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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

MIMO Skalierbarer

MIMO Skalierbarer MIMO-Precoder-Kern mit Xilinx FPGAs Dieser Beitrag beschreibt einen bei Bell Labs, Ireland entstandenen frequenzabhängigen Precoder-Kern mit High-Performance- FPGAs für MIMObasierte drahtlose Datennetze. Massive-MIMO-Funksysteme (multiple-input, multiple-output) gelten derzeit als bevorzugte Architektur für drahtlose Datennetze der fünften Generation (5G). Dabei ist die Implementierung der Vorkodierung der Sendesignale mit geringer Latenz eine kritische Bedingung, um alle Vorteile der Architektur zur Mehrfach-Übertragung (multi-transmission) im MIMO- Prinzip auszuschöpfen. Diesen Ansatz erfüllt der hier beschriebene High-Speed/Low-Latency Precoder Core. Er basiert auf dem Xilinx-System-Generator und der Vivado-Design-Suite, ist einfach aufgebaut und ebenso einfach skalierbar. Wegen ihrer Fähigkeit zur Multi- User-Übertragung mit spatialem Multiplex können Massive- MIMO-Systeme die Signalqualität gegenüber Interferenzen und Störungen signifikant erhöhen. Das gilt für älteres User-Equipment mit einfacher Antenne ebenso wie für die neueren Endgeräte mit Mehrfach-Antennen. Autor Lei Guan Mitglied des technischen Stabes der Bell Laboratories, Nokia lei.guan@ieee.org Bild 1: Simulink-Evaluierung des Top-Level Precoding Core 50 hf-praxis 9/2016

MIMO Bild 2: Top Level des FPGA_HLP_Core Das Ergebnis ist höhere Netzwerk-Kapazität, höherer Daten- Durchsatz und eine wesentlich effizientere Nutzung des verfügbaren drahtlosen Spektrums. Die Massive-MIMO-Technologie hat natürlich ihre Herausforderungen. Will man sie voll nutzen, müssen die Entwickler zahlreiche HF-Transceiver und Sendeantennen einsetzen, die auf dem Prinzip des Gruppenstrahlers (phased array) basieren. Man braucht außerdem ausreichende digitale Sendeleistung, um die genannte Precoding-Funktion auszuführen. Die gewählte Lösung besteht in einer skalierbaren, frequenzabhängigen IP. Sie bietet niedrige Latenz und lässt sich wie ein Lego-Bausatz sowohl an zentralisierte, wie an verteilte Massive-MIMO-Architekturen anpassen. Der Schlüssel für dieses DSP-Projekt liegt im Einsatz der High-Performance- FPGAs der Xilinx Serie 7, sowie der Xilinx Vivado Design Suite 2015.1 mit dem System-Generator und MATLAB/Simulink. der Strecke zwischen jedem Sender und Empfänger bei einer gegebenen Frequenz „geformt“. In anderen Worten: Die gesendeten Datenströme durchlaufen unterschiedliche Übertragungspfade, bevor sie den Empfänger erreichen. Ein Datenstrom kann sich also zeitlich unterschiedlich verhalten, infolge wechselnder Ausbreitungsbedingungen innerhalb des Übertragungsspektrums. Dieses in der drahtlosen Signalübertragung gut bekannte Phänomen ist äquivalent zum Einbringen eines FIR-Filters (finite impulse response) mit vorgegebener Frequenzantwort für jeden Datenstrom. Dies resultiert in schlechter System-Performance infolge der dadurch eingeführten Frequenz-„Verzerrung“ in den Funkkanälen. Betrachtet man den Funkkanal als Blackbox, erscheinen auf der Systemebene nur die Eingangs- (Sender-Ausgang) und die Ausgangssignale (Empfänger-Eingang). Man kann also auf der Seite des MIMO- Transmitters eine zusätzliche Blackbox zur intentionalen Vorverzerrung (pre-equalization) des Signals mit der inversen Kanalantwort einsetzen, um die Blackbox-Effekte des Übertragungskanals im Vorhinein zu kompensieren. Das so kaskadierte System liefert dann mehr oder weniger gut korrigierte Datenströme an den Empfänger. Diese Vorverzerrung wird als Precoding bezeichnet. Dazu wird eine Gruppe von spezifischen Koeffizienten zur Signalformung („reshaping“) im Sender verwendet. Wenn man beispielsweise N RX unabhängige Datenströme mit N TX (Anzahl der Sender) Antennen übertragen will, muss man eine Vorkodierung und Vorverzerrung durchführen, die einem Aufwand von N RX × N TX temporären komplexen linearen Konvolutionen und den zugehörigen Kombinationen entspricht, bevor NTX HF-Signale abgestrahlt werden. Eine praktikable Implementierung mit niedriger Latenz zur komplexen linearen Konvolution ist ein diskretes digitales FIR-Filter im Zeitbereich. Systemanforderungen Beim Entwurf einer Precoder-IP mit niedriger Latenz stellen sich die folgenden Anforderungen: 1. Ein Datenstrom muss in parallele Datenströme auf mehreren parallelen Kanälen vorkodiert werden, und zwar mit Vorkodierung in MIMO-Systemen In Mobilfunknetzen werden die von MIMO-Transmittern ausgehenden Datenströme auf der Übertragungsstrecke durch die Kanalantwort (channel response) Tabelle 1: Vergleich der Multiplikator(CM)-Nutzung für ein komplexes asymmetrisches 128-tap FIR-Filter hf-praxis 9/2016 51

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