MIMO检测算法的并行化及基于矢量处理器的实现

摘要

多输入多输出(MIMO)技术作为移动通信系统的关键技术之一，极大地提高了数据传输速率，丰富了人们对移动业务的多样性需求。然而，随着天线数目的增长和调制阶数的增大，MIMO检测过程的复杂度呈指数级增长，逐渐成为制约接收端性能提升的瓶颈。因此在保证高性能的前提下，研究低复杂度的并行化MIMO检测算法，对于接收端的整体性能提升有重要的理论意义。
　　另一方面，无线通信的标准的演进不仅要求移动终端具有更强的数据处理能力，同时也对其灵活性、可配置和可重用的性能提出了更高的要求。专用指令集矢量处理器，既能够针对特定应用优化结构并设计特殊指令以提供较强的处理能力，又能够利用可编程和可定制及扩展指令集的特点提供模式切换和修复升级的灵活性，因此从算法与实现相结合的角度，研究MIMO检测算法在可编程矢量处理器上的实现，具有重要的工程应用价值。
　　论文主要开展了MIMO检测算法的并行化以及基于专用指令集矢量处理器的实现两个方面的工作，具体内容包括:
　　1.MIMO检测算法并行化分析与设计
　　提出一种新的MIMO检测算法——部分层间并行球形译码算法(PIPSD)。引入了一种新的MIMO复数检测模型到实数检测模型的转换方法，利用该实数模型经三角分解后上三角矩阵的特殊性质，使得等效搜索树每相邻两层可以并行执行，并采用局部排序和快速组合等方法进一步加速了检测过程。实验证明，PIPSD算法能够以很小的性能损失为代价，减少执行周期，提高译码吞吐率。
　　2.基于矢量处理器的可编程并行MIMO检测器实现
　　实现了一种高效的基于矢量处理器的可编程并行MIMO检测器。基于超长指令字(VLIW)和单指令多数据(SIMD)混合结构的矢量处理器原型，并结合PIPSD算法的特点，有机地融合了算法内在的数据并行性和指令并行性，通过合理安排处理器结构参数、设计专用指令集和功能单元、优化寄存器堆设计和VLIW分布等策略，实现了高效的基于矢量处理器的可编程并行MIMO检测器。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．3 本文研究内容及研究思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路与技术方案

1．4 本文的组织结构及主要贡献

第2章 MIMO传统检测算法分析

2．1 MIMO系统模型

2．2 最大似然检测算法

2．3 线性检测算法

2．3．1 迫零检测算法

2．3．2 最小均方误差检测算法

2．4 基于干扰消除的检测算法

2．5 基于格基规约的检测算法

2．5．1 MIMO信号的Lattice表示

2．5．2 基于格基规约的MIMO线性检测

2．6 球形译码算法

2．6．1 概述

2．6．2 经典球形译码算法

2．6．3 K-best球形译码算法

2．7 性能仿真比较

2．8 本章小结

第3章 PIPSD并行检测算法

3．1 算法并行化现状

3．2 PIPSD算法原理

3．2．1 新的实数检测模型

3．2．2 PIPSD搜索树结构

3．2．3 部分层间并行

3．2．4 局部排序与快速组合

3．3 性能仿真比较

3．3．1 译码性能比较

3．3．2 计算复杂度比较

3．3．3 系统吞吐率比较

3．4 本章小结

第4章 基于矢量处理器的MIMO检测器设计

4．1 设计流程

4．2 设计需求分析

4．2．1 定点化分析

4．2．2 算法实现分析

4．3 处理器总体结构

4．3．1 模块介绍

4．3．2 针对算法的结构优化

4．4 SIMD优化及寄存器堆设计

4．5 功能单元设计

4．6 指令集设计

4．6．1 存储器读写类指令

4．6．2 寄存器转换类指令

4．6．3 算术运算类指令

4．6．4 移位与排序指令

4．7 软硬件协同VLIW优化

4．7．1 层间并行性支持

4．7．2 功能单元使用频率

4．7．3 功能单元间数据依赖关系

4．8 性能验证与比较

4．8．1 定点误差比较

4．8．2 实现性能比较

4．9 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果