大規(guī)模MIMO信號處理粗粒度可重構(gòu)計算方法研究

大規(guī)模MIMO是5G移動通信的核心技術(shù)。由于使用了大規(guī)模天線陣列進(jìn)行復(fù)雜時空信號處理和傳輸，大規(guī)模MIMO通信對硬件系統(tǒng)的計算能力提出了苛刻的要求。本課題研究面向5G通信大規(guī)模MIMO信號處理中的計算密集型算法，提出了一種粗粒度可重構(gòu)硬件加速方法，研究了面向計算密集型算法的粗粒度可重構(gòu)處理器硬件架構(gòu)、高靈活性片上可重構(gòu)存儲架構(gòu)、低功耗可重構(gòu)處理器片上任務(wù)調(diào)度和負(fù)載均衡方法等關(guān)鍵技術(shù)。研究通過對大規(guī)模MIMO信號處理中的典型算法和算子，包括如信號檢測算法、信道估計算法、SVD算子、FIR濾波算子的并行化方法的研究，提出了一套完整的可重構(gòu)硬件電路架構(gòu)和對應(yīng)的算法映射方法，研究最終在基于FPGA的芯片驗證平臺上進(jìn)行了可重構(gòu)處理器的電路級實現(xiàn)和驗證，并對比了基于通用CPU的軟件實現(xiàn)實現(xiàn)方法加速增益，實驗結(jié)果顯示，研究所提出的可重構(gòu)硬件加速器可實現(xiàn)4~8倍的算法加速比、5~6倍以上的能量效率提升。本研究的相關(guān)研究成果特別適合于自主知識產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)處理器設(shè)計和處理器優(yōu)化、5G移動通信芯片設(shè)計等領(lǐng)域。

大規(guī)模MIMO是5G移動通信的核心技術(shù)。由于使用了大規(guī)模天線陣列進(jìn)行復(fù)雜時空信號處理和傳輸，大規(guī)模MIMO通信對硬件系統(tǒng)的計算能力提出了苛刻的要求。本課題研究基于粗粒度可重構(gòu)硬件架構(gòu)的大規(guī)模MIMO信號處理和可重構(gòu)處理器設(shè)計與實現(xiàn)方法。課題通過綜合分析研究MIMO信號檢測算法和大型矩陣運算算法的計算模型，提出一種異構(gòu)緊耦合結(jié)構(gòu)的粗粒度可重構(gòu)計算陣列架構(gòu)，進(jìn)行通信算法中計算密集型復(fù)矩陣運算和其它控制密集型運算的并行加速；課題還提出一種基于片上分布式存儲的可重構(gòu)存儲陣列硬件架構(gòu)，通過動態(tài)配置存儲陣列，可實現(xiàn)多計算任務(wù)的最優(yōu)存儲空間及訪存帶寬分配，從而有效地提升系統(tǒng)吞吐率并降低功耗。課題同時還研究可重構(gòu)計算及存儲陣列的快速配置方法和能量域下的負(fù)載均衡及資源調(diào)度方法。本課題研究成果可滿足未來5G無線通訊技術(shù)發(fā)展的需求，并為我國高端通用處理器的研究進(jìn)行技術(shù)積累。

大規(guī)模MIMO天線技術(shù)是移動通信與天線領(lǐng)域的研究熱點，有源集成天線是移動通信基站的關(guān)鍵組件，差分饋電天線為差分射頻電路所必需。項目結(jié)合有源集成天線、差分饋電天線以及大規(guī)模MIMO技術(shù)，研究有源差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線，具有重要科學(xué)意義和工程實用價值。本項目在充分的前期研究基礎(chǔ)之上，提出了具有平面結(jié)構(gòu)的雙極化有源差分饋電天線，通過引入人工磁導(dǎo)（AMC）表面降低天線剖面，為大規(guī)模MIMO天線集成創(chuàng)造必要條件。具體研究內(nèi)容包括：1)有源差分饋電雙極化平面天線；2）基于AMC表面的有源差分饋電雙極化平面天線低剖面技術(shù)；3）有源差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線。本項目系統(tǒng)研究差分饋電天線、有源天線、寬帶AMC表面以及有源大規(guī)模MIMO集成天線的工作原理和實現(xiàn)方法。通過本項目實施，有望解決移動通信基站天線領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，為有源差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線的實際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

大規(guī)模MIMO天線技術(shù)作為5G無線通信的核心技術(shù)之一，其研究引起了極大的關(guān)注。為滿足通信系統(tǒng)集成化、高性能化和多功能化的要求，本項目結(jié)合差分饋電技術(shù)、天線小型化技術(shù)、有源集成和解耦技術(shù)，研究適用于5G無線通信的大規(guī)模MIMO集成天線，具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)價值。差分電路廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)，為實現(xiàn)大規(guī)模MIMO集成天線，本課題引入了差分饋電技術(shù)。研究差分饋電寬帶天線的基本工作原理，總結(jié)基本設(shè)計方法，并提出系列差分饋電寬帶平面天線，包括差分饋電寬帶雙極化平面天線、改進(jìn)型差分饋電寬帶雙極化平面天線，差分饋電寬帶圓極化平面天線、改進(jìn)型的差分饋電寬帶圓極化平面天線和基于介質(zhì)基片集成波導(dǎo)的差分饋電雙極化雙頻/三頻天線。針對天線小型化，分別從降低天線高度和減小天線橫截面尺寸二個維度解決。提出了彎折線型人工磁導(dǎo)表面（AMC表面）和螺旋線型AMC表面，探討了AMC表面對不同極化的天線降低高度的作用，研究表明所提出的AMC表面可有效降低平面天線高度至少50%且與極化無關(guān)，并成功研制多個低剖面寬帶天線。另一方面，項目研究提出小型化寬帶雙極化天線，尺寸僅為0.464λ×0.464λ×0.35λ（λ是自由空間中2.2GHz頻點的波長），且其帶寬擴(kuò)展至63.4%。在差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線實現(xiàn)方便進(jìn)行了一些探索研究，并針對密集排布的大規(guī)模MIMO天線的解耦問題，提出了“場對消法”，去互耦效果明顯，同時制作了天線模型進(jìn)行了實測驗證。本項目研究探索了差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線的基本理論與設(shè)計方法，對有源差分饋電集成天線設(shè)計提供參考，在天線單元小型化和大規(guī)模MIMO天線解耦方面取得技術(shù)進(jìn)步。圍繞這些研究工作，本課題共發(fā)表SCI期刊論文11篇，6篇國際學(xué)術(shù)會議論文，授權(quán)專利10項，特別是在天線的頂級期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上面發(fā)表論文3篇。本研究對天線領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義，在移動通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。