在FPGA中实施4G无线球形检测器

　　WiMAX对宽带互联网接入如同手机对语音通信一样意义非凡。它可以取代DSL和有线服务，随时随地提供互联网接入。只需要打开计算机，连接到最近的WiMAX天线，就可以畅游全世界的网络了。

宽带互联网接入遇到的最大挑战之一就是移动性，而这正是最新的WiMAX标准所要解决的。IEEE 802.16e-2005介绍了传输和接收过程中多根天线的用法，即MIMO概念，又称为多输入多输出，是移动WiMAX的一个关键特性。

　　空分复用(SDM) MIMO处理可显著提高频谱效率，进而大幅增加无线通信系统的容量。空分复用MIMO通信系统作为一种能够大幅提升无线系统容量和连接可靠性的手段，近来吸引了人们的广泛关注。

　　MIMO无线系统最佳硬判决检测方式是最大似然(ML)检测器。ML检测因为比特误码率 (BER)性能出众，非常受欢迎。不过，直接实施的复杂性会随着天线和调制方案的增加呈指数级增强，使ASIC或FPGA仅能用于使用少数天线的低密度调制方案。

　　在MIMO检测中，既能保持与最佳ML检测相媲美的BER性能，又能大幅降低计算复杂性的出色方法非球形检测法莫属。这种方法不仅能够降低SDM和空分多接入系统的检测复杂性，同时又能保持与最佳ML检测相媲美的BER性能。实现球形检测器有多种方法，每种方法又有多种不同算法，因此设计人员可以在诸如无线信道的吞吐量、BER以及实施复杂性等多项性能指标之间寻求最佳平衡。

　　虽然算法（比如K-best或者深度优先搜索）和硬件架构对MIMO检测器的最终BER性能显而易见有极大的影响，不过一般在球形检测之前进行的信道矩阵预处理也会对MIMO检测器的最终BER性能产生巨大影响。信道矩阵预处理可繁可简，比如根据对信道矩阵进行的方差计算结果 (variance computation)，计算出处理空分复用数据流的优先次序，也可以使用非常复杂的矩阵因子分解方法来确定更为理想（以BER衡量）的数据流处理优先次序。

　　Signum Concepts是一家总部位于圣地亚哥的通信系统开发公司，一直与赛灵思和莱斯大学（Rice University）开展通力合作，运用FPGA设计出了用于802.16e宽带无线系统的空分复用MIMO的MIMO检测器。该处理器采用信道矩阵预处理器，实现了类似贝尔实验室分层空时(BLAST)结构上采用的连续干扰抵消处理技术，最终达到了接近最大似然性能。

　　系统考虑因素

　　理想情况下，检测过程要求对所有可能的符号向量组合进行ML解决方案计算。球形检测器旨在通过使用简单的算术运算降低计算复杂性，同时还能够保持最终结果的数值完整性。我们的方法，第一步是把复杂的数值信道矩阵分解为只有实数的表达式。这个运算增加了矩阵维数，但简化了处理矩阵元的计算。降低计算复杂性的第二个方面体现在，减少检测方案分析和处理的可选符号。其中，对信道矩阵进行QR分解是至关重要的一步。

　　图1 用于球形检测器MIMO检测的