闕志達臺灣大學:電子工程學研究所廖椿豪Liao, Chun-HaoChun-HaoLiao2010-07-142018-07-102010-07-142018-07-102009U0001-0308200916364800http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/189163本論文提出一高天線數、軟性輸出、可重置式多輸入多輸出偵測器之晶片設計。此多輸入多輸出偵測器晶片具有多項重要的特色(Key feature)：.採用新式高效能球面解碼演算法.支援8x8 64QAM高天線數高調變系統.支援軟性輸出(Soft-output)以及迭代候選人列表(Candidate list)輸出.可重置式設計，支援多種天線數及調變數系統，共21種模式較於其他已發表晶片，功率消耗最低演算法階段，本論文採用”改良式 最佳優先搭配快速向下搜尋(Modified best-first with fast decent, MBF-FD)演算法”，大幅提升球面解碼器之搜尋效能。在硬體設計方面，本論文針對新式演算法提出多項新式硬體架構，如”管線式四元雙堆積架構(Pipelined quad-deap)”等大幅增加硬體效能。並採用許多電路設計技巧，如華倫斯數(Wallace tree)、布斯編碼(Booth Encoding)、閘式時脈(Gated clock)來達到低功率、高速、低複雜度的晶片設計。本晶片是目前已發表的多輸入多輸出偵測器晶片中，唯一可以支援8x8 64QAM高天線數高調變系統之晶片。本晶片相容於軟性輸入錯誤更正碼(Soft-input error correcting codes)及迭代式解碼架構(Iterative decoding)，並能支援2x2, 3x3, …8x8所有天線，QPSK, 16QAM, 64QAM等所有調變組合。本晶片透過國家晶片中心，已於CIC T13L-97B梯次下線，並實際利用國家晶片中心機台量測，晶片最高操作時脈可達198MHz，輸出率可達296.6Mbps。跟其他已發表之MIMO球面解碼晶片相比較，本晶片之消耗功率也最低，效能相當優異。In this work, VLSI implementation of a configurable, soft-output MIMO detector is presented. The proposed IC can support up to 8?8 64QAM spatial multiplexing MIMO communications, which surpasses all reported MIMO detector ICs in antenna number and modulation order. Moreover, this chip provides configurable antenna number from 2?2 up to 8?8 and modulation order from QPSK to 64QAM. Its outputs include bit-wise log likelihood ratios (LLRs) and a candidate list, making it compatible with powerful soft-input decoders and iterative decoders. The MIMO detector adopts a novel sphere decoding algorithm with high decoding efficiency and better error rate performance, called modified best first with fast descent (MBF-FD). Moreover, a low-power pipelined quad-DEAP circuit for efficient node pool management and several circuit techniques are implemented in this chip. When this IC is configured as 4?4 64 QAM and 8?8 64QAM soft-output MIMO detectors, it achieves average throughputs of 297Mbps and 207.1Mbps with only 58.2mW and 74.8mW respective power consumption and negligible performance degradation (less than 0.1dB in SNR).第一章 緒論 1.1. 研究背景 1.2. 研究動機 3.3. 論文簡介 4.4. 論文組織介紹 6二章 多輸入多輸出系統介紹 7.1. 多輸入多輸出(MIMO)系統 7.1.1. 系統簡介 8.1.2. 信號模型 8.1.3. 通道容量(Channel Capacity) 9.1.4. 時空編碼(Space-Time Coding) 11.2. 多輸入多輸出信號解碼(MIMO DETECTION) 13.2.1. 線性解碼 13.2.1.1. 強制歸零(Zero-Forcing, ZF) 13.2.1.2. 最小均方錯誤(Minimum Mean Square Error, MMSE) 14.2.2. 線性適應多輸入多輸出訊號偵測 14.2.2.1. 最小均方(Least Mean Square) 15.2.2.2. 遞迴最小平方(Recursive Least-Squares) 15.2.3. 非線性解碼 16.2.3.1. 縱向貝爾實驗室多層時空編碼(V-BLAST) 16.2.3.2. 窮極搜尋演算法 17.2.3.3. 球面解碼演算法(Sphere decoding) 18.3. 解碼輸出種類 19.3.1. 硬性解調輸出(Hard-output) 19.3.2. 軟性解調輸出(Soft-output) 19.4. 迭代式多輸入多輸出信號解碼(ITERATIVE MIMO DETECTION) 20.4.1. 架構簡介 20.4.2. 最大化事後機率準則位元解碼(MAP Bit Detection) 21.4.3. 最大對數值近似最大化事後機率準則(Max-log MAP) 23三章 球面解碼演算法 25.1. 球面解碼演算法(SPHERE DECODING ALGORITHM) 26.1.1. 球面演算法介紹 26.1.2. 球面限制(Sphere Constraint) 28.1.3. 前置處理(Preprocessing) 31.1.3.1. 通道矩陣三角化(QR decomposition) 31.1.3.2. 通道矩陣欄能量排序 35.1.3.3. 樹狀搜尋(Tree Search) 36.2. 樹狀搜尋演算法 37.2.1. 傳統樹狀搜尋法 37.2.1.1. 深度優先演算法(Depth-First Algorithm) 38.2.1.2. 廣度優先演算法(Breadth-First Algorithm) 40.2.1.3. 最佳優先演算法(Best-First Algorithm) 41.2.1.4. 傳統球面解碼演算法之分析 42.2.2. 新式複數平面球面解碼演算法[36] 44.2.2.1. 改良式最佳優先樹狀搜尋法[31] 44.2.2.2. 改良式 最佳優先搭配快速向下搜尋[36] 46.2.2.3. 搜尋中止條件 47.3. 軟性輸出及迭代解碼架構 48.3.1. 軟性輸出 48.3.2. 迭代解碼架構 50.4. 演算法效能比較 51.4.1. 模擬參數 51.4.1.1. 錯誤更正碼(Error Correcting Code) 51.4.1.2. 交錯器(Interleaver) 52.4.1.3. 對應器(Mapper) 52.4.1.4. 通道(Channel) 53.4.2. 效能比較 54.4.2.1. 個別演算法效能分析 54.4.2.2. 演算法效能綜合比較 62四章 硬體架構及設計技巧介紹 69.1. 系統架構 69.2. 系統操作流程 70.3. 各電路單元介紹 71.3.1. 待選節點集合(Node Pool) 72.3.1.1. 管線式四元雙堆積外加最佳節底緩衝器架構 73.3.1.1.1. 雙堆積資料結構(Deap structure) 74.3.1.1.2. 管線式雙堆積資料結構(Pipelined deap structure) 76.3.1.1.3. 四元雙堆積架構及最佳節點緩衝器 77.3.1.2. 硬體設計技巧 80.3.1.2.1. 比較器共用 81.3.1.2.2. 低功率設計 82.3.1.3. 效能比較 83.3.1.3.1. 複雜度及輸出率比較 83.3.1.3.2. 功率比較 84.3.2. 天線間干擾消除單元(IAI cancellation unit) 85.3.2.1. 天線間干擾消除運算重整 86.3.2.2. 最長延遲路徑最佳化 88.3.2.3. 效能比較 90.3.3. 表列舉單元(Tabular enumeration unit) 91.3.3.1. 表列舉演算法介紹 92.3.3.1.1. 方格形分割表列舉演算法[32] 92.3.3.1.2. 三角形分割表列舉演算法[31] 93.3.3.1.3. 表列舉演算法效能 94.3.3.2. 表內容縮減 95.3.3.2.1. 統一表輔以邊界檢查(Uniform table with boundary) 96.3.3.2.2. 統一表對稱關係 97.3.3.2.3. 統一表與個別表儲存量比較 98.3.3.2.4. 統一表查表需要周期數討論 98.3.3.3. 統一表列舉單元硬體架構 99.3.4. 最佳子節點及次佳鄰節點運算單元 102.3.4.1. 最佳子節點運算單元 104.3.4.1.1. 簡化版窮極搜尋演算法(Simplified exhaustive search) 105.3.4.1.2. 最佳子節點運算單元硬體架構 107.3.4.1.3. 效能比較 108.3.4.2. 次佳鄰節點運算單元 108.3.4.2.1. 簡化版表列舉 109.3.4.2.2. 次佳鄰節點運算單元硬體架構 110.3.4.2.3. 效能比較 111.3.5. 軟性輸出及候選人列表輸出單元 112.3.5.1. 軟性輸出產生單元 112.3.5.2. 候選人列表輸出單元 115五章 晶片實現 119.1. 晶片設計流程 119.2. 定點數模擬 120.3. 系統規格 122.4. 晶片佈局圖及打線圖 123.5. 硬體驗證 124.6. 晶片測試考量 126.7. 晶片量測結果 127.8. 晶片效能比較 129六章 結論與展望 131考資料 1338457023 bytesapplication/pdfen-US無線通訊多輸入多輸出系統球面解碼Wireless communicationMultiple-input multiple-output system (MIMO)Sphere decodingthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/189163/1/ntu-98-R95943004-1.pdf