CN104301016A - 一种基于多核dsp的mimo并行检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多核DSP的MIMO并行检测方法及系统，涉及无线通信技术领域，本发明通过将DSP的N个核分为主控核和解调核，使得主控核发送的控制信息同时到达解调核，实现了并行处理，提高了MIMO的数据处理效率和数据处理能力。

Description

一种基于多核DSP的MIMO并行检测方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于多核DSP的MIMO并行检测方法及系统。

背景技术

随着无线通信的快速发展，LTE技术已经进入到了人们的生活中，LTE技术的物理层采用OFDM和MIMO基本架构作为无线系统演进的唯一标准。然而MIMO解调过程的实现问题一直是科研人员研究的重要问题，MIMO解调的高复杂性很大程度上制约了MIMO检测技术的实现。

MIMO检测的基本思想为：接收机根据天线端口上接收到的信号，根据信道估计的冲击响应矩阵和噪声恢复出原始发送数据的过程。现在LTE的理论研究已经特别成熟，但是复杂度很高的MIMO解调问题依然是需要研究的一个重要方面。这就是要在有限的DSP资源下完成相应的操作，从而实现MIMO的解调工作，但现有的基于DSP的MIMO检测系统中数据处理效率不高，数据处理能力较弱。

发明内容

为了提高MIMO的数据处理效率和数据处理能力，本发明提供了一种基于多核DSP的MIMO并行检测方法，所述方法包括：

S1：M块数字信号处理器DSP的主控核分别读取1/M的待检测数据，并将读取到的待检测数据存储至对应DSP的共享内存中，每块DSP的N个核中1个为主控核，且除所述主控核之外的N-1个核均为解调核，所述N和M均为不小于2的整数；

S2：每块DSP的主控核将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份，并将分成的N-1份待检测数据一一对应分配至N-1个解调核；

S3：每块DSP的解调核对对应的待检测数据进行检测，并将检测结果存储至对应DSP的共享内存中。

其中，步骤S2中，每块DSP的主控核将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份。

其中，所述待检测数据包括：信道估计的信道冲击响应矩阵H、信道噪声σ²和接收天线的数据。

其中，步骤S3中，所述检测结果为软比特信息。

本发明还公开了一种基于多核DSP的MIMO并行检测系统，所述系统包括：M块数字信号处理器DSP，每块DSP的N个核中1个为主控核，且除所述主控核之外的N-1个核均为解调核，所述N和M均为不小于2的整数；

所述主控核，用于读取1/M的待检测数据，并将读取到的待检测数据存储至对应DSP的共享内存中；将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份，并将分成的N-1份待检测数据一一对应分配至N-1个解调核；

所述解调核，用于对对应的待检测数据进行检测，并将检测结果存储至对应DSP的共享内存中。

其中，所述主控核，进一步用于将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份。

其中，所述待检测数据包括：信道估计的信道冲击响应矩阵H、信道噪声σ²和接收天线的数据。

其中，所述检测结果为软比特信息。

本发明通过将DSP的N个核分为主控核和解调核，使得主控核发送的控制信息同时到达解调核，实现了并行处理，提高了MIMO的数据处理效率和数据处理能力。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的基于多核DSP的MIMO并行检测方法的流程图；

图2是本发明一种实施例的基于多核DSP的MIMO并行检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明一种实施方式的基于多核DSP的MIMO并行检测方法的流程图；参照图1，所述方法包括：

S1：M块数字信号处理器DSP的主控核分别读取1/M的待检测数据，并将读取到的待检测数据存储至对应DSP的共享内存中，每块DSP的N个核中1个为主控核，且除所述主控核之外的N-1个核均为解调核，所述N和M均为不小于2的整数；

S2：每块DSP的主控核将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份，并将分成的N-1份待检测数据一一对应分配至N-1个解调核；

S3：每块DSP的解调核对对应的待检测数据进行检测，并将检测结果存储至对应DSP的共享内存中。

为便于实现并行解调，优选地，步骤S2中，每块DSP的主控核将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份。

为便于实现检测，优选地，所述待检测数据包括：信道估计的信道冲击响应矩阵H、信道噪声σ²和接收天线的数据。

为进一步提高解调核的处理性能，优选地，步骤S3中，所述检测结果为软比特信息。

为便于计算软比特信息，下面采用但不限于最小均方误差(MMSE)准则算法计算，还可通过迫零算法等算法来实现软比特信息的计算；

所述软比特信息的同相支路I路通过下式进行计算，

$\mathrm{LLR}\left(b_{i,I,k}\right)=\frac{{\left|{\tilde{H}}_{\mathrm{ii}}\right|}^2}{2{\widetilde{\mathrm{\σ}}}_i^2}\{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(0\right)}}{\min }{|\frac{d_{i,I}}{{\tilde{H}}_{\mathrm{ii}}}-x_I|}^2-\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(1\right)}}{\min }{|\frac{d_{i,I}}{{\tilde{H}}_{\mathrm{ii}}}-x_I|}^2\}$

其中，LLR(b_i,I,k)为同相支路I路的第i层第k个比特表示符， ${\widetilde{\mathrm{\σ}}}_i^2=\underset{j=0;j\≠i}{\overset{N_L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\tilde{H}}_{\mathrm{ij}}\right|}^2+\left\{\right[\left(\underset{j=0}{\overset{N_R-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|W_{\mathrm{ij}}\right|}^2\right)\left]\left({\mathrm{\σ}}^2\right)\right\},$ W＝(H^HH+σ²E)^-1H^H， $\tilde{H}=\mathrm{WH},$ d_i,I为同相支路I路的d中第i个元素，σ²为信道估计的噪声，H为信道估计的冲击响应矩阵，H^H为矩阵H的共轭转置矩阵，N_R为接收天线的个数，N_L为矩阵的阶数，E为单位矩阵，为I路第k个比特取到0的所有调制符号的集合，为I路第k个比特取到1的所有调制符号的集合，x为发送机的调制符号，x_I为I路的调制符号，n为噪声。

所述软比特信息的正交支路Q路将上述同相支路I路的计算公式中I替换为Q即可。

所述软比特信息的同相支路I路的计算公式的推导过程如下：

(1)采用基于最小均方误差(MMSE)准则算法的线性均衡矩阵，其计算公式如下：

W＝(H^HH+σ²E)^-1H^H

上式中，H为信道估计的冲击响应矩阵，σ²为信估计的噪声，E为单位矩阵。

(2)对天线接收到的数据根据加权矩阵W进行均衡。MIMO系统中接收天线收到的数据形式如下：

r＝Hx+n

上式中，r为天线接收到的信号，H为信道冲击响应矩阵，x为发送信号，n为噪声。均衡的原理如下：

d＝Wr

将天线接收到的公式带入上式可得：

$d=\mathrm{Wr}=W(\mathrm{HX}+n)=\tilde{H}X+\mathrm{Wn}$

其中，d为均衡的结果，这里的

(3)基于对数似然比的软判决，判决比特信息的对数似然比被定义如下：

$\mathrm{LLR}\left(b_{I,k}\right)=\log \frac{P[b_{I,k}=1|r]}{P[b_{I,k}=0|r]}=\log \frac{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(1\right)}}{\mathrm{\Σ}}P[x=x_I|r]}{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(0\right)}}{\mathrm{\Σ}}P[x=x_I|r]}$

这就是比特b_I,k的软比特信息。其中，包含位置(I,k)处为‘0’的符号，包含位置(I,k)处为‘1’的符号。实际上，若假设上式β＝0，那么LLR公式也可以定义为相反的符号。

应用贝叶斯准则(Bayes rule)，并假定发送符号概率相等，上式可写为：

$\mathrm{LLR}\left(b_{I,k}\right)=\log \frac{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(1\right)}}{\mathrm{\Σ}}P\left[r\right|x=x_I]\frac{P(x=x_I)}{P\left(r\right)}}{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(0\right)}}{\mathrm{\Σ}}P\left[r\right|x=x_I]\frac{P(x=x_I)}{P\left(r\right)}}=\log \frac{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(1\right)}}{\mathrm{\Σ}}P\left[r\right|x=x_I]}{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(0\right)}}{\mathrm{\Σ}}P\left[r\right|x=x_I]}$

通过对数和近似(log-sum approximation)：可以得到次优的简化的LLR：

$\mathrm{LLR}\left(b_{I,k}\right)\≈\log \frac{{\max }_{x_I\∈S_{I,k}^{\left(1\right)}}P\left(r\right|x=x_I)}{{\max }_{x_I\∈S_{I,k}^{\left(0\right)}}P\left(r\right|x=x_I)}$

由于r的条件概率密度(conditional pdf)是复高斯的，即

$P\left(r\right|x=x_I)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}^2}}\exp \{-\frac{1}{2}\frac{{|r-{\mathrm{Hx}}_I|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\}$

用下式中的等效噪声

${\widetilde{\mathrm{\σ}}}_i^2=\underset{j=0;j\≠i}{\overset{N_L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\tilde{H}}_{\mathrm{ij}}\right|}^2+\left\{\right[\left(\underset{j=0}{\overset{N_R-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|W_{\mathrm{ij}}\right|}^2\right)\left]\left({\mathrm{\σ}}^2\right)\right\}$

进行归一化，可得到最后的软比特值：

$\mathrm{LLR}\left(b_{i,I,k}\right)=\frac{{\left|{\tilde{H}}_{\mathrm{ii}}\right|}^2}{2{\widetilde{\mathrm{\σ}}}_i^2}\{\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(0\right)}}{\min }{|\frac{d_{i,I}}{{\tilde{H}}_{\mathrm{ii}}}-x_I|}^2-\underset{x_I\∈S_{I,k}^{\left(1\right)}}{\min }{|\frac{d_{i,I}}{{\tilde{H}}_{\mathrm{ii}}}-x_I|}^2\}$

其中，LLR(b_i,I,k)为同相支路I路的第i层第k个比特表示符，如4×4MIMO调制成4层，相应地，i为0到3的整数。

本发明还公开了一种基于多核DSP的MIMO并行检测系统，参照图2，所述系统包括：M块数字信号处理器DSP，每块DSP的N个核中1个为主控核，且除所述主控核之外的N-1个核均为解调核，所述N和M均为不小于2的整数；

所述主控核，用于读取1/M的待检测数据，并将读取到的待检测数据存储至对应DSP的共享内存中；将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份，并将分成的N-1份待检测数据一一对应分配至N-1个解调核；

所述解调核，用于对对应的待检测数据进行检测，并将检测结果存储至对应DSP的共享内存中。

优选地，所述主控核，进一步用于将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份。

优选地，所述待检测数据包括：信道估计的信道冲击响应矩阵H、信道噪声σ²和接收天线的数据。

优选地，所述检测结果为软比特信息。

实施例

下面以一个具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。根据TMS320C6678型多核DSP对需要进行MIMO检测的数据根据DSP的核数进行分组，参照图2，TMS320C6678型多核DSP含有8个核，本实施例中需要2片TMS320C6678型多核DSP，并依次将2片的DSP芯片标标号核0到核15。标完号的各个核分为2组，主控核和解MIMO数据处理核，其中第一块DSP(记为DSP0)和第二块DSP(记为DSP1)的最后一个核作为主控核(即核7和核15)，其它的14个核作为解MIMO的数据处理核。整个过程中，数据的调制方式为64QAM。

第一步：核7和核15读取待处理数据，包括信道估计的信道冲击响应矩阵H、信道噪声σ²和接收天线的FFT数据，并将这些数据的前一半存入DSP0的共享内存中，后一半数据存入DSP1的共享内存中。

第二步：针对20MHz带宽的LTE系统的1ms子帧调度时钟周期，将DSP0和DSP1共享内存中的数据按OFDM符号数将数据分为14组。即H划分为分为H₀、H₁、…、H₁₃，σ²划分为σ² ₁、σ² ₂、…、σ² ₁₃，r划分为r₀、r₁、…、r₁₃。由于是4×4的MIMO系统，所以每个H为4×4复矩阵，每个r为4×1的复矩阵，总数均为1200个，即一个20MHz带宽系统的1个OFDM符号的子载波数目。而每一个σ²为单一复数，每个子载波上的值均一致。

第三步：由DSP0的核7和DSP1的核15控制上步中按OFDM符号分配的数据到核0至核6与核8至核14的14个核(由于LTE的1ms子帧包含14个OFDM符号，按照符号将待检测数据分成14份)上进行MIMO检测处理，每一个核分别处理划分好的数据中的一份。

第四步：进行加权矩阵模块的处理，每个核上的H和σ²进行操作后，每个核上都可以得到1200个W矩阵，每个将每个核上的矩阵序列标号为W₀、W₁、…、W₁₃，并将得到的W₀、W₁、…、W₆存入DSP0的共享内存中，W₇、W₈、…、W₁₃存入DSP1的共享内存。

第五步：对接收到的FFT数据和第四步计算出的W矩阵进行均衡计算，进行均衡操作，每个核上都可以得到1200个子载波数均衡结果d矩阵，每个将每个核上的矩阵序列标号为d₀、d₁、…、d₁₃，并将得到的d₀、d₁、…、d₆存入DSP0的共享内存中，d₇、d₈、…、d₁₃存入DSP1的共享内存中。

第六步：均衡的数据d进行基于对数似然比的软判决操作，可以得到64QAM的1200个子载波数的软信息值llr矩阵，记为llr₀、lllr₁、…、llr₁₃，并将得到的llr₀、lllr₁、…、llr₆存入DSP0的共享内存中，llr₇、llr₈、…、llr₁₃存入DSP1的共享内存中。

第七步：将得到的然判决信息llr由核7和核15经由SRIO发送出去。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于多核DSP的MIMO并行检测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：M块数字信号处理器DSP的主控核分别读取1/M的待检测数据，并将读取到的待检测数据存储至对应DSP的共享内存中，每块DSP的N个核中1个为主控核，且除所述主控核之外的N-1个核均为解调核，所述N和M均为不小于2的整数；

S2：每块DSP的主控核将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份，并将分成的N-1份待检测数据一一对应分配至N-1个解调核；

S3：每块DSP的解调核对对应的待检测数据进行检测，并将检测结果存储至对应DSP的共享内存中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，每块DSP的主控核将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待检测数据包括：信道估计的信道冲击响应矩阵H、信道噪声σ²和接收天线的数据。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述检测结果为软比特信息。

5.一种基于多核DSP的MIMO并行检测系统，其特征在于，所述系统包括：M块数字信号处理器DSP，每块DSP的N个核中1个为主控核，且除所述主控核之外的N-1个核均为解调核，所述N和M均为不小于2的整数；

所述主控核，用于读取1/M的待检测数据，并将读取到的待检测数据存储至对应DSP的共享内存中；将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份，并将分成的N-1份待检测数据一一对应分配至N-1个解调核；

所述解调核，用于对对应的待检测数据进行检测，并将检测结果存储至对应DSP的共享内存中。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述主控核，进一步用于将对应共享内存中的待检测数据分成N-1份。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述待检测数据包括：信道估计的信道冲击响应矩阵H、信道噪声σ²和接收天线的数据。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述检测结果为软比特信息。