新世代无线技术需知――OFDM及MIMO

【前言】新世代无线技术需知――OFDM及MIMO由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。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...

作者: Sam Jenkins/picoChip技术长暨首席工程师

无线产业虽然持续地演变着，但当前则是处于一个史无前例的转变状态。新兴的4G 空中界面- WiMAX 、LTE、UMB、802.20、WiBRO 、新一代PHS 等-所有都拥有共同的特点: 其均根据正交频分多任务存取(ofdmA)、均利用mimo (多输入多输出)、以及均拥有"平坦架构 (flattened architecture)，同时，也都是以IP为基础 (网络通信协议) 。

本文将探讨OFDMA 和MIMO 就软件定义的(弹性) 架构，同时描述如何建置OFDMA 的核心DSP 算法，以及LTE 针对上行线路所使用的创新变异，之后将探讨针对WiMAX 及 LTE (全IP虽然很迷人，不过不在此讨论范畴内)的 MIMO 之运用。

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 =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。