Real - time base band processing architectures for wireless MIMO communication systems
Authors: Καραχάλιος Αθανάσιος 
Published: September 2021

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.