新世代无线技术需知-OFDM及MIMO
本文作者:admin
点击:
2008-06-12 00:00
前言:
OFDM技术
OFDM使用大量紧密靠近的正交子载体,各自具备低符号速率的传统解调线路(例如正交振幅调变,QAM),以使数据速率维持在和同样频宽下传统单载体解调线路相同的速率。OFDMA是能让多重使用者分享频道的强化型式,藉由对其指定特别音调而达成此目的。
OFDM相对于单载体线路的主要优点,在于其因应严苛频道条件的能力─例如很长的铜导线中高频的衰减、窄频干扰及因多重路径-缺少复合等化过滤器-而造成的特定频率变弱现象。频道等化被简化,是因为OFDM可用许多慢速解调的窄频信号观察,而不是用快速解调的宽频信号。低符号速率能在信号间使用防护间隔,使其有可能处理时间散布并消除符号间干扰(ISI)。
由于市场压力往往驱使厂商推出符合早期标准版本的产品,因此他们必须具备只以简单软件更新方式,就能将产品升级至最终产品的弹性。更理想的是,有可能以通用的可程序平台支持不同模式或不同标准(例如同时支持LTE及WiMAX),如此得以有效率的在具有弹性的软件引擎上实施硬件导向运算法则,高效能的picoChip PC102就是一个例子:藉由在运算法则内利用平行处理带来的效能,结合及时上市和软件开发环境的概念优点。
今日大多数的系统中,包括WiMAX和LTE下行线路,核心运算法则都是FFT(快速傅利叶转换);然而LTE的上行线路需要使用(更复杂的)离散傅利叶转换(DFT)。
FFT只是离散傅利叶转换(DFT)的一种有效率实施方式。对于N点DFT,直接实施会需要N2等级的复杂乘法及加法运算;但因为其是一个完美的范例,故能展示一个聪明的运算如何提供不可思议的效率利益;经典FFT只需Nxlog2N等级的运算。FFT的特性已有良好记载,而且可在本文的网络版中了解更多细节。
picoChip PC102是一项高效能的无线最佳化多核心DSP,整合超过300种个别处理器或数组组件(AE),每一个都是传统的16位、含局部内存的哈佛式架构DSP。标准的(STAN2)AE型式包括乘法累计周边,以及为CDMA分散及反分散最佳化的指令,内存则分为512字节程序代码和256字节数据。内存(MEM2)AE则具有乘法单元及额外的内存,而且可以设定程序代码和数据的内存分配。
picoArray程序型号能轻易组合管线结构,而且这也是用于实施FFT的方法。在PC102上256点FFT的效能总结详见表1,里面有展示256点FFT以10M取样/秒~80M取样/秒之间的复合取样速率下所需的资源,以及在PC102上,以这些速率之一所能完成的最大FFT数目;这表示一个10M取样/秒的FFT需要大约1.5%的资源。
图1b显示结合“建构区块”FFT的可能性,以得到更高的传输率─由此清楚可知平行架构很适合这一点。
和使用 OFDM(WiFi、16d、Flash OFDM)或OFDMA(WiMax 16e)的标准相比,LTE计划采用的上行传输线路是一种新型态的SC-FDMA(单载体FDMA),也称为DFT分布式OFDM。其胜过传统EFDMA的优点,是因先天具备的单载体架构,而让信号有比较低的峰值至平均值的功率比(PAPR),这对上行传输而言特别重要,因为较低的PAPR在传输功率效率方面对行动传输连接接口有很大的优势;正因如此,有人声称其提供了“两者所长”:结合单载体的低PAPR和多重载体的可靠度,虽然要付出使数字处理复杂度更高的代价。
SC-FDMA上行传输的建置法如图2所示,其中DFT在OFDM解调器的前面,这里显示出和标准OFDMA相较之下的额外步骤。
众所周知如果转换的大小可以分解成很小的(质数)数目,就有可能有效率的实现DFT─质数越小,整个执行动作也就越简单─传统FFT使用单独一个质因子2。
LTE里DFT前置处理器的大小,视指定给特别使用者之上行数据传输的子频道数目而定。
其中N是子载体的数目,在N <= 1320的情形下(针对20MHz的频宽)a、 b和c都>=0。对于已知使用者,N的范围可从12个声调(a,b,c =0=1*12,单一资源区间)到1296─全部共有35种不同的选择─这些声调接着会被一起解调并构成单一载体上传信号,然而只限于手持传输装置:因为基地台接收器处理许多使用者,其中每一位都会从这些选择里选定一个,对于所有可能的讯框组态所容许的交换总数为531,783,569,如此的弹性显然会让接收iDFT复杂化。
用于展开iDFT的技术是“各个击破”,原则和熟悉的FFT所用相同;但iDFT的长串清单无法展开成单独的质数,而是每个都能展开到三段长度为2、3和5的短iDFT,这些就是iDFT“引擎”。在这种实施做法里,有些iDFT已被展开成与其质因子不同的因子(如4、8和9),以便将管线阶的最大数目减少到3,如此有助于降低延迟现象。
各阶段的管线必须能实施全部35种可能的iDFT功能,还有动态重新设定组态并避免任何因不同长度iDFT在相同时间流过所造成的管线危险。最简单的架构是记录器 + 阶段缓冲区对A、B和C都是相同功能区块的例证,该区块可实施全部6种iDFT引擎(若有算1点式iDFT则是7种,也就是通过时维持不变)。更理想的解决方案,是认知为只有一个阶段需要实施9点式引擎,另一个要8点式引擎,而第三个则要4点式引擎,再加上2、3及5个引擎─因为任何iDFT长度需要绝不可超过一个9、8或4。
有一项困难,是LTE是一种可变频宽的系统(简单而言,1.25MHz- 20MHz含两种TDD/FDD选项)。表2显示建置法随不同的模式而改变。因为其弹性在于和FFT相较之下的代价
(请见表1),所以要注意此结构在建置这些组态设定时仍极具效率:即便对于20MHz+20MHz FDD(最差情形),所需的资源还是只有PC102的约10%。
MIMO
MIMO是一种在发射器和接收器使用多支天线的做法,这是为了改善通信效能,而且具备所有4G系统的特点。其可显着提升数据传输率及联机范围,且不用额外的频宽或传输功率,并结合更高的频谱效率(每Hz频宽下每秒更多位)与联机可靠度或多样性(减少衰减现象)。
在TX端有m支天线并且在RX端有n支,这就是一个m x n的MIMO,而且一次可处理频道的数目就是所有组合的总数:举例而言2×2 MIMO可以有4个“频道”(1-1、1-2、2-1、2-2),并且效能可以是SISO系统之Shannon限制的两倍。有4个“频道”只能传送2倍信息,因为需要“解”频道矩阵以便取出信息。事实上,频道并非完全独立(有一些相关性存在),所以好处会降低。矛盾的是,MIMO在频道少时更有价值(更多的多重路径等),因为频道较不相关─在自由空间里4个频道都很类似时,好处便会受限。
有几种可以使用MIMO的不同形式。以WiMAX下行传输为例,就有两种标准的MIMO模式:矩阵A,或STC(空间时间编码)和矩阵B。STC会从两支发射天线以两种不同的形式发射相同的信号,因此数据流量并不会比SISO增加;但因为两种形式(s和-s*)不同,所以接收器有更好的机会能复原该数据,因而改善确实度和既定数据传输速率下的范围。为了在下行传输实施这种做法,符号速率区块不会受影响(送出一个符号),但现在则有两个突波链提供两支具备不同数据解调形式的天线。
相反的,矩阵B会发射两种不同符号,以便得到两倍的数据传输率,这种做法中具有两个突波链(用于两支天线),每个都对个别符号进行作业;实际上,符号传输率区段会设计成越快越好,然后交替输出到两个TX分支,而非复制符号,且事实上真实的系统会支持两者,并依使用者选择矩阵A或B:以更佳条件将数据更快传送到此,并在通讯格边缘使用STC替这些方式带来好处。
这种方式与多种核心架构配合得很好。如图3所示,用两个独立的突波链供给两支天线;简单举例说明相同的架构两次,对工程师而言非常简单。这种特殊的图示实际上有些复杂,许多系统都将MIMO和诸如射线形成之类的空间技术结合,如“零点操控”或SDMA。这种特殊的设计有8支天线,并架构设定成每个MIMO分支有4支,每个分支有个别的操控权重。
2x2 MIMO对 8 支天线下行
在接收器端信号处理相当复杂:不只是因矩阵B更高的峰值数据传输率,同时也是因接收器用于分辨不同信号所致的极高复杂度。
结论
空中接口不仅变得渐形复杂,更依赖更复杂的运算法方能将效能、效率及范围予以最佳化。以FFT为基础的OFDMA已成为下一代无线技术的标准,但诸如LTE之类的最新技术正试着改善这一点:使用如SC-FDMA之类的更复杂技术,以及对于弹性DFT技术无可避免的需求。
透过软件可程序架构追求硬件导向折衷方案的优点及弹性,让系统制造商能及早进入需要WiMAX和LTE等运算法则的市场,他们也因此得以比竞争者可更早将产品上市,而且还能确保和标准被定案时的兼容性。的确,适当的架构能以一个通用平台实现完整范围的标准(例如16d、16e及LTE─还有下一代的PHS或UMB),扩充此架构以支持MIMO也是相当简单明了的。