基于MIMO-OFDM的高頻段Gbit/s通信系統設計和實現*

彭俊宇 ，蔡孫增 ，朱正航 ，徐 景 ，周 婷

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海 200050；2.中國科學院無線傳感網與通信重點實驗室 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用技術，正交頻分復用（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，如LTE、IEEE 802.11p和 IEEE 802.11n。多輸入多輸出（multipleinput multiple-output，MIMO）技術利用在發送端和接收端放置多根天線提高系統容量。OFDM和MIMO技術的結合是未來寬帶無線通信技術發展的主流[1,2]。

在無線通信系統中，頻譜資源是最寶貴的，目前6 GHz以下頻段已經相當擁擠。主流通信系統中，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（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，還有相當大一部分可用于移動通信的頻段未被開發。高頻段無線通信系統的研究開發可為大容量、低速移動環境的無線通信提供可行的技術途徑，對未來移動通信的發展具有重要意義。另外，遠程會議、遠程醫療以及高清視頻點播等業務的發展，使得用戶對網絡速度的要求不斷提高。在參考文獻[5]中，東南大學對Gbit/s無線通信試驗系統進行設計，并完成了硬件實現；參考文獻[6]中，北京郵電大學面向IMTAdvanced系統的需求，對Gbit/s無線傳輸關鍵技術進行研究及實現。

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

2 系統結構

本系統物理層使用的OFDM技術，載波頻率為6.25 GHz，支持4發6收的MIMO傳輸，最大可支持4個數據流進行數據傳輸。系統物理層關鍵參數見表1。

圖1為系統的幀結構，在本系統中，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 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）以及數據符號 （data symbol），midamble用來進行當前時隙的信道估計，控制字用來傳輸當前鏈路的控制和反饋信息。

表1 系統物理層關鍵參數

系統基帶發射端結構如圖2所示，主要包括以下幾大模塊：LDPC編碼、交織、符號映射、插入導頻、插入midamble、插入前綴、傅里葉逆變換、加循環前綴、成型濾波等。除此之外，還有系統定時同步模塊、aurora封裝的rocket I/O接口模塊。

系統基帶接收端結構如圖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 物理層關鍵算法

3.1 粗同步

MIMO-OFDM系統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]。本系統用二進制Golay互補序列作為前綴，通過求接收序列自相關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獲得精同步點。

系統中整個同步硬件實現的流程如圖4所示。從天線接收的數據經過A/D轉換得到數字信號，通過計算相關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對應的相關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。將校正后的數字信號同時送入精同步和FIFO3隊列，根據精同步計算的符號精同步定時，確定出精確的FFT窗，去CP后經過快速傅里葉變換得到整個同步硬件模塊的頻域輸出數據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，最優導頻是等能量，在頻域中等間隔分布，不同天線的導頻之間相互正交[10,11]。但在實際系統中，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據，二是頻帶兩邊的高頻部分作為保護頻帶，也不用來傳輸數據。當存在虛載波時，均勻分布的導頻有些會落入虛載波區域，上述滿頻時的最優導頻不再適用[12]。本文采用GCL（generalized chirp-like，廣義線性調頻）序列作為導頻序列[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）。本系統使用 LS（leastsquare，最小二乘）估計算法得到導頻上的信道響應后，采用3次樣條方式插值得到中間頻率的信道響應。

3.3 MIMO檢測

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

4 系統硬件平臺

系統硬件演示平臺主要以DE3-340開發板為基礎，搭建和實現包括基帶、AD/DA及射頻單元的完整寬帶無線通信系統。圖5是以4塊DE3-340單板為基礎通過HSTC接口互連實現的支持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塊協處理板和1塊業務接口板。另外，基帶系統還包括6塊數模轉換子板 （DCC）、1塊吉比特以太網接口板 （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計為：DE3主處理板實現簡單的MAC層控制、編碼 （交織/解交織、LDPC編碼），信道估計與MIMO解復用以及系統控制；DE3擴展板#1&2實現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的射頻收發單板構成。單通道天線發射功率不低于0.1 W。射頻模塊需要提供收發切換控制，切換控制時延不大于5μs，另外提供 AGC、APC控制信號，控制調整周期不大于0.5 ms。

5 系統測試

系統測試在室內環境下進行。每個設備都配備6副天線，設備之間相距7.8 m，為視距傳播環境。兩臺設備之間進行點對點數據傳輸，從而對相關系統參數進行測試。

5.1 系統傳輸帶寬測試

設置系統硬件平臺，使其采用16QAM在100 MHz帶寬下傳輸數據。待系統工作穩定后，調整矢量信號分析儀的中心頻率，將頻率掃描帶寬設置為200 MHz，觀察矢量信號分析儀上的測試結果，如圖6所示。

由圖6可知，信號帶寬為100 MHz，符合設計要求。

5.2 系統傳輸速率測試

設置系統硬件平臺，使其調制方式為16QAM，編碼速率為5/6，傳輸4個子流的數據。待系統工作穩定后，使用軟件對系統下行鏈路數據流量進行統計，每隔1 s記錄一次系統瞬時傳輸速率，共記錄10 min。軟件的可視化界面上會顯示系統的實時工作狀態，從中可以反映出系統的瞬時數據速率，可視化界面如圖7所示。

系統瞬時速率隨時間變化的曲線如圖8所示。

將觀測時間內數據速率的最大值、最小值以及平均值列于表2中。由圖8和表2可知，系統的最大數據速率為801.3 Mbit/s，平均速率為 790.3 Mbit/s。

由測試結果可知，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開銷。

表2 系統傳輸速率測試結果（觀測時長600 s，樣本數600，樣本間隔1 s）

在測試過程中，系統接收端通過信道估計得到的信道矩陣會出現不滿秩的情況，此時系統不能以4個子流進行數據傳輸。經過初步分析，認為造成這一問題的原因是設備天線布局不合理。在后續的工作中，將圍繞這一問題對整套系統進行進一步優化。

6 結束語

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，本文設計了基于MIMO-OFDM的高頻段Gbit/s通信系統。描述了系統的基本結構，并對同步、信道估計和多天線檢測等物理層關鍵算法進行了簡要的介紹。所設計的系統在FPGA硬件平臺上得到實現，并在室內環境下對系統的傳輸帶寬、傳輸速率等參數進行測試。測試結果表明，搭建的硬件平臺基本符合系統的設計要求。

1 Mody A N,Stuber G L.Synchronization for MIMO OFDM systems.Proceedings of IEEE GLOBECOM’01,San Antonio,TX,USA,2001:509～513

2 Mody A N,Stuber G L.Receiver implementation for a MIMO OFDM system.Proceedings of IEEE GLOBECOM’02,Taipei,Taiwan,China,2002:716～720

3 3GPP TS 36.104-2013.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Base Station(BS)Radio Transmission and Reception(Release 11),2013

4 IEEE Std 802.11-2007. IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks-Specic Requirements Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specications,2007

5 王向陽,趙艷杰.Gbit/s試驗系統中高速串行接口的設計與實現.現代電子技術,2008,31(22):4～7

6 張平,王勇,陶小峰等.Gbit/s無線傳輸關鍵技術及試驗驗證系統.中國通信,2010(1):99～103

7 Schenk T C W,Van Zelst A.Frequency synchronization for MIMO OFDM wireless LAN systems.Proceedings of IEEE 58th VTC 2003-Fall,Orlando,FL,USA,2003:781～785

8 Stuber G L,Barry J R,McLaughlin S W,et al.Broadband MIMO-OFDM wireless communications.Proceedings of the IEEE,2004,92(2):271～294

9 Van Zelst A,Schenk T C W.Implementation of a MIMO OFDM-based wireless LAN system.IEEE Transactions on Signal Processing,2004,52(2):483～494

10 Barhumi I,Leus G,Moonen M.Optimal training design for MIMO OFDM systems in mobile wireless channels.IEEE Transactions on Signal Processing,2003,51(6)

11 Minn H,Al-Dhahir N.Optimal training signals for MIMO OFDM channel estimation. IEEE Transactions on Wireless Communications,2006,5(5)

12 Hu D,Yang L X,Shi Y H,et al.Optimal pilot sequence design for channel estimation in MIMO OFDM systems.IEEE Communications Letters,2006,10(1)

13 Lee D H.OFDMA uplink ranging for IEEE 802.16e using modified generalized chirp-like polyphase sequences.Proceedings of the First IEEE and IFIP International Conference in Central Asia on Source,Bishkek,2005

14 Li X,Huang H,Foschini G J,et al.Effects of iterative detection and decoding on the performance of BLAST.Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference,San Francisco,USA,2000:1061～1066

15 Chiueh T D,Tsai P Y.OFDM Baseband Receiver Design for Wireless Communications.Wiley,2007

16 Lai I W,Ascheid G,Meyr H,et al.Efficient channel-adaptive MIMO detection using just-acceptable error rate. IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(1):73～83