Real - time base band processing architectures for wireless MIMO communication systems

Abstract

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication is a rapidly developing wireless technology which promises increased data-rates and link reliability with mobility and high quality-of-service (QoS) for multiple users. Several antennas at both transmitter and receiver increase the channel capacity with efficient bandwidth utilization, due to multiple data transmission over the same frequency bands. MIMO technologies, in combination with the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation, have been adopted by many wireless standards such as WiFi (IEEE-802.11n/ac), Long Term Evolution (3GPP-LTE) and WiMAX (IEEE-802.16e) and they expected to play a key role in the upcoming WiFi (IEEE-802.11ax) standard and in the fifth generation (5G) mobile phone systems. Nevertheless, the advantages provided by MIMO technologies come at the expense of a substantial increase in the complexity mainly of the receiver, but in some cases also in the transmitter side, which has a major impact on the implementation cost and power consumption of MIMO-OFDM systems.The modern integrated circuits has increased transistor capacity due to the advanced sub-micron technology, which provide the flexibility to design a single chip to support multiple protocols, with a Software Defined Radio (SDR) architecture. In a SDR system the computational intensive and time-critical processes are mapped to hardware accelerator units, which should have various operational modes and run-time reconfigurations to support the system requirements of multiple protocols. Furthermore, these hardware units should have increased scalability, low complexity and implementation cost and reduced power consumption to support SDR systems running on battery. Therefore, the design of low-complexity and power optimal SDR and MIMO architectures is an important issue, which is tackled throughout this thesis.The first part of this dissertation presents the state of the art FFT architectures for OFDM systems with multiple data streams (MIMO-OFDM). A detailed analysis in terms of complexity, scalability, implementation cost and power consumption is presented and the possibility of SDR support is investigated, for these architectures. A novel memory-based FFT architecture is proposed with increased scalability and support for operation on advanced SDR systems. The efficient conflict-free addressing scheme reduces the complexity of the interconnection network and the memory requirements of the FFT processor, resulting in a low implementation cost and power consumption, even in the case of continuous-flow operation. The reconfigurable architecture can be tailored to match any SDR system requirements, while a scheduling mechanism can be used to optimize the processing latency of the FFT processor, based on run-time parameters.In the second part of this thesis MIMO detection architectures are investigated, in terms of complexity and error-rate performance. The computationally intensive task of tree node enumeration on sphere decoders is analyzed and the state of the art algorithms are presented, for the cases of hard decision detection and detection with the use of soft information. An advanced enumeration technique is proposed, for hard or soft sphere decoders, which can guarantee the optimal detection for all scenarios and channel conditions. The proposed method is based on a predefined visiting order, a single distance calculation unit and a tuned pruning metric, which increases the number of visiting nodes but with low computational requirements per node and reduced total complexity, for the detection process. The architecture of the proposed method is presented and the ASIC and FPGA implementation is compared with implementations of the state of the art optimal enumeration algorithms. The efficient architecture of the proposed technique leads to reduced implementation cost and power consumption, resulting in its potential use in more complex MIMO-OFDM systems.

Η χρήση πολλαπλών κεραιών σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα είναι μια άκρως αναπτυσσόμενη τεχνολογία η οποία υπόσχεται αυξημένη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων και αξιόπιστη διασύνδεση, για μεγαλύτερο αριθμό χρηστών με βελτιωμένη ποιότητα υπηρεσιών. Η πιο αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης οδηγεί σε αυξημένη χωρητικότητα καναλιού, με δεδομένη τη πολλαπλή χρήση των ίδιων συχνοτήτων, για τη μετάδοση δεδομένων. Η τεχνολογία πολλαπλών κεραιών μετάδοσης και λήψης (MIMO), σε συνδυασμό με τη διαμόρφωση ορθογώνιας πολυπλεξίας συχνότητας (OFDM) έχει υιοθετηθεί από πολλά σύγχρονα πρωτόκολλα ασύρματων επικοινωνιών, όπως το WiFi (IEEE-802.11n/ac), το LTE (3GPP-LTE) και το WiMAX (IEEE-802.16e) και αναμένεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στα συστήματα κινητών επικοινωνιών πέμπτης γενιάς (5G), καθώς και στο επόμενο πρωτόκολλο WiFi (IEEE-802.11ax). Παρά τα πλεονεκτήματα της χρήσης πολλαπλών κεραιών εκπομπής και λήψης, η συγκεκριμένη τεχνολογία αυξάνει σημαντικά τη πολυπλοκότητα του δέκτη και σε αρκετές περιπτώσεις και του πομπού, με αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους εφαρμογής και της κατανάλωσης ενέργειας στα συστήματα MIMO-OFDM.Η αυξημένη πυκνότητα σε τρανζίστορ, των σύγχρονων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, λόγω της τεχνολογίας λιθογραφίας με διαστάσεις μικρότερες του μικρόμετρου, παρέχει τη δυνατότητα υποστήριξης πολλαπλών πρωτοκόλλων ασύρματης επικοινωνίας σε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα, με τη χρήση αρχιτεκτονικών καθορισμένων σε λογισμικό (Software Defined Ratio - SDR). Σε τέτοιες αρχιτεκτονικές, οι υπομονάδες με μεγάλη πολυπλοκότητα ή με κρίσιμη καθυστέρηση για το σύστημα υλοποιούνται σε υλικό με τη μορφή μονάδων επιτάχυνσης. Τέτοιες μονάδες θα πρέπει να διαθέτουν πολλαπλούς τρόπους λειτουργίας και να είναι σε θέση να αναδιαμορφωθούν σε πραγματικό χρόνο, για να μπορούν να υποστηρίξουν τις απαιτήσεις πολλαπλών πρωτοκόλλων επικοινωνίας. Επιπλέον, οι μονάδες αυτές θα πρέπει να έχουν αυξημένη επεκτασιμότητα, μειωμένη πολυπλοκότητα και κόστος εφαρμογής και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας για να μπορούν να υποστηρίξουν συστήματα SDR με χρήση μπαταρίας. Επομένως, η σχεδίαση μονάδων χαμηλής πολυπλοκότητας με βελτιστοποιημένη κατανάλωση ενέργειας για συστήματα πολλαπλών κεραιών μετάδοσης και λήψης (MIMO) και συστήματα SDR είναι σημαντική και θα αντιμετωπιστεί στη παρούσα διατριβή.Στο πρώτο τμήμα της εργασίας παρουσιάζονται σύγχρονες αρχιτεκτονικές επεξεργαστή ταχυ-μετασχηματισμού Fourier (FFT), για συστήματα ορθογώνιας πολυπλεξίας συχνότητας (OFDM) με πολλαπλές ροές δεδομένων (υποστήριξη συστημάτων MIMO-OFDM). Η λεπτομερής ανάλυση των συγκεκριμένων αρχιτεκτονικών αφορά την πολυπλοκότητα, την επεκτασιμότητα, το κόστος εφαρμογής και τη κατανάλωση ενέργειας, καθώς επίσης ερευνάται και η πιθανότητα χρήσης των συγκεκριμένων αρχιτεκτονικών σε συστήματα SDR. Προτείνεται μια πρωτοποριακή αρχιτεκτονική επεξεργαστή FFT, βασισμένη σε μνήμη, με αυξημένη επεκτασιμότητα και δυνατότητα υποστήριξης πολύπλοκων συστημάτων MIMO-OFDM και SDR. Χρησιμοποιώντας ένα αποδοτικό σύστημα διευθυνσιοδότησης της μνήμης, με αποφυγή συγκρούσεων, είναι δυνατή η μείωση της πολυπλοκότητας του δικτύου διασύνδεσης και των απαιτήσεων του επεξεργαστή σε μνήμη, με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους εφαρμογής και της κατανάλωσης ενέργειας, ακόμα και στη περίπτωση λειτουργίας συνεχούς ροής δεδομένων. Η αναδιαμορφώμενη αρχιτεκτονική μπορεί να προσαρμοστεί με βάση τις απαιτήσεις ακόμα και των πιο πολύπλοκων συστημάτων SDR, ενώ ο μηχανισμός χρονοπρογραμματισμού του επεξεργαστή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση της καθυστέρησης της επεξεργασίας με τη χρήση παραμέτρων, που μπορούν να αλλάζουν κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής ερευνώνται αρχιτεκτονικές μονάδων αποκωδικοποίησης σήματος σε συστήματα πολλαπλών κεραιών εκπομπής και λήψης, με βάση τη πολυπλοκότητα και την απόδοσή τους. Αναλύεται η πολύπλοκη διεργασία της απαρίθμησης των κόμβων του δέντρου, σε αρχιτεκτονικές αποκωδικοποιητή σφαίρας και παρουσιάζονται σύγχρονοι αλγόριθμοι και τεχνικές για τις περιπτώσεις αποκωδικοποίησης με ή χωρίς τη χρήση πληροφορίας αξιοπιστίας, για τα λαμβανόμενα δεδομένα στο δέκτη. Προτείνεται ένας αποδοτικός αλγόριθμος απαρίθμησης κόμβων, ο οποίος μπορεί να εγγυηθεί την αποκωδικοποίηση μέγιστης πιθανοφάνειας, για αποκωδικοποιητές σφαίρας με ή χωρίς τη χρήση πληροφορίας αξιοπιστίας, για όλα τα πιθανά σενάρια λειτουργίας και συνθήκες καναλιού. Η προτεινόμενη λύση βασίζεται σε μια προκαθορισμένη σειρά επίσκεψης των κόμβων, σε μια και μόνο μονάδα υπολογισμού αποστάσεων, καθώς και σε κατάλληλα προσαρμοσμένη μετρική για το κλάδεμα του δέντρου. Η συγκεκριμένη τεχνική παρόλο που αυξάνει τον αριθμό των επισκέψιμων κόμβων, μειώνει την υπολογιστική πολυπλοκότητα ανά κόμβο και άρα τη συνολική πολυπλοκότητα της αποκωδικοποίησης. Επιπλέον, παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική για το συγκεκριμένο αλγόριθμο απαρίθμησης κόμβων και συγκρίνεται η υλοποίησή του σε ASIC και συσκευές FPGA με υλοποιήσεις σύγχρονων τεχνικών απαρίθμησης, που μπορούν να εγγυηθούν την αποκωδικοποίηση μέγιστης πιθανοφάνειας. Η αποδοτική υλοποίηση οδηγεί σε μείωση του κόστους εφαρμογής και της κατανάλωσης ενέργειας με αποτέλεσμα τη πιθανή χρήση της και σε πιο πολύπλοκα συστήματα MIMO-OFDM.