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Oktober 2012
Till Wiegand
Hardwareoptimierte Entwicklung nachrichtentechnischer Algorithmen zum Prototypenentwurf von Mobilfunkempfängern
Das Interesse am mobilen Internet und die Akzeptanz in der Gesellschaft bei seiner Nutzung wachsen von Jahr zu Jahr. Diese Entwicklung geht nicht zuletzt mit der vor Kurzem gestarteten Erfolgsgeschichte der Smartphones und Tablet-PCs einher. Der mit diesem Trend verbundene Anstieg des Datenaufkommens in den Mobilfunknetzen stellt die digitale Signalverarbeitung vor neue Herausforderungen. Ein maßgebliches Ziel ist die Steigerung der spektralen Effizienz. Die zur Datenübertragung nutzbare Bandbreite ist eine begrenzte Ressource und kann nur eingeschränkt zur Erhöhung der Datenübertragungsrate gesteigert werden. Einen grundlegenden Lösungsansatz bilden Mehrantennensysteme. Mit Mehrantennensystemen können, unter dem Einsatz mehrerer Sende- und/oder Empfangspfade, bei gleichbleibender Übertragungsbandbreite und Sendeleistung, der Datendurchsatz durch räumliches Multiplexen und die Zuverlässigkeit durch Nutzung von Diversität erhöht werden. Mit der Vergrößerung der Anzahl an Sendepfaden potenziert sich die Berechnungskomplexität der Signalverarbeitungsalgorithmen im Mobilfunkempfänger. Um neue Verfahren auch weiterhin als digitale Schaltungen abbilden und in Echtzeit berechnen zu können, muss eine hardwareoptimierte Algorithmenentwicklung erfolgen.
Die hardwareoptimierte Entwicklung wird in dieser Arbeit am Beispiel von Empfängeralgorithmen für den zellularen Mobilfunk, mit Orientierung an LTE, verfolgt. LTE ist der kommende Mobilfunkstandard des 3GPPs in Richtung 4G. Als Signalverarbeitungsblöcke werden maßgeblich die Synchronisation, die Kanalschätzung und die Datendetektion betrachtet. Neben einer theoretischen Aufarbeitung werden effiziente Algorithmen sowie Hardwarearchitekturen erarbeitet und FPGA-Umsetzungen gezeigt. Hervorzuheben sind die Entwicklung einer hybriden Synchronisation sowie die FPGA-Umsetzungen einer konfigurierbaren Korrelationseinheit, eines kubischen Spline Interpolators und einer QR-Zerlegung. Des Weiteren werden als MIMO (engl. Multiple Input Multiple Output) Detektoren der Sphere Detektor und der K-Best Detektor untersucht. Für den Sphere Detektor wird die Architektur einer in der Komplexität reduzierten Recheneinheit entworfen, und für den K-Best Detektor werden eine modifizierte partielle Euklidische Distanz und eine approximierte Sortierungsstrategie eingeführt. Abschließend wird die Architektur und FPGA-Umsetzung eines optimierten K + -Best Detektors vorgestellt.
Die hardwareoptimierte Entwicklung wird in dieser Arbeit am Beispiel von Empfängeralgorithmen für den zellularen Mobilfunk, mit Orientierung an LTE, verfolgt. LTE ist der kommende Mobilfunkstandard des 3GPPs in Richtung 4G. Als Signalverarbeitungsblöcke werden maßgeblich die Synchronisation, die Kanalschätzung und die Datendetektion betrachtet. Neben einer theoretischen Aufarbeitung werden effiziente Algorithmen sowie Hardwarearchitekturen erarbeitet und FPGA-Umsetzungen gezeigt. Hervorzuheben sind die Entwicklung einer hybriden Synchronisation sowie die FPGA-Umsetzungen einer konfigurierbaren Korrelationseinheit, eines kubischen Spline Interpolators und einer QR-Zerlegung. Des Weiteren werden als MIMO (engl. Multiple Input Multiple Output) Detektoren der Sphere Detektor und der K-Best Detektor untersucht. Für den Sphere Detektor wird die Architektur einer in der Komplexität reduzierten Recheneinheit entworfen, und für den K-Best Detektor werden eine modifizierte partielle Euklidische Distanz und eine approximierte Sortierungsstrategie eingeführt. Abschließend wird die Architektur und FPGA-Umsetzung eines optimierten K + -Best Detektors vorgestellt.
Schlagwörter: LTE; OFDM; MIMO; FPGA; DSP
Forschungsberichte aus dem Institut für theoretische Elektrotechnik und Mikroelektronik, Arbeitsbereich Kommunikationselektronik. Universität Bremen
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Steffen Paul, Bremen
Band 1
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