f S1G D J 57(10):1-9. 【3]Liu Liang,Ye Fan,Ma Xiaojing,et a1.A 1.1 Gb/s 114 pJ/bit Configurable MIMO Detector Using 0.13 Jam CMOS Technolo— 每层 R(i,f) t(i,i) 所用 检测 SIG 方式 给出 指示 信号 gy[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,2010,57(9): 701—705. [4]马小晶,刘亮,叶凡,等.基于可配置型K—best的MIMO信 SIG t t t t t‘ 图5动态可重构模块结构 l l 号检测器[J].计算机工程,2009,35(24):236-238. [5]Wai Wong—Kwan,Tsui Chi—Ying,Cheng R S K,et a1.A VLSI Architecture of a K—best Lattice Decoding Algorithm for MIMO 4.3结果分析 根据本文设计的硬件架构,对检测器进行VLSI实现, 并使用0.13 lam工艺进行门级综合。表2列举了本文设计与 (上接第242页) [6]Breunig M,Kriegel H Ng R,et a1.LOF:Identifying Density Based Local Outliers[C]//Proc.of ACM SIGMOD Conference. Dallas,USA:[s.n.】,2000:93—104. Channels[C]//Proc.of International Symposium on Circuits and Systems.【S.1.]:IEEE Press,2002:273—276. 编辑陆燕菲 edu/databases/kddcup99&ddcup99.htm1. 【9]Mukkamala S,Janoski G Sung A H.Intrusion Detection Using Suppoa Vector Machines and Neural Networks[C]//Proc.of IEEE Internationa1 Joint Conference on Neural Networks. [7]崔贯勋,朱庆生.一种改进的基于密度的离群数据挖掘算法[JJ .计算机应用,2007,27(3):559—573. [8】 KDD99 Cup Dataset[EB/OL].(1999—01—02).http://kdd.ics.uci. Washington D.C.,USA:[s.n.],2002:1702—1707. 编辑顾逸斐 

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