基于MIMO-OFDM的高頻段Gbit/s通信系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)*

彭俊宇 ，蔡孫增 ，朱正航 ，徐 景 ，周 婷

（1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050；2.中國科學(xué)院無線傳感網(wǎng)與通信重點實驗室 上海 200335；3.上海無線通信研究中心 上海 200335）

1 引言

作為一種高效的頻譜復(fù)用技術(shù)，正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）能夠有效克服頻率選擇性衰落[1]，被廣泛運用于各種通信系統(tǒng)，如LTE、IEEE 802.11p和 IEEE 802.11n。多輸入多輸出（multipleinput multiple-output，MIMO）技術(shù)利用在發(fā)送端和接收端放置多根天線提高系統(tǒng)容量。OFDM和MIMO技術(shù)的結(jié)合是未來寬帶無線通信技術(shù)發(fā)展的主流[1,2]。

在無線通信系統(tǒng)中，頻譜資源是最寶貴的，目前6 GHz以下頻段已經(jīng)相當(dāng)擁擠。主流通信系統(tǒng)中，LTE-TDD（long term evolution-time division duplex）的工作頻段為3.8 GHz以下[3]，而無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）的工作頻段為 2.4 GHz和5.9 GHz[4]。由此可見在6～15 GHz頻段中，還有相當(dāng)大一部分可用于移動通信的頻段未被開發(fā)。高頻段無線通信系統(tǒng)的研究開發(fā)可為大容量、低速移動環(huán)境的無線通信提供可行的技術(shù)途徑，對未來移動通信的發(fā)展具有重要意義。另外，遠程會議、遠程醫(yī)療以及高清視頻點播等業(yè)務(wù)的發(fā)展，使得用戶對網(wǎng)絡(luò)速度的要求不斷提高。在參考文獻[5]中，東南大學(xué)對Gbit/s無線通信試驗系統(tǒng)進行設(shè)計，并完成了硬件實現(xiàn)；參考文獻[6]中，北京郵電大學(xué)面向IMTAdvanced系統(tǒng)的需求，對Gbit/s無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)進行研究及實現(xiàn)。

本文首先介紹基于MIMO-OFDM的高頻段Gbit/s通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，然后對同步、信道估計和多天線檢測等物理層關(guān)鍵算法進行簡要分析，最后介紹所搭建的系統(tǒng)演示平臺，并在室內(nèi)環(huán)境下對系統(tǒng)傳輸帶寬、傳輸速率等參數(shù)進行測試。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)物理層使用的OFDM技術(shù)，載波頻率為6.25 GHz，支持4發(fā)6收的MIMO傳輸，最大可支持4個數(shù)據(jù)流進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)物理層關(guān)鍵參數(shù)見表1。

圖1為系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)，在本系統(tǒng)中，一幀的長度為5 ms。每個幀包括下行鏈路子幀（downlink subframe）和上行鏈路子幀（uplink subframe）兩個子幀，分別對應(yīng) TDD雙工模式的下行和上行物理傳輸鏈路。兩種子幀之間的上行切換點（downlink to uplink switch point，DUSP）用于子幀類型的切換。每個子幀都以前綴（preamble）作為開頭，用來進行定時同步和頻偏估計。每個下行子幀有9個下行時隙，每個上行子幀有1個上行時隙。每個時隙的長度為 487.5 μs，其中包括 midamble、控制字（control word）以及數(shù)據(jù)符號 （data symbol），midamble用來進行當(dāng)前時隙的信道估計，控制字用來傳輸當(dāng)前鏈路的控制和反饋信息。

表1 系統(tǒng)物理層關(guān)鍵參數(shù)

系統(tǒng)基帶發(fā)射端結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括以下幾大模塊：LDPC編碼、交織、符號映射、插入導(dǎo)頻、插入midamble、插入前綴、傅里葉逆變換、加循環(huán)前綴、成型濾波等。除此之外，還有系統(tǒng)定時同步模塊、aurora封裝的rocket I/O接口模塊。

系統(tǒng)基帶接收端結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括以下幾大模塊：同步、信道估計、多天線檢測和LDPC解碼等。

3 物理層關(guān)鍵算法

3.1 粗同步

MIMO-OFDM系統(tǒng)需要在時間和頻率上取得同步，時間上的同步用來尋找OFDM幀的正確起始位置，頻率同步用來糾正載波頻偏[7～9]。本系統(tǒng)用二進制Golay互補序列作為前綴，通過求接收序列自相關(guān)值的方式得到粗同步點，在進行載波頻偏（carrier frequency offset，CFO）估計和矯正之后，利用矯正后的序列與本地序列的互相關(guān)獲得精同步點。

系統(tǒng)中整個同步硬件實現(xiàn)的流程如圖4所示。從天線接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，通過計算相關(guān)值模塊及能量檢測模塊后得到粗同步符號定時d_est。一方面將得到的粗同步定時d_est送入FIFO1隊列的粗定時控制；另一方面將粗同步定時d_est對應(yīng)的相關(guān)值送入頻偏估計模塊，計算估計頻偏，并將計算得到的載波頻偏估計值送入FIFO2隊列輸出的頻偏矯正模塊。將校正后的數(shù)字信號同時送入精同步和FIFO3隊列，根據(jù)精同步計算的符號精同步定時，確定出精確的FFT窗，去CP后經(jīng)過快速傅里葉變換得到整個同步硬件模塊的頻域輸出數(shù)據(jù)并送入下一個功能模塊中。

3.2 信道估計

在不存在虛載波的情況下，最優(yōu)導(dǎo)頻是等能量，在頻域中等間隔分布，不同天線的導(dǎo)頻之間相互正交[10,11]。但在實際系統(tǒng)中，存在虛載波。一是由于直流（direct current，DC）偏移，DC子載波不用來傳輸數(shù)據(jù)，二是頻帶兩邊的高頻部分作為保護頻帶，也不用來傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)存在虛載波時，均勻分布的導(dǎo)頻有些會落入虛載波區(qū)域，上述滿頻時的最優(yōu)導(dǎo)頻不再適用[12]。本文采用GCL（generalized chirp-like，廣義線性調(diào)頻）序列作為導(dǎo)頻序列[13]，GCL序列在頻域和時域中都是恒模，具有理想的自相關(guān)特性，由于GCL序列在時域中恒模，能夠得到較低的峰均比（peak-to-average power ratio，PAPR）。本系統(tǒng)使用 LS（leastsquare，最小二乘）估計算法得到導(dǎo)頻上的信道響應(yīng)后，采用3次樣條方式插值得到中間頻率的信道響應(yīng)。

3.3 MIMO檢測

MIMO的應(yīng)用可以通過發(fā)送多個獨立子流來提高系統(tǒng)吞吐量，但這也帶來多天線檢測的復(fù)雜度。次優(yōu)的譯碼算法有迫零 （zero forcing，ZF）算法、最小均方誤差 （minimum mean squared error，MMSE）算法和有序的連續(xù)干擾消除（ordered successive interference cancellation，OSIC）算法等[14,15]，最優(yōu)的算法如球形譯碼算法的復(fù)雜度過高[16]。經(jīng)過前期的仿真工作得出結(jié)論：在4發(fā)6收天線的MIMO-OFDM系統(tǒng)中，ZF算法和MMSE算法的性能差異很小，最終選擇復(fù)雜度較小的ZF-SQR（多次排序）檢測算法作為最終硬件實現(xiàn)的首選方案。

4 系統(tǒng)硬件平臺

系統(tǒng)硬件演示平臺主要以DE3-340開發(fā)板為基礎(chǔ)，搭建和實現(xiàn)包括基帶、AD/DA及射頻單元的完整寬帶無線通信系統(tǒng)。圖5是以4塊DE3-340單板為基礎(chǔ)通過HSTC接口互連實現(xiàn)的支持MIMO的基帶硬件平臺。

4塊基帶處理板中，包含1塊主處理板、2塊協(xié)處理板和1塊業(yè)務(wù)接口板。另外，基帶系統(tǒng)還包括6塊數(shù)模轉(zhuǎn)換子板 （DCC）、1塊吉比特以太網(wǎng)接口板 （ETH）以及DDP SDRAM擴展存儲條。

該高頻段Gbit/s無線傳輸系統(tǒng)選擇的DE3-340芯片的片外RAM為1 GB。邏輯資源分配與模塊劃分設(shè)計為：DE3主處理板實現(xiàn)簡單的MAC層控制、編碼 （交織/解交織、LDPC編碼），信道估計與MIMO解復(fù)用以及系統(tǒng)控制；DE3擴展板#1&2實現(xiàn)AGC、濾波、同步、頻偏矯正、解碼、FFT/IFFT等在各通道本地完成。

射頻部分由6塊中心頻率為6.25 GHz、工作帶寬為100 MHz的射頻收發(fā)單板構(gòu)成。單通道天線發(fā)射功率不低于0.1 W。射頻模塊需要提供收發(fā)切換控制，切換控制時延不大于5μs，另外提供 AGC、APC控制信號，控制調(diào)整周期不大于0.5 ms。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試在室內(nèi)環(huán)境下進行。每個設(shè)備都配備6副天線，設(shè)備之間相距7.8 m，為視距傳播環(huán)境。兩臺設(shè)備之間進行點對點數(shù)據(jù)傳輸，從而對相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)進行測試。

5.1 系統(tǒng)傳輸帶寬測試

設(shè)置系統(tǒng)硬件平臺，使其采用16QAM在100 MHz帶寬下傳輸數(shù)據(jù)。待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，調(diào)整矢量信號分析儀的中心頻率，將頻率掃描帶寬設(shè)置為200 MHz，觀察矢量信號分析儀上的測試結(jié)果，如圖6所示。

由圖6可知，信號帶寬為100 MHz，符合設(shè)計要求。

5.2 系統(tǒng)傳輸速率測試

設(shè)置系統(tǒng)硬件平臺，使其調(diào)制方式為16QAM，編碼速率為5/6，傳輸4個子流的數(shù)據(jù)。待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，使用軟件對系統(tǒng)下行鏈路數(shù)據(jù)流量進行統(tǒng)計，每隔1 s記錄一次系統(tǒng)瞬時傳輸速率，共記錄10 min。軟件的可視化界面上會顯示系統(tǒng)的實時工作狀態(tài)，從中可以反映出系統(tǒng)的瞬時數(shù)據(jù)速率，可視化界面如圖7所示。

系統(tǒng)瞬時速率隨時間變化的曲線如圖8所示。

將觀測時間內(nèi)數(shù)據(jù)速率的最大值、最小值以及平均值列于表2中。由圖8和表2可知，系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)速率為801.3 Mbit/s，平均速率為 790.3 Mbit/s。

由測試結(jié)果可知，實際測得的4天線通路下的下行傳輸速率略低于表1給出的理論值，原因是存在一部分以太網(wǎng)開銷。

表2 系統(tǒng)傳輸速率測試結(jié)果（觀測時長600 s，樣本數(shù)600，樣本間隔1 s）

在測試過程中，系統(tǒng)接收端通過信道估計得到的信道矩陣會出現(xiàn)不滿秩的情況，此時系統(tǒng)不能以4個子流進行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過初步分析，認為造成這一問題的原因是設(shè)備天線布局不合理。在后續(xù)的工作中，將圍繞這一問題對整套系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化。

6 結(jié)束語

為了解決目前6 GHz以下頻段擁擠的問題，滿足日益增長的高速率無線通信的需求，本文設(shè)計了基于MIMO-OFDM的高頻段Gbit/s通信系統(tǒng)。描述了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，并對同步、信道估計和多天線檢測等物理層關(guān)鍵算法進行了簡要的介紹。所設(shè)計的系統(tǒng)在FPGA硬件平臺上得到實現(xiàn)，并在室內(nèi)環(huán)境下對系統(tǒng)的傳輸帶寬、傳輸速率等參數(shù)進行測試。測試結(jié)果表明，搭建的硬件平臺基本符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

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