作者：CEVA高级硬件系统架构师- Noam Dvoretzki，CEVA高级通信算法工程师- Zeev Kaplan
对于改进数据速率和/或信噪比，多输入和多输出(MIMO)是领先的方法之一。通过使用多个接收和发送天线，MIMO可利用无线信道的多样性。对于任何给定的信道带宽，这可用于提高信道的频谱效率并改进数据速率。
MIMO的规格取决于发送和接收天线的数量。在一个4×4MIMO配置中，使用了四个发送天线和四个接收天线。这在同样信道带宽上实现了(在合适的条件下)高达四倍的数据传输。
一方面，简单的MIMO接收器基于线性接收器算法，其易于实现但无法完全利用MIMO的好处。另一方面，使用迭代法，可以实现最佳的最大后验概率近似MIMO算法；然而，这会导致高延时的不足。一种更加实用的非线性MIMO接收器的实施途径是最大似然(MaximumLikelihood,ML)或最大似然检测器(MaximumLikelihoodDetector,MLD),它在根本上是基于一个彻底的并列搜索。MLD在处理方面比传统线性接收器要求更高，但对于相同的信道条件，可提供明显更高的比特率。另外，对于具有天线相关性的信道，MLD更稳健可靠。
使用高阶MIMO规格(超过两个接收和两个发送天线)可以导致显著的频谱效率改进——但这也有其成本代价：随着MIMO规格的增加，MLD接收器的计算复杂性以指数方式增加。高阶MIMO要求相当大的处理能力——对于这一点，直接的MLD方法是不切实际的，必须使用次优(suboptimal)MLD算法来实现用户设备(UserEquipment，UE)的实施。
次优ML接收器
次优ML接收器试图以更有效的方法来扫描可能的传送信号，从而减少整体复杂性并达到接近ML精度的结果。减少复杂性有助于根据大小和功率进行更加实际的硬件实施。这还使硬件能够保持由先进通信标准规定的高吞吐量。
次优ML方程式的解决可定义为一种树形搜索，其中树的每一个层级对应于一个发送符号。每个节点的分支突出数匹配QAM或发送符号的调制。一个4×4MIMO配置可由一个四层树表示。假如调制为BPSK，每个节点将包含两个分支。
一旦定义了树的符号，可以部署树遍历算法，借用其它领域比如计算机科学。
关于此点，次优ML接收器可划分为两个主要类型：
1.横向优先搜索
2.深度优先搜索
横向优先搜索
横向优先的一个例子就是K-best算法。该解码器是一个固定复杂性解决方案，从树根开始并上行，直至它达到树的最后一层。在树的每层上，对所有选择的分支进行了评估并保留K留存节点，匹配最佳解决方案(代表了最接近接收信号的符号)——因此得名“K-best”。K剩余树叶然后就用于生成LLR结果。
该解码器的优点是：
*单向流有助于硬件的简易流水线实施。
*计算每层所需要的处理能力是恒定的，且直接与实施中所选的留存节点(K)的数量相关。
*数据吞吐量是恒定的，其反过来简化了在系统中计划的数据流
该解码器的缺点包括：
*需要大面积实施以便评估和分类所有选择的层级节点。
*精度要求越高，所需要的K值越高。
*在最佳SNR条件中，数据吞吐量不会增加。
*不能保证达到ML解决方案，因为最佳解决方案可能存在于没有选择的节点中。
下述图表显示了一个采用QPSK调制的MIMO4×4(4-层)树。在此例子中，K为四。树的每层将分为十六个节点。最好的四个将会是用于下一层的留存节点。
深度优先搜索
深度优先的一个例子就是软输出球解码(Soft-Out putSphereDecoder)算法。此解码器是一种自适应复杂性解决方案，从树根开始并首先直接上升到树叶——因此得名“深度优先”。该树的优先解决方案确定了初始搜索半径或范围。从那时起，解码器在整个树层中追溯并上升。对树的每个超出搜索半径的节点及其下面的所有节点进行修整。每次找到一个更好的解决方案，相应地减少半径范围。以此方法，扫描并修整了符号树，直至有效选项数量减少。余下的符号代表了ML解决方案。
此解码器的优点是：
*可保证获得ML解决方案，有助于结果精确度。
*在高SNR条件下，解码器运行更快，增加了数据吞吐量并降低了功耗。
*相比同等的横向优先解决方案，可在更小区域内实施。
图3显示了具有自适应复杂性软输出球解码器与固定复杂性K-best解码器间的循环计数比较。因为SNR增加，球解码器将减少它的循环计数，而固定复杂性将保持不变，无论信道条件如何。
图3：固定对自适应复杂性。
该解码器的缺点包括：
*解码器的非确定性表现使系统计划复杂化。
*仅在当前分支完成后才知道下一个分支选择。这使得硬件传递途径的实施受到挑战。
图4显示了一个采用QPSK调制的MIMO4×4(4层)树例子。
1.深度优先以下列方式选择到第一个树叶的符号路径：a.-3(层1)；b.-3(层2)；c.1(层3)；d.3(层4)
2.更新了初始半径
3.追溯执行到第二层的一个符号
4.在搜索期间，修整了超出搜索半径的分支(红色所示)，因此使搜索树最小化。
图4：球解码树遍历。
CEVA解决方案
CEVA通过推出最大似然MIMO检测器(MLD)来应对MIMO接收器的挑战。该MLD是紧密耦合扩展加速器硬件单元。该MLD能够处理LTE——先进的Cat.7数据流并产生软输出最大对数解决方案。
该MLD加速器达到了次优最大似然(ML)解决方案，可用于4×4或3×3MIMO@12.6Mega-tones/秒，使用软输出球解码器方法，以及2×2基于LORD的ML解决方案@28.8Mega-tones/秒，使用载波聚合。该MLD设计用于移动应用，强调低功耗设计理念。
功能集
MLD功能集包括对以下的支持：
*从2×2到4×4MIMO的可变传输模式，且每层可配置的调制高达64QAM。
*三种搜索优化：每个树层的用户自定义层排序，初始半径和搜索半径。
*通过提供吞吐量控制能力，CEVAMLD解决了软输出球解码的非确定性质，包括用于音调处理的上下循环计数界线。另外，使用用户自定义的基于时间标记的终端来保持系统吞吐量。
*可以扩展软比特来补偿SNR和调制因数。
*在内部符号和内层解决方案中提供对LLR排列的支持
*内层解映射：支持两个代码层，使MLD能够将所写数据拆分到两个不同的目的地。
*可扩展的硬件解决方案实现了性能/功率/面积的权衡，包括选择MLD引擎的数量、缓冲器大小和接口时钟比率。
另外，加速器提供了广泛的调试和性能分析能力。
MLD加速器方框图
图5描述了MLD加速器的方框图，其包含了一个AXI接口、输入缓冲器、分配器、最大似然引擎(MaximumLikelihoodEngine，MLE)、LLR发生器、重排序缓冲器和输出缓冲器。
输入缓冲器存储了大量的音调数据，通过分配器，每次传送一个音调到MLE。每个MLE输出有关检测到的比特数据；这进而通过LLR发生器转化为LLR格式。重排序缓冲器积累LLR数据，以便传输和发送有序的输出到输出缓冲器中。输出缓冲器通过AXI接口将LLR写到接收链中的下一个模块。
图5：MLD加速器方框图。
MLD性能
图6描述了与MMSE接收器相比较的CEVAMLDTCE的性能，使用了4×4空间复用MIMO。封包出错率中的吞吐量可在不同的SNR条件下评估。LTE信道设置在EPA5Hz和低相关传播条件上。
图6：4×4MIMO空间复用性能。
CEVA的解决方案获得接近ML的结果，而MMSE遭受严重的性能下降，即便在低相关条件下。对于更高的相关条件，MMSE将会进一步恶化。
相比之下，具有类似性能的K-best解决方案将需要超过两倍的CEVAMLDTCE范围。
CEVAMLDTCE包含了：
*相比单纯的ML解码，MIMO4×4具有低于1.5dB损失的极佳精确度。
*无精度损失解码MIMO2×2(LORD同等性能和复杂性)。
*超低功耗设计。
*有竞争力的芯片尺寸。
图7描述了4×4MIMO的性能，采用64-QAM调制，SM在最高编码速率下。即使在这些条件下，相比理想的ML结果，CEVAMLDTCE仍提供了低于1.5dB的精度损失。
图7：MLD4×4MIMO的性能。
图8说明了SM在最高编码速率下的2×2MIMO的性能，采用64-QAM调制。CEVAMLDTCE提供完美的ML性能。
结论
本文展示MLD接收器实现了优于线性接收器的结果，但当选择MLD实施时，仍有许多因素需要考虑。MLD接收器设计人员必须选择最合适的解决方案用于所需的应用，要考虑以下因素：
*精度目标和吞吐量要求：需要一个用户可配置的解决方案，以便快速获得高质量LLR。
*延迟定义：需要可定义的系统计划，以便在规定的时间内完成任务——例如，通过使用时间标记。
*信道类型快/慢时间变化：快速时间变化信道将需要频繁更新信道信息的能力。
*硬件考虑：大小、速度(MHz)和功耗。
*需要可扩展的硬件解决方案来满足小面积和低功耗需求。
(审核编辑: 小王子)
