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| MIMO与OFDM技术架构的原理 |
| 2008年7月8日 14:37
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虽然无线通信技术一直都在不断发展，但当前却处于一个前所未有的变革期，新兴的4G空中接口如WiMAX、LTE、UMB、802.20、WiBRO以及下一代PHS等等都有一个共同的特点：即都是基于正交频分多址接入(OFDMA)、都采用MIMO(多入多出)技术、都具有“扁平化架构”且均基于IP(互联网协议)。
本文将主要关注软件定义下(灵活)的OFDMA和MIMO架构，简要讨论在WiMAX和LTE中使用MIMO(全IP虽然也受到关注，但不在本文讨论范围)，然后介绍如何实现OFDMA核心DSP算法及LTE上行链路使用的新型变量。
MIMO可以使用几种不同的形式，以WiMAX下行链路为例，有两种标准的MIMO模式：Matrix A或者STC(空时编码)，以及Matrix B。STC用两种不同的形式在两个传送天线上传送相同的信号，因此数据率和SISO相比没有增加，但因为两种形式(s和–s*)是不同的，接收器有更大机会恢复数据，这样对于给定的数据率它提高了稳定性和范围。如果在下行链路也采用这种技术，则符号率数据块不会受到影响(发送的一个符号)，不过现在有两个脉冲链馈送至两个天线，同时信息采用不同形式的调制方式。
Matrix B则相反，它传送两个不同的符号从而使数据率加倍。这里有两个脉冲链(对于两个天线)，每个实际上都运行单独的符号而不是复制，符号率部分可以设计更为快速，然后将输出交替送到两个TX部分。在实际中，真正的系统同时支持两种模式，并根据用户选择Matrix A或B：对状况好的用更快速度传输，而对状况不好的就用STC。
这和多核架构非常匹配，如图1所示，两个独立的脉冲链馈送到两个天线上：同一个架构应用了两次，对于工程师非常简单。这一框图实际上会有些复杂，现实中很多系统将MIMO与空间技术如波束成形、“调零控制”或者SDMA结合在一起。该设计有8个天线，每个MIMO通路配置了4个，每个都有独立的操控权。
2x2 MIMO结构用于8天线下行链路
图1：MIMO下行链路系统，显示两个独立的脉冲链。该系统还包括波束成形，用于总共8个天线。
在接收器端，信号处理更加复杂，因为Matrix B的峰值数据率更高，而且接收器要区分不同的信号也要更为复杂。
LTE-TDD是TD-SCDMA未来的演进技术，相关研究与标准化工作已在中国开始进行，LTE系统要求已由3GPP发布，主要参与机构包括中国通信标准化协会(CCSA)、大唐移动、中国移动、中兴通讯、华为以及鼎桥通信等。
LTE TDD原来有两类帧结构，第一类最初可同时用于FDD和TDD，后来变为仅用于FDD。每个无线帧长度为10毫秒，包括20个0.5毫秒时段，两个连续的时段定义为一个子帧。在TDD中，子帧用于下行链路或者上行链路传输，其中子帧0和5总是用于下行链路传输，子帧2仅适用于TDD且几乎与TD-SCDMA结构一样。每个无线帧都有两个长度各为5毫秒的半帧，每个半帧包含7个时段，编号从0到6，还有3个特殊字段，分别为DwPTS、GP和UpPTS。第二类帧结构由大唐移动提出，因为它与TD-SCDMA更加兼容，所以一些特性和所定义的物理程序仍然继续适用。
第一类帧结构——仅用于FDD：
第二类帧结构——仅用于TDD：
不过在中国移动的支持下，这两种类型在去年11月举行的3GPP RAN1会议上合并为一种结构，最终的帧结构更类似于FDD结构，如下图所示：
OFDM采用了大量空间结构紧凑的正交子载波，每个都具有传统的调制方案(如正交幅度调制，QAM)以及较低的符号率，使同样带宽下的数据率类似于传统单载波调制方案。OFDMA则有所增强，可通过分配特别的符号使多个用户共享信道。
OFDM相比于单载波方案最大的优势是可以应对多种信道状态而不需要复杂的均衡滤波器，如长距离铜线的高频衰减、多通路造成的窄带干扰和频选衰减等。由于OFDM可以看作是使用很多慢调制窄带信号而不是一个快速调制宽带信号，所以信道均衡可得以简化。较低的符号率也使得在符号之间应用防护间隔更易于承受，可以处理时间分配并消除符号间干扰(ISI)。
来自市场的压力常常使供应商在标准还处于早期版本时就推出产品，所以他们必须要能用简单的软件升级办法使产品灵活升级到最终版本，最好通过同一个可编程平台能支持不同的模式或不同的标准(例如同时支持LTE与WiMAX)，以便在灵活的基于软件的引擎上高效实现面向硬件的算法。一个应用实例是高性能picoChip PC102，它将上市时间和软件开发环境的优点与算法内采用并行处理的好处结合在了一起。
目前大部分系统包括WiMAX和LTE下行链路，核心算法都是FFT(快速傅里叶变换)，但是LTE上行链路需要用到(更复杂的)离散傅里叶变换(DFT)。
FFT只是离散傅里叶变换的一种有效实现方式，对于一个N点DFT，直接实现所需要的乘法与加法运算复杂度为N2数量级，而传统FFT需要的运算只有N×log2N数量级，因此它是一个非常完美的例子，显示了这种聪明的算法如何得到不可思议的效率提高。FFT的特性很多地方都有介绍，在本文网络版中也有详细描述。
picoChip PC102是一种高性能针对无线应用进行了优化的多核DSP，集成了超过300个处理器或阵列元件(AE)，每个都是传统的16位哈佛结构DSP，带有本地存储器。标准(STAN2)AE包括乘法累加外围元件与特殊指令，对CDMA传播和解扩进行了优化，内存分为512字节代码和256字节数据。存储器(MEM2)AE有一个乘法单元和另外的存储器，存储器在代码和数据之间的分配是可配置的。
picoArray编程模型使其易于编译流水线结构，而这正是用于实现FFT的方法。表1给出了在PC102上实现256点FFT的性能概要，表中显示256点FFT所需要的资源其采样率复杂度在10MSa/s和80MSa/s之间，同时表中给出了在每个采样率上PC102可以执行的FFT最大数。表中显示，一个10MSa/s的FFT需要约1.5%的资源。
复合采样率
每个FFT所需要的阵列元件数量(总数百分比) AE类型 最大FFT数(AE总数百分比)
最大FFT数取决于可用的MEM类AE数量。
图2b显示了如何将“构件模块”FFT组合起来以得到更高输出率，显然并行结构非常适合于做这样的事。
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