基于GPU的軟件無線電并行算法與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著信息化發(fā)展和科技進(jìn)步，寬帶無線通信正在改變著人們的生活方式，人們可以隨時(shí)隨地享受著無線通信帶來的生活便利。但是通信協(xié)議的日新月異，需要移動(dòng)終端需要支持多種通信模式，例如個(gè)域網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)。軟件無線電可以實(shí)現(xiàn)在不改變硬件結(jié)構(gòu)的情況下，可以支持多種通信模式和通信協(xié)議。在這些無線通信協(xié)議中，MIMO技術(shù)的信道容量與發(fā)射端和接收端的最小天線數(shù)成線性關(guān)系，這使得MIMO技術(shù)成為無線通信應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。同時(shí)，OFDM技術(shù)由于較

2、高的頻譜利用率、能有效對(duì)抗無線信道多徑衰落和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，也成為最不可或缺的無線通信技術(shù)。目前較為先進(jìn)的無線通信協(xié)議都融入了MIMO技術(shù)和OFDM技術(shù)，形成MIMO-OFDM無線通信。無線通信由于實(shí)際需要，要求具備高速率、高保真、低延遲、多用戶的特點(diǎn)，這就需要無線通信系統(tǒng)不僅僅具有較高吞吐率和處理能力，同時(shí)需要有較低的誤碼率。MIMO-OFDM無線通信物理層主要有三類算法：信道糾錯(cuò)編譯碼算法、OFDM算法、MIMO檢測算法。
　

3、　本文在GPU平臺(tái)上提出了細(xì)粒度軟件無線電通信算法，并創(chuàng)造性地利用GPU構(gòu)建了軟件無線電實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。具體的講，主要進(jìn)行了如下研究：
　　1)提出了以CPU為控制器、GPU為基帶處理器的異構(gòu)軟件無線電平臺(tái)CuSora。該平臺(tái)將Sora無線電平臺(tái)和GPU處理器相結(jié)合，利用Sora平臺(tái)無線電前端和系統(tǒng)整體框架收發(fā)無線信號(hào)、完成MAC層的處理，同時(shí)利用GPU處理器對(duì)系統(tǒng)物理層進(jìn)行處理，使得吞吐率和誤碼性能滿足無線通信協(xié)議的要求。CuSo

4、ra平臺(tái)同時(shí)設(shè)計(jì)了MAC層控制器，可以完成多模式多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通信的相互切換。
　　2)提出了基于GPU的細(xì)粒度并行編譯碼算法和GPU加速器結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)目前較為常見的卷積碼、Turbo碼和LDPC碼，分析了三種糾錯(cuò)碼計(jì)算特性，針對(duì)GPU平臺(tái)選擇了合適的改進(jìn)算法，分別提出了基于GPU的細(xì)粒度并行算法，在取得良好并行性的同時(shí)，利用有效的誤碼性能保護(hù)機(jī)制，降低并行算法對(duì)誤碼率的影響。本文利用Fermi架構(gòu)的GPU處理器實(shí)現(xiàn)了三種糾錯(cuò)碼的高

5、吞吐率高誤碼性能編碼器和譯碼器。相對(duì)于通用處理器實(shí)現(xiàn)，三種GPU譯碼器可以獲得兩個(gè)到三個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升，同時(shí)都優(yōu)于目前其他同類的譯碼器。
　　3)提出了基于GPU的細(xì)粒度并行OFDM算法和GPU加速器結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)目前較為常見的OFDM調(diào)制解調(diào)、同步、信道估計(jì)等常見OFDM算法，分析了三類算法的計(jì)算特性，分別提出了基于GPU的細(xì)粒度并行算法。并行算法在取得良好并行性的基礎(chǔ)上，有效地保證了各個(gè)子載波攜帶樣本信息的正確性和子載波之間

6、樣本信息的重組和交換。本文利用Fermi架構(gòu)的GPU處理器實(shí)現(xiàn)了三類OFDM并行算法的加速器，采用了多種加速優(yōu)化方法，相對(duì)于無線協(xié)議的實(shí)時(shí)吞吐率，GPU加速器最終吞吐率可以獲得一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升。
　　4)提出了基于GPU的細(xì)粒度并行MIMO檢測算法和GPU加速器結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)PIC MIMO檢測算法，分析了該類算法的計(jì)算特性，提出了基于GPU的細(xì)粒度并行算法。算法在取得良好并行性的基礎(chǔ)上，有效地還原了各個(gè)接收向量的復(fù)數(shù)樣本

7、信息。最后利用Fermi架構(gòu)的GPU處理器實(shí)現(xiàn)了PIC檢測并行算法的加速器。相對(duì)于通用處理器，GPU加速器可以獲得兩個(gè)數(shù)量級(jí)的吞吐率提升，同時(shí)優(yōu)于目前其他MIMO檢測器。
　　5)提出并實(shí)現(xiàn)了基于GPU的軟件無線電原型系統(tǒng)。本文針對(duì)目前通用的WiFi（802.11a）、WiMAX（802.16d）無線通信協(xié)議，分析兩種無線通信協(xié)議物理層的算法模塊鏈路，提出了基于GPU的OFDM無線通信參數(shù)化軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文利用上述基于GP

8、U的物理層中典型編譯碼并行算法、OFDM并行算法和MIMO檢測并行算法，組合實(shí)現(xiàn)兩種通信協(xié)議的物理層；以CuSora平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GPU的軟件無線電原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無線傳輸。相對(duì)于Sora軟件無線電系統(tǒng)，本文實(shí)現(xiàn)的軟件無線電原型系統(tǒng)傳輸速率可取得10％到30%的提升。各個(gè)算法模塊的吞吐率都普遍優(yōu)于Sora無線電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，本文基于CuSora的無線電系統(tǒng)中各個(gè)模塊性能優(yōu)于目前其他CPU、DSP、FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的同類