LTE系统下行链路低复杂度软输入软输出检测算法与实现

摘要

为满足未来移动通信系统高速率、高服务质量和大容量传输的需求，LTE系统下行链路采用多输入多输出(MIMO)技术和正交频分复用(OFDM)技术相结合的传输方案，该方案极大地提高了数据传输速率、频谱利用率及传输可靠性，并能有效地对抗频率选择性衰落。基于Turbo原理的迭代接收机是提高系统接收性能、逼近信道容量的有效途径。软输入软输出(SISO)检测作为迭代接收机的重要组成部分，其性能和实现复杂度对迭代接收机有重要影响。本文着重研究适用于LTE系统下行链路的低复杂度SISO检测算法及其FPGA实现。
　　针对LTE系统下行链路，研究了基于最小均方误差(MMSE)准则的SISO检测算法，并分别利用该算法中MMSE均衡、软解调和软调制等核心模块的自身特点，构建了适于硬件实现的低复杂度SISO检测算法。首先，提出了基于矩阵特征值分解(EVD)的MMSE均衡算法，该算法利用修正的重建方差矩阵和EVD分解的特性，将复矩阵求逆简化为实对角矩阵求逆，在不影响性能的前提下，显著降低了MMSE均衡算法的计算复杂度。接着，提出了基于相对度量的简化软解调算法，该算法在max-log算法的基础上，利用估计值与调制符号的相对度量代替典型算法中的绝对度量，其实现复杂度随调制阶数的增加而线性增加。最后，充分利用格雷映射的特点，对传统软调制算法的计算公式作进一步简化，获得了性能无损且具有线性复杂度的软调制算法。仿真结果和复杂度分析表明，所提出的SISO检测算法能以较低的复杂度获取与典型SISO-MMSE检测算法相近的性能。
　　针对所提出的低复杂度SISO检测算法，详细讨论了该算法基于现场可编程门阵列(FPGA)器件的实现。首先，根据算法功能进行模块划分和功能定义，对各个模块的输入、输出信号进行统计分析以确定其定标方案，并通过定点链路仿真对其进行了验证。随后，基于分时复用和流水线设计的思想，详细设计了各个模块的实现结构、处理流程以及时序安排，并通过合理的模块复用减少整体的逻辑资源消耗。最后，给出了所提检测算法在硬件平台上的测试结果以及时延和资源占用情况。