MIMO检测技术仿真与FPGA实现

论文摘要

无线通信技术的高速发展是在人们对数据传输速率和通信性能质量不断上升的需求的背景下产生的。而由于无线频谱资源的有限性,多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output MIMO）技术越来越被人重视。MIMO技术是无线移动通信技术的重大突破,只要某个无线通信系统在其发射端与接收端均采用多个天线,便构成了一个无线MIMO系统。由于该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,而且能把传统上被认为有害的多径效应所引起的衰落转变成有利因素。因此,MIMO技术成为下一代无线通信系统关键技术之一本文首先简述了MIMO技术,介绍了MIMO技术的两个分类：MIMO分集系统和复用系统。在对MIMO技术进行深入分析的基础上,着重研究了MIMO检测算法,并对各种算法做了对比仿真研究,然后根据仿真的性能和各种算法的复杂度及硬件可实现性做了折衷,最终确定MMSE作为本文章硬件实现的MIMO检测算法。在MIMO检测中求逆算法是比较重要且复杂的模块,所以本文还对常用的几种矩阵求逆算法做了分析,并且找到一种高效,低复杂度的矩阵求逆算法。接下来重点研究了MIMO检测算法的硬件实现。首先介绍了本文的FPGA开发平台并做了芯片选型,并且根据理论数据做了定点化的分析,然后开始对MIMO检测中各模块进行FPGA实现,包括矩阵运算模块,复矩阵求逆模块,最小欧氏距离模块和星座点定位模块。我们用Verilog分别编写各模块的代码,然后使用ISE功能仿真工具对各模块的硬件实现的正确性进行了验证。特别在实现复矩阵求逆模块过程中找到了对传统除法器有所改进的高效的求倒数模块,使该模块的算法复杂度得到很大程度的降低。该章最后对模块做了测试和性能分析。最后对全文进行概括总结,指出本文主要工作,给出下一步研究工作的建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文研究背景和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文主要研究内容和工作安排
• 1.4.1 论文的主要研究内容
• 1.4.2 论文的工作安排
• 第2章 MIMO技术及其检测算法研究
• 2.1 MIMO技术研究
• 2.1.1 MIMO分集系统
• 2.1.2 MIMO复用系统
• 2.2 LTE系统中MIMO的检测算法
• 2.2.1 线性检测算法
• 2.2.2 非线性检测算法
• 2.3 MIMO检测算法复杂度分析及理论仿真
• 2.3.1 各算法复杂度分析
• 2.3.2 仿真结果
• 2.4 矩阵求逆算法研究
• 2.4.1 SQR分解法
• 2.4.2 变量循环重新编号法
• 2.4.3 基于LU分解简化算法
• 2.4.4 各矩阵求逆算法复杂度比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于MMSE的MIMO检测的硬件实现及验证
• 3.1 引言
• 3.2 MIMO检测的硬件实现系统
• 3.3 FPGA开发环境介绍
• 3.3.1 软件开发平台
• 3.3.2 硬件开发平台
• 3.3.3 FPGA设计方法
• 3.4 FPGA数据处理定点化分析
• 3.4.1 数据在计算机中的表示方法
• 3.4.2 数据定点仿真和定标
• 3.5 MIMO检测算法的FPGA实现
• 3.5.1 MIMO检测算法实现结构
• 3.5.2 基本运算模块设计及验证
• 3.5.3 矩阵运算模块实现及验证
• 3.5.4 复矩阵求逆模块实现及验证
• 3.5.5 最小欧氏距离计算及星座点定位模块设计及验证
• 3.6 MIMO检测硬件实现模块测试
• 3.7 性能分析
• 3.8 小结
• 第4章 结论与展望
• 4.1 本文工作总结
• 4.2 论文存在问题和未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间完成的论文和参与的科研项目