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4G空中接口通用的OFDMA和MIMO技术实现探讨

时间:03-17 来源:中国产品研发易 点击:

表2总结了PC102上的256点FFT的性能。表2给出了复杂采样速率在10MSps和80MSps之间的256点FFT所要求的资源,并给出了在PC102上能以每个速率点执行的最大FFT数量。从表中可以看出,单个10MSps FFT需要约1.5%的资源。

 

表2:picoArray上的OFDMA采用的256点 16+j16 FFT的资源使用。

从图1b可以看出如何通过整合“构建模块”FFT来获得更高的吞吐量--显然并行架构是非常适合的。

虽然目前大多数标准采用OFDM(WiFi、802.16d、Flash OFDM)或OFDMA(802.16e),但LTE选用的上行链路发送机制是最新的SC-FDMA(单载波FDMA),也称为DFT扩展OFDM。

与传统OFDMA相比,SC-FDMA的优点是信号具有更低的峰值/平均功率比(PAPR),因为它采用了固有的单载波结构。这在上行链路中尤其重要,因为在上行链路中更低的PAPR可以使移动终端在发送功效方面得到更大的好处,并进而延长电池使用时间。因此一些人士认为,SC-FDMA“集两者之大成”,即单载波的低PAPR和多载波的鲁棒性。当然,天下没有免费的午餐,这些好处的代价是增加了数字处理的复杂性,如上所述。

SC-FDMA上行链路的实现如图2所示,其中DFT位于OFDM调制器之前,这表明比标准OFDMA要多一些步骤。

图2:SC-FDMA或DFT扩展OFDM。

众所周知,如果变换点数可以分解成少量的数(素数),就可以高效地实现DFT。分解时素数越少,实现越简单。当然,经典FFT使用单个素数因子2。

LTE中的DFT预编码器尺寸取决于为指定用户的上行链路数据发送分配的子信道数量。

其中N是子载波的数量,a、b和c在 N ≤1320 条件下都大于等于0 (20MHz带宽时)。对于指定的用户,N范围可以从12个音 (a,b,c=0,即单个资源模块)到1296,总共35个不同的选择,这些音再一起经过调制形成单载波上行链路。然而,这是在手机发送器侧,因为基站接收机要处理许多用户,每个用户从这些选项中作出选择,针对所有可能的帧配置的总允许变换器数量是531、783、569。这种灵活性显然增加了接收iDFT的复杂性。

用于分解iDFT的技术是“分而治之”,主要原理与大家熟悉的FFT相同,但iDFT的长列表无法被分解成单个素数因子。相反,每个音可以被分解成长度为2、3和5的三个短iDFT。这些是iDFT的“引擎”。在本例实现中,一些iDFT已经被分解成素数因子(如4、8和9)以外的其他因子,以便将流水线级的最大数量减小至3,从而带来缩短延迟的好处。

图3显示了LTE iDFT的逻辑结构,这种结构可用来在PC102/PC20x上实现20MHz的LTE eNodeB。

 

图3:LTE iDFT库结构。

流水线级必须能够实现所有35种可能的iDFT功能,并动态地重新配置和避免由于不同长度iDFT同时流过而造成的任何流水线危害。最简单的架构是重新排序+级缓冲对A、B和C都成为用来实现所有6个iDFT引擎的相同功能块的实例(如果计算1点iDFT就是7台引擎,即通过不变)。更优化的解决方案确认只有一级需要实现9点引擎,另外一级需要实现8点引擎,第三级需要4点引擎,加上2、3和5个引擎,因为任何iDFT长度都不需要超过一个9、8或4。

使事情复杂化的因素之一是,LTE是一个带宽可扩展的系统(简言之,TDD/FDD都是1.25MHz~20MHz)。表3列出了不同模式时的不同实现方式。虽然与FFT相比灵活性有一定的代价(见表2),但值得注意的是,这种架构在实现这些配置时效率仍然特别高:即使所需的20MHz+20MHz FDD(最坏情况)资源也仍只占PC102的10%。

MIMO

MIMO是指在发送机和接收机上使用多幅天线以改善通信性能,它是所有4G系统的一个特点。

MIMO不需要增加带宽或发送功率就能显著地提高数据吞吐量和链路距离,并具有更高的频谱效率(每秒每赫兹带宽可传更多的位)和链路可靠性或空间分集性能(降低了衰落)。

发送(TX)端有m幅天线,接收(RX)端有n幅天线,就形成了一个m×n的MIMO,此时信道的数量就等于所有组合之和:例如一个2×2的MIMO就有4个“信道”(1-1,1-2,2-1,2-2),性能将达到SISO系统中香农极限值的两倍。你只能从4个“信道”中发送2倍的信息,因为你需要“解开”信道矩阵才能提取信息。在实际应用中,信道不是完全独立的(存在一定的相关性),因此优势有所降低。事实上有个似是而非的结论,即信道越差(更多的多径等),MIMO的用处就越大,因为信道相关性越少。在自由空间中,由于4个信道非常相似,因此带来的好处非常有限。

MIMO有多种不同的使用方式。拿WiMAX下行链路来说,它有两种标准的MIMO模式:Matrix A和Matrix B。前者也被称为空间时间编码(STC),它通过两幅发射天线以不同的形式发送相同的信号。由于发送的是相同的符号,数据速率在SISO上不会提高,但

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