MIMO无线体系最佳硬判定检测办法是最大似然检测器。ML检测由于比特误码率功用拔尖，十分受欢迎。不过，直接施行的杂乱性会跟着天线和调制计划的添加呈指数级增强，使ASIC或FPGA仅能用于运用少量天线的低密度调制计划。
WiMAX对宽带互联网接入好像手机对语音通讯相同含义特殊。它能够代替DSL和有线服务，随时随地供给互联网接入。只需要翻开核算机，衔接到最近的WiMAX天线，就能够畅游全世界的网络了。
宽带互联网接入遇到的最大应战之一便是移动性，而这正是最新的WiMAX规范所要处理的。IEEE 802.16e-2005介绍了传输和接纳进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的一个要害特性。
空分复用(SDM) MIMO处理可明显进步频谱功率，从而大幅添加无线通讯体系的容量。空分复用MIMO通讯体系作为一种能够大幅提高无线体系容量和衔接可靠性的手法，近来招引了人们的广泛重视。
MIMO无线体系最佳硬判定检测办法是最大似然(ML)检测器。ML检测由于比特误码率 (BER)功用拔尖，十分受欢迎。不过，直接施行的杂乱性会跟着天线和调制计划的添加呈指数级增强，使ASIC或FPGA仅能用于运用少量天线的低密度调制计划。
在MIMO检测中，既能坚持与最佳ML检测相媲美的BER功用，又能大幅下降核算杂乱性的超卓办法非球形检测法莫属。这种办法不只能够下降SDM和空分多接入体系的检测杂乱性，一起又能坚持与最佳ML检测相媲美的BER功用。完结球形检测器有多种办法，每种办法又有多种不同算法，因而规划人员能够在比方无线信道的吞吐量、BER以及施行杂乱性等多项功用指标之间寻求最佳平衡。
尽管算法(比方K-best或许深度优先查找)和硬件架构对MIMO 检测器的终究BER功用清楚明了有极大的影响，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检测器的终究BER功用发生巨大影响。信道矩阵 预处理可繁可简，比方依据对信道矩阵进行的方差核算成果 (variancecomputation)，核算出处理空分复用数据流的优先次第，也能够运用十分杂乱的矩阵因子分化办法来确认更为抱负(以BER衡 量)的数据流处理优先次第。
Signum Concepts是一家总部坐落圣地亚哥的通讯体系开发公司，一向与赛灵思和莱斯大学(RiceUniversity)展开通力合作，运用FPGA规划出 了用于802.16e宽带无线体系的空分复用MIMO的MIMO检测器。该处理器选用信道矩阵预处理器，完结了相似贝尔实验室分层空时(BLAST)结构 上选用的接连搅扰抵消处理技能，终究到达了挨近最大似然功用。
体系考虑要素
抱负状况下， 检测进程要求对一切或许的符号向量组合进行ML处理计划核算。球形检测器旨在经过运用简略的算术运算下降核算杂乱性，一起还能够坚持终究成果的数值完好 性。咱们的办法，第一步是把杂乱的数值信道矩阵分化为只要实数的表达式。这个运算添加了矩阵维数，但简化了处理矩阵元的核算。下降核算杂乱性的第二个方面 体现在，削减检测计划剖析和处理的可选符号。其间，对信道矩阵进行QR分化是至关重要的一步。
图 1. 用于球形检测器 MIMO 检测的部分欧几里德间隔衡量方程
图1显现的是怎么进行数学转化，得出核算部分欧几里德间隔衡量法的终究表达式。欧几里德间隔衡量法是球形检测进程的根底。R代表三角形矩阵，用于处理以矩阵 元rM,M开端的可选符号的迭代法。其间，M代表信道矩阵以实数表达的维数。该处理计划经过M次迭代界说出遍历树结构，树的每层i对应第i根天线的处理符 号。
完结树的遍历有几种可选办法。在咱们的施行计划中，则运用了广度优先查找法，这是由于该办法选用备受欢迎的前馈结构，因而具有硬件友爱特征。在每一层，该施行计划只挑选K个间隔最小的幸存节点来核算扩展状况。
球形检测器处理天线的次第对BER功用有着极大的影响。因而，在进行球形检测前，咱们的规划选用了相似于V-BLAST技能的信道从头排序技能。
该办法经过屡次迭代，核算出信道矩阵的伪逆矩阵的行范数，然后确认信道矩阵最佳列检测次第。依据迭代次数，该办法能够挑选出范数最大或许最小的行。欧几里德 范数最小的逆矩阵行表明天线的影响最强，而欧几里德范数最大的行则表明天线的影响最弱。这种新颖的办法首要处理最弱的数据流，随后顺次迭代处理功率从高到 低的数据流。
FPGA 硬件运用
为完结上述体系，咱们选用了赛灵思 Virtex-5 FPGA技能。该规划流程选用赛灵思System Generator进行规划捕获、仿真和验证。为了支撑各种不同数量的天线/用户和调制次第，咱们将检测器规划用于要求最高的4×4、64-QAM状况下。
咱们的模型假定接纳方十分清楚信道矩阵，这能够经过传统的信道预算办法来完结。在信道从头排序和QR分化之后，咱们开端运用球形检测器。为预备运用软输入、软输出信道解码器(如turbo解码器)，咱们经过核算检测到的比特的对数似然比(LLR)来生成软输出。
该体系的首要架构元素包含数据副载波处理和体系子模块办理功用，以便实时处理所需数量的子载波，一起最大程度地下降处理时延。对每个数据副载波都进行了信道 矩阵预算，限制了每个信道矩阵可用的处理时刻。对选中的FPGA而言，其方针时钟频率为225MHz，通讯带宽为5MHz(相当于WiMAX体系中的 360个数据子载波)，每个信道矩阵间隔可用的处理时钟周期数为64。
咱们选用硬件功用单元精深的流水线和时分复用(TDM)功用，以到达WiMAX OFDM符号的实时要求。
除了高数据率外，在架构规划辅导进程中操控子模块时延也是一个重要的问题。咱们经过引进接连信道矩阵的TDM处理了时延问题。这种办法能够延伸同一信道矩阵 元之间的处理时刻，一起还能坚持较高的数据吞吐量。构成TDM组的信道数会跟着子模块的不同而改变。在TDM计划中，信道矩阵求逆进程用了5个信道，而有 15个信道在实数QR分化模块中进行了时分复用。图 2 是该体系的高档流程图
图 2. MIMO 802.16e 宽带无线接纳器的高档流程图
信道矩阵预处理
信道矩阵预处理器确认了空分复用复合信号每一层的最佳检测次第。该预处理器担任核算信道矩阵的伪逆矩阵范数，并依据这些范数，挑选待处理的下一个传输流。伪 逆矩阵中范数最小的行对应着最强传输流(检波后噪声扩大最小)，而范数最大的行对应着质量最差的层(检波后噪声扩大最大)。咱们的施行计划首要检测最弱的 层，然后按最低噪声扩大到最高噪声扩大的次第逐层检测。对排序进程中的每一步，信道矩阵中相应的列随后会被清空，然后简化后的矩阵进入下一级的天线排序处 理流水线。
在预处理算法中，伪逆矩阵的核算要求最高。这个进程的中心是矩阵求逆，一般经过吉文斯(Givens)旋转进行QR分化来完结。 常用的视点预算和平面旋转算法(如CORD%&&&&&%)会形成严峻的体系时延，对咱们的体系来说是不行承受的。因而，咱们的方针是运用FPGA的嵌入式DSP资 源(比方Virtex-5器材中的DSP48E)，找出矢量旋转和相位预算的代替性处理计划。
QRD的脉动阵列结构由两种类型的处理单元构 成–对角线单元或鸿沟单元和非对角线单元或内部单元。鸿沟单元履行矢量函数，能够生成阵列内部单元运用的旋转视点。要想得到想要的旋转视点，能够把非对 角线单元中的值与对角线单元中的共轭复数相乘，然后除以复数的倒数即可。相除实践是用乘法的办法完结的，即在观察到函数挨近线性的时分，乘以依据界说的间 隔的多项式近似值核算出的倒数。图3显现了选用这种近似值在对角线脉动单元中完结这种杂乱旋转的信号流程图。
图 3. 对角线脉动单元结构图
发送到非对角线单元中的数据是旋转矢量的同相部分和正交部分除以相应的近似值得出的成果。咱们不只经过在对角线单元和非对角线单元选用流水线架构完结了高数据吞吐量，一起还经过对跨5个信道的硬件进行时分复用的办法操控了近似值模块和杂乱乘法器引起的时延。
对4×4矩阵，咱们运用了1个对角线单元和7个非对角线单元。分化单个矩阵所花的处理时刻为4×4=16个数据周期，而该规划交给数据的速度是每三个时钟周 期一个样本，因而分化单个矩阵的所用总时长为3x4x4=48个时钟周期(低于可用的64个时钟周期)。咱们对分化后的矩阵运用了回代法(back substitution)，一起以相同的TDM办法进一步进行了从头排序操作。
球形检测器
球形检测器选用PED单元进行范数核算。依据树的层次，咱们选用了三种不同类型的PED单元。根节点PED模块担任核算一切或许的PED。二级PED模块针 对上一级核算得出的8个幸存途径核算出8个或许的PED。这样在树的下一级索引中，咱们就有64个生成的PED。第三种类型的PED模块用于其它树级，负 责核算上一级核算出的一切PED的最附近的节点PED。
球形检测器(SD)的流水线架构能够在每个时钟周期中处理数据。其成果便是树的每级只需要一个PED模块。因而，对4×4 64-QAM体系而言，PED单元的总数为8，与树的级数持平。
SD能够选用硬解码和软解码两种类型的解码技能。硬解码能够用贯穿树的各级的最小间隔矩阵衡量次第;软解码用对数似然比来代表输出的每个比特。对数似然比一般被当作优先输入值供给给信道解码器，比方turbo解码器。
FPGA资源占用
施行和仿真包含MIMO 802.16e宽带无线接纳检测进程，但不包含软输出生成模块。方针芯片是Virtex-5 XC5VFX130T-2FF1738 FPGA。规划的时钟频率为225MHz，可用的数据率为83.965MB/s。
表 1. 按子体系区分的资源占用状况
System Generator和根据模型的规划
咱们运用针对DSP规划流程的赛灵思SystemGenerator完结了完好的硬判链。规划验证作业不只运用了MATLAB/Simulink 环境的仿真语义，还有SystemGenerator的协同仿真功用。信道矩阵参数的同相部分和正交部分从正常的散布得出，并由MATLAB交给给 SystemGenerator建模环境。咱们相同运用这种仿真结构进行了比特误码率核算。
图 4. 4×4 64-QAM的浮点 MATLAB 仿真(硬判定)、System Generator规划 (硬判定)BER 曲线与最大似然曲线比较
图4对咱们的定点硬判定规划BER曲线、浮点硬判定规划BER曲线和最佳ML参阅曲线进行了比较。咱们经过对赛灵思ML510开发渠道进行根据以太网的硬件 协仿真，开发出了该规划的硬件演示。信道矩阵参数选用赛灵思AWGNIP核发送给球形检测器。咱们经过把规划嵌入到自同步BER测验器来核算BER。该仪 器能够向检测器发送输入并捕获误码。
本文就选用空分复用MIMO的通讯体系运用的球形检测器进行了扼要介绍。咱们具体探讨了球形检测器和信道矩阵预处理器的架构状况。完结预处理的办法有许多种，尽管咱们的办法在核算上要杂乱一点，但得出的BER功用挨近最大似然。尽管咱们的评论是环绕 WiMAX进行的，规划人员能够把其间的许多办法用于3G/ LTE(长时间演进)无线体系。
