本文選題：GPU　切入點：軟件無線電　出處：《國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：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(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)。軟件無線電可以實現(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,OFDM技術(shù)由于較高的頻譜利用率、能有效對抗無線信道多徑衰落和易于實現(xiàn)的特點,也成為最不可或缺的無線通信技術(shù)。目前較為先進的無線通信協(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。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(gòu)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(gòu)軟件無線電平臺Cu Sora。該平臺將Sora無線電平臺和GPU處理器相結(jié)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。Cu Sora平臺同時設(shè)計了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的細粒度并行編譯碼算法和GPU加速器結(jié)構(gòu)。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(gòu)的GPU處理器實現(xiàn)了三種糾錯碼的高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(xiàn),三種GPU譯碼器可以獲得兩個到三個數(shù)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(jié)構(gòu)。本文針對目前較為常見的OFDM調(diào)制解調(diào)、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(chǔ)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樣本信息的重組和交換。本文利用Fermi架構(gòu)的GPU處理器實現(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(shù)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(jié)構(gòu)。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(chǔ)上,有效地還原了各個接收向量的復(fù)數(shù)樣本信息。最后利用Fermi架構(gòu)的GPU處理器實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)了基于GPU的軟件無線電原型系統(tǒng)。本文針對目前通用的Wi Fi(802.11a)、Wi MAX(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GPU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(xiàn)兩種通信協(xié)議的物理層;以Cu Sora平臺為基礎(chǔ),設(shè)計并實現(xiàn)了基于GPU的軟件無線電原型系統(tǒng),實現(xiàn)實時無線傳輸。相對于Sora軟件無線電系統(tǒng),本文實現(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。各個算法模塊的吞吐率都普遍優(yōu)于Sora無線電系統(tǒng)實現(xiàn)。同時,本文基于Cu Sora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(xiàn)的同類模塊性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP393.04

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