基于GPU的軟件無線電并行算法與系統(tǒng)結構關鍵技術研究.pdf

1、隨著信息化發(fā)展和科技進步，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，需要移動終端需要支持多種通信模式，例如個域網、局域網、城域網、廣域網。軟件無線電可以實現在不改變硬件結構的情況下，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技術的信道容量與發(fā)射端和接收端的最小天線數成線性關系，這使得MIMO技術成為無線通信應用最廣泛的技術之一。同時，OFDM技術由于較

2、高的頻譜利用率、能有效對抗無線信道多徑衰落和易于實現的特點，也成為最不可或缺的無線通信技術。目前較為先進的無線通信協(xié)議都融入了MIMO技術和OFDM技術，形成MIMO-OFDM無線通信。無線通信由于實際需要，要求具備高速率、高保真、低延遲、多用戶的特點，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：信道糾錯編譯碼算法、OFDM算法、MIMO檢測算法。
　

3、　本文在GPU平臺上提出了細粒度軟件無線電通信算法，并創(chuàng)造性地利用GPU構建了軟件無線電實時通信系統(tǒng)。具體的講，主要進行了如下研究：
　　1)提出了以CPU為控制器、GPU為基帶處理器的異構軟件無線電平臺CuSora。該平臺將Sora無線電平臺和GPU處理器相結合，利用Sora平臺無線電前端和系統(tǒng)整體框架收發(fā)無線信號、完成MAC層的處理，同時利用GPU處理器對系統(tǒng)物理層進行處理，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平臺同時設計了MAC層控制器，可以完成多模式多標準協(xié)議通信的相互切換。
　　2)提出了基于GPU的細粒度并行編譯碼算法和GPU加速器結構。本文針對目前較為常見的卷積碼、Turbo碼和LDPC碼，分析了三種糾錯碼計算特性，針對GPU平臺選擇了合適的改進算法，分別提出了基于GPU的細粒度并行算法，在取得良好并行性的同時，利用有效的誤碼性能保護機制，降低并行算法對誤碼率的影響。本文利用Fermi架構的GPU處理器實現了三種糾錯碼的高

5、吞吐率高誤碼性能編碼器和譯碼器。相對于通用處理器實現，三種GPU譯碼器可以獲得兩個到三個數量級的性能提升，同時都優(yōu)于目前其他同類的譯碼器。
　　3)提出了基于GPU的細粒度并行OFDM算法和GPU加速器結構。本文針對目前較為常見的OFDM調制解調、同步、信道估計等常見OFDM算法，分析了三類算法的計算特性，分別提出了基于GPU的細粒度并行算法。并行算法在取得良好并行性的基礎上，有效地保證了各個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架構的GPU處理器實現了三類OFDM并行算法的加速器，采用了多種加速優(yōu)化方法，相對于無線協(xié)議的實時吞吐率，GPU加速器最終吞吐率可以獲得一到兩個數量級的性能提升。
　　4)提出了基于GPU的細粒度并行MIMO檢測算法和GPU加速器結構。本文針對PIC MIMO檢測算法，分析了該類算法的計算特性，提出了基于GPU的細粒度并行算法。算法在取得良好并行性的基礎上，有效地還原了各個接收向量的復數樣本

7、信息。最后利用Fermi架構的GPU處理器實現了PIC檢測并行算法的加速器。相對于通用處理器，GPU加速器可以獲得兩個數量級的吞吐率提升，同時優(yōu)于目前其他MIMO檢測器。
　　5)提出并實現了基于GPU的軟件無線電原型系統(tǒng)。本文針對目前通用的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無線通信參數化軟件無線電系統(tǒng)結構。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，組合實現兩種通信協(xié)議的物理層；以CuSora平臺為基礎，設計并實現了基于GPU的軟件無線電原型系統(tǒng)，實現實時無線傳輸。相對于Sora軟件無線電系統(tǒng)，本文實現的軟件無線電原型系統(tǒng)傳輸速率可取得10％到30%的提升。各個算法模塊的吞吐率都普遍優(yōu)于Sora無線電系統(tǒng)實現。同時，本文基于CuSora的無線電系統(tǒng)中各個模塊性能優(yōu)于目前其他CPU、DSP、FPGA平臺實現的同類