3GPP LTE下行接收系统的数字信号处理与VLSI实现研究

论文摘要

随着个人移动通信日新月异的发展,人们已经不满足于简单的语音通信。越来越多的业务如移动互联网,可视通话,流媒体,移动电视等,逐渐成为了市场上新的热点。在这些应用的促使下,移动通信技术正在向更高数据率的方向发展。从目前的发展来看,第三代合作计划（3rd Generation Partnership Project,3GPP）推出的长期演进技术（Long Term Evolution, LTE）以其高数据率、高频谱利用率和灵活性、低延迟、应用设备广泛等的特性在下一代移动通信标准的竞争中脱颖而出,成为准4G技术的主流标准。作者在对3GPP LTE系统的发展历史及现状进行分析和调研的基础上,发现在3GPP LTE的推广和普及中存在着以下的挑战：1)移动终端的功耗和成本的降低。与3G的移动终端相比,LTE的移动终端需要进行在更高的工作频率上（LTE标准支持的最大信号带宽为20 MHz）进行更多的数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）操作,如快速傅里叶变换（FFT）和多输入多输出（MIMO）信号检测等。这些操作会导致LTE移动终端在DSP部分消耗更多的能量。对于以手持式设备和消费电子产品为主要应用的技术而言,降低移动终端中DSP部分的功耗和运算复杂度具有重要意义。2)对多模多协议的支持。3 GPP LTE的应用必然面临着与3G协议如WCDMA和TD-SCDMA共存的局面；多模多协议的移动终端正在逐步成为主流。如何从芯片设计的角度对多模多协议进行支持是下一代移动终端设计的难点。其中,数字前端是目前各种多模架构中必不可少的一个部分,并且由于其工作频率高,运算量大,是多模多协议移动终端需要解决的首要问题之一。针对以上两个技术难点,本文研究了3GPP LTE下行接收系统中DSP技术及其VLSI实现的关键技术,设计了低复杂度高性能的关键信号处理模块,并从系统级对性能-运算复杂度可伸缩性的LTE下行接收系统进行了分析和建模。数字前端是沟通射频模拟前端和基带处理器的桥梁,能够实现采样率转换（SRC）,信道滤波,匹配滤波等功能,其运算量大,支持的模式多,是移动终端DSP部分的重要模块。本文研究了支持3GPP LTE/WCDMA/TD-SCDMA的多模多协议数字前端的低复杂度设计,主要工作包括高效的SRC和信道滤波的设计与实现以及3 GPP LTE主同步信号（PSS）的高效搜索。本文提出了以最低运算复杂度为目标的SRC因子分解算法,与现有算法相比,能节省约40%的运算。本文在数字前端中还研究了PSS信号（频域Zadoff-Chu序列）的冗余特性,并根据该特性设计了高效的PSS信号匹配滤波器。与传统的结构相比,该结构能够节省63.5%的复数乘法运算和46.5%的复数加法运算。快速傅里叶变换（FFT）/反变换（IFFT）处理器是MIMO-OFDM系统中的进行OFDM调制解调的关键处理模块,对系统的性能和芯片的功耗和面积具有很大影响。本文设计了基于24和23混合基算法的4路并行延迟反馈型128～2048点流水线FFT/IFFT处理器,并改进了针对多路并行结构的无乘法旋转因子计算方法。借助于计算机辅助的最优搜索,改进后的方法能够以更少的常系数乘法器完成FFT/IFFT处理器中旋转因子的计算。采用了本文提出的无乘法旋转因子计算方法的128点4路并行FFT/IFFT处理器的功耗和面积都要优于已发表的结果。MIMO技术是下一代移动通信中的关键技术。本文对MIMO信号检测的低功耗算法和芯片实现方法进行了研究,从算法和硬件架构的角度对MIMO信号检测器进行了分析,明确了制约吞吐率和能量效率的关键因素。本文改进了现有的度量值优先MIMO信号检测算法,为算法增加了预中止的特性,并提出了新型的格点枚举策略。在新型的枚举策略下,部分欧几里得距离的计算可以通过增量累加的方式实现。由于增量计算的复杂度显著低于直接计算,这使得本文提出的MIMO信号检测算法的运算量与传统算法相比节省20%以上。在VLSI设计中,本文设计了基于流水线区间堆的双向有序队列结构,并优化了MIMO检测器的时序控制,使得本文设计的MIMO信号检测器的性能明显优于已发表的结果。最后,在3GPP LTE下行接收系统的关键DSP模块有了充分认识的基础上本文研究了具有性能-运算复杂度可伸缩性的LTE下行接收系统。本文从性能认知/运算控制/状态判断三个方面对3GPP LTE下行接收系统进行分析,提出了基于等效噪声贡献的伸缩算法,根据系统当前的性能动态调整数据通路（包括FFT/IFFT处理器、信道估计器和MIMO信号检测器）的运算复杂度。通过动态调整,信道估计和MIMO信号检测的运算量能够节省30%以上

论文目录

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• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 3GPP LTE系统的发展及研究现状
• 1.1.3 OFDM/OFDMA技术
• 1.1.4 多入多出技术（MIMO）
• 1.2 论文的选题意义
• 1.3 论文的主要工作与创新点
• 1.4 论文的架构
• 参考文献
• 第二章 LTE下行接收系统分析与建模
• 2.1 3GPP LTE物理层协议概述（下行链路）
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 帧结构
• 2.1.3 下行物理信道
• 2.1.4 参考信号
• 2.1.5 同步信号
• 2.2 LTE下行接收系统分析与介绍
• 2.2.1 数字前端（Digital Front-End）
• 2.2.2 同步模块和小区搜索
• 2.2.3 快速傅里叶变换（FFT）
• 2.2.4 MIMO-OFDM信道估计
• 2.2.5 MIMO信号检测
• 2.2.6 信道插值
• 2.3 LTE下行接收主要算法复杂度分析
• 2.4 LTE系统建模
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 多模多协议数字前端的设计
• 3.1 概述
• 3.2 针对3GPP 3G/B3G的数字前端
• 3.2.1 采样率转换与信道滤波
• 3.2.2 同步信号的搜索
• 3.3 数字前端设计（Ⅰ）:采样率转换与信道滤波
• 3.3.1 采样率转换的基本原理
• 3.3.2 数字前端的主要功能模块
• 3.3.3 现有采样率转换因子分解算法概述
• 3.3.4 以复杂度为目标的数字前端设计方法
• 3.3.5 数字前端采样率变换与信道滤波:实现与比较
• 3.4 数字前端设计（Ⅱ）:LTE PSS信号的研究与匹配滤波
• 3.4.1 Zadoff-Chu序列的冗余特性研究
• 3.4.2 3GPP LTE PSS信号匹配滤波器的高效实现
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 FFT/IFFT处理器设计
• 4.1 LTE终端对于FFT/IFFT的要求
• 4.2 FFT/IFFT处理器的研究现状
• 4.3 FFT/IFFT处理器的算法和结构选择
• 4.3.1 FFT算法选择
• 4.3.2 FFT/IFFT处理器的结构选择
• 2048点4路并行流水线FFT/IFFT处理器设计'>4.4 128²048点4路并行流水线FFT/IFFT处理器设计
• 2048点混合基算法'>4.4.1 128²048点混合基算法
• 4.4.2 FFT/IFFT处理器量化与有限字长的确定
• 4.4.3 4路并行FFT/IFFT处理器硬件架构
• 4.4.4 无乘法旋转因子计算方法
• 4.5 实现与验证
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 MIMO信号检测
• 5.1 MIMO信号检测的研究现状
• 5.1.1 线性检测
• 5.1.2 串行干扰抵消检测
• 5.1.3 最大似然检测
• 5.1.4 球形译码
• 5.2 基于新型枚举策略的预中止的FD-BF算法
• 5.2.1 算法介绍
• 5.2.2 枚举与基于增量累加的PED计算方法
• 5.2.3 算法小结
• 5.3 MIMO信号检测的硬件设计
• 5.3.1 系统分析与框架
• 5.3.2 节点处理模块
• 5.3.3 枚举模块
• 5.3.4 有序队列
• 5.3.5 流水线控制
• 5.4 实现与验证
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 可伸缩的LTE下行接收系统
• 6.1 具有伸缩性的数字信号处理
• 6.2 具有伸缩性的LTE下行接收系统
• 6.2.1 LTE下行接收系统噪声分析
• 6.2.2 可伸缩的LTE下行接收系统
• 6.2.3 算法仿真及分析
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 在读期间研究成果
• 致谢