Programmable MIMO detectors

• Main Author: Janhunen, J. (Janne)
• Other Authors: Juntti, M. (Markku)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2011
• Subjects: MIMO; OFDM; digital signal processor; graphics processing unit; list detection; programmable architecture; transport triggered architecture; digitaalinen signaaliprosessori; grafiikkaprosessointiyksikkö; listailmaisu; moniantennijärjestelmä; ohjelmoitava arkkitehtuuri; ortogonaalinen taajuusjakomodulointi; siirtoliipaisuarkkitehtuuri
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789514296598; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789514296598

Abstract The multiple-input multiple-output (MIMO) technique combined with an orthogonal frequency division multiplexing (MIMO--OFDM) has been introduced as a promising approach for the ever increasing capacity and quality of service (QoS) requirements for wireless communication systems. An efficient radio spectrum utilization expects a flexible transceiver solution, which has been the reason for the development of the software defined radio (SDR) technologies which in their turn are expected to enable the creation of cognitive radios. As a result, any radio solution could be invoked on demand on any platform. In this thesis work, we have studied detector algorithms and programmable processor architectures in order to find practical solutions for the future wireless systems. A programmable receiver can reduce the energy dissipation of the receiver by changing the detection algorithm based on the current channel realizations. To provide a realistic aspect to the implementations in different channel realizations, we present a wide state-of-the-art detector comparison. In addition, we present an extensive number arithmetic and word length study in order to evaluate realistic hardware complexity and energy dissipations of the implementations. The study includes a comprehensive design chain from the algorithm development to the actual processor design and finally programming software for the platforms. We evaluate single and multi-core processor implementations by comparing the achieved results to the Long Term Evolution (LTE) performance requirements. We implement detectors on digital signal processors (DSPs), graphics processing unit (GPU) and transport triggered architecture (TTA). The implementation results are compared in throughput, silicon area and energy efficiency. Finally, we discuss the advantages and disadvantages of the architectures and the implementation effort. === Tiivistelmä Usean antennin tekniikka yhdistettynä ortogonaaliseen taajuusvaihtelumodulointiin lähetin-vastaanotimessa on esitetty eräänä lupaavana ratkaisuna jatkuvasti kasvaviin kapasiteetti- ja palvelunlaatuvaatimuksiin langattomissa tietoliikennejärjestelmissä. Tehokas radiospektrin käyttö edellyttää joustavaa lähetin-vastaanotinratkaisua, mikä on ollut syynä ohjelmistoradioteknologioiden kehitykselle. Ohjelmistoradioiden kehityksen on puolestaan odotettu mahdollistavan kognitiiviradioiden syntymisen. Tuloksena, mikä tahansa radiosovellus voitaisiin herättää tarpeen mukaan millä tahansa ohjelmoitavalla sovellusalustalla. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan ilmaisinalgoritmeja sekä ohjelmoitavia prosessoriarkkitehtuureja tarkoituksena löytää käytännöllisiä ratkaisuja tulevaisuuden langattomiin järjestelmiin. Ohjelmoitavalla vastaanottimella voidaan vähentää vastaanottimen energiankulutusta vaihtamalla ilmaisinalgoritmeja vallitsevan kanavatilan mukaan. Työssä esitellään laaja, viimeisintä tutkimusta edustava ilmaisinalgoritmivertailu, joka antaa realistisen näkökannan toteutuksiin erilaisissa kanavatiloissa. Lisäksi työssä esitellään numeroaritmetiikka- ja sananpituustutkimus, jonka tarkoituksena on arvioida toteutusten realistista kovokompleksisuutta sekä energiankulutusta. Tutkimus sisältää kattavan suunnitteluketjun algoritmikehityksestä todelliseen prosessorisuunnitteluun ja lopulta algoritmin ohjelmointiin tietylle sovellusalustalle. Väitöskirjatyössä arvioidaan yksi- ja moniytimisiä prosessoritoteutuksia vertaamalla saavutettuja tuloksia Long Term Evolution -standardin suorituskykyvaatimuksiin. Ilmaisimia toteutetaan digitaalisilla signaaliprosessoreilla, grafiikkaprosessorilla sekä siirtoliipaisuarkkitehtuurilla. Toteutustuloksia vertaillaan laskentatehona, pinta-alana sekä energiatehokkuutena. Lopuksi käsitellään arkkitehtuurien hyviä ja huonoja puolia sekä suunnittelun työläyttä.