LTE上行信道交織與解交織的研究及DSP實(shí)現(xiàn)*

陳發(fā)堂，陳燕

(重慶郵電大學(xué)，重慶400065)

ZEHAVI提出比特交織編碼調(diào)制BICM(Bit Interleaver coding Modulation)思想[1]，即在編碼和調(diào)制之間引入交織。BICM通過犧牲一些歐式距離來提高漢明距離，使其在衰落信道下具有高度的魯棒性。交織的原理是打亂原始數(shù)據(jù)序列，使數(shù)據(jù)的相關(guān)性減弱，盡力分散突發(fā)錯(cuò)誤，在譯碼時(shí)大大降低數(shù)據(jù)突發(fā)錯(cuò)誤的影響。

3GPP LTE中物理上行鏈路共享信道PUSCH（Physical Uplink Shared Channel)上承載的信息包含預(yù)編碼矩陣指示PMI(Precoding Matrix Index)、秩指示RI(Rand Index)、CQI信道質(zhì)量指示(channel quality indicator)和混合自動(dòng)重傳請求應(yīng)答HARQ-ACK(hybrid automatic repeat request acknowledgement)以及數(shù)據(jù)信息。為降低數(shù)據(jù)突發(fā)錯(cuò)誤率，在幾路信息各自編碼后和調(diào)制間，引入了信道交織[2]。PUSCH信道交織采用的是分組交織，但與傳統(tǒng)的分組交織有較大差異。本文從DSP實(shí)際角度出發(fā)，針對(duì)PUSCH信道交織與解交織，提出了一種簡單的實(shí)現(xiàn)方案。

1 PUSCH信道交織

進(jìn)入PUSCH信道交織是三路信息，為降低譯碼的錯(cuò)誤率，在進(jìn)行信道交織前，先將三路信息進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)用，然后再進(jìn)行PUSCH信道交織。在用DSP具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，把數(shù)據(jù)復(fù)用和信道交織放在一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。

1.1 三路編碼后的數(shù)據(jù)復(fù)用

(1)RI和ACK的數(shù)據(jù)復(fù)用

(2)CQI/PMI和數(shù)據(jù)信息復(fù)用

q0，q1，q2，q3，…，qQ-1是CQI編碼后的比特序列，f0，f1，f2，f3，…，fG-1是編碼后UL-SCH數(shù)據(jù)的比特序列，控制信息與數(shù)據(jù)信息復(fù)用的數(shù)據(jù)為復(fù)用方式如下：

在具體用DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)，不用浪費(fèi)存儲(chǔ)空間和程序段來實(shí)現(xiàn)三路數(shù)據(jù)復(fù)用的過程。只需在進(jìn)行信道交織時(shí)，使整個(gè)交織表的每一個(gè)大行向量包含Qm小行，在放置數(shù)據(jù)時(shí)，需要首先把Qm小行放置完畢，依次放置該大行向量的其他數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)三路數(shù)據(jù)的復(fù)用。

1.2 PUSCH信道交織步驟

通過上式分析可以確定交織表的行數(shù)、列數(shù)是由高層來的參數(shù)確定，與三路輸入數(shù)據(jù)的長度無關(guān)。

本系統(tǒng)選用TMS320C6455作為DSP芯片，該芯片是TI公司基于第三代先進(jìn)Velovi TI超長指令字VLIW(Very Long Instruction Word)結(jié)構(gòu)的高性能定點(diǎn)DSP[3]。其最高主頻達(dá)到了1.2 GHz，每個(gè)周期可以并行執(zhí)行8條指令，處理速度最大可至8 000 MIPS,實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算。TMS320C6455片內(nèi)采用L1/L2兩級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，L1包含相互獨(dú)立的32 KB的程序Cache(L1P)和32 KB的數(shù)據(jù)Cache(L1D)，L2為2 MB的尋址空間，其片內(nèi)存儲(chǔ)器容量是其他C64系列的二倍。序列。協(xié)議中規(guī)定：RI比特序列從最后一大行開始放置，每大行放置4列，放置所占的列數(shù)，需每次通過如下公式計(jì)算，即需要用到查表、求模、向下取整運(yùn)算，在用DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)，浪費(fèi)程序段代碼和cycle數(shù)。

通過對(duì)上述公式的計(jì)算和理解，從節(jié)省程序代碼段和cycle數(shù)考慮，提出了一種簡單的實(shí)現(xiàn)方案，在放置RI時(shí)每行只需放置4列，每行放置的位置相同，在實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需把原RI所占列的表1修改為表2，即可實(shí)現(xiàn)上述代碼。

表1 RI和ACK所占列

表2 RI和ACK所占列

(4)在交織表中放置CQI和數(shù)據(jù)信息：首先放置CQI信息，然后放置數(shù)據(jù)信息，在放置CQI和數(shù)據(jù)信息時(shí)，程序中必須考慮不能覆蓋RI的信息，具體見下節(jié)信道交織的DSP實(shí)現(xiàn)。

(5)如果在該子幀傳送HARQ-ACK，在交織表中放置ACK的信息的ACK比特序列。協(xié)議中規(guī)定：ACK與RI在進(jìn)行信道交織時(shí)，所放置的情況相同，只是所占的列不同，在這里不再贅述。為節(jié)省Cycle和程序段代碼，對(duì)ACK放置在交織表中所查的列的表1修改為表2即可實(shí)現(xiàn)。

(6)交織表按列輸出即可實(shí)現(xiàn)交織。

2 信道交織與解交織算法的DSP實(shí)現(xiàn)

2.1 信道交織的DSP實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)信道交織時(shí)，輸入的三路信息：RI、CQI/PMI和數(shù)據(jù)復(fù)用后的信息，HARQ經(jīng)過編碼后直接到信道交織模塊，數(shù)據(jù)復(fù)用放到信道交織模塊實(shí)現(xiàn)。圖1給出PUSCH信道交織的程序?qū)崿F(xiàn)流程。信道交織是比特進(jìn)行交織，為便于尋址處理，需要把每個(gè)比特字節(jié)化。

三路信息實(shí)現(xiàn)比特字節(jié)化，利用TMS320C6455每個(gè)周期最多可并行執(zhí)行8條指令，為節(jié)省Cycle，在比特字節(jié)化的循環(huán)體里，每次分別取出4 B的數(shù)據(jù)，在程序中利用A組寄存器和B組寄存器交替使用的方式，達(dá)到每個(gè)周期可以并行執(zhí)行6條指令。利用B指令和LDB指令后的延遲“NOP”指令，使程序進(jìn)行極大的優(yōu)化。

在交織表中放置RI信息，根據(jù)對(duì)協(xié)議的理解，提出了一種簡單的實(shí)現(xiàn)方案。在放置RI信息過程中，采用三層循環(huán)實(shí)現(xiàn)：第一層為Qm行小向量是否填滿，第二層為該大行的4列是否填滿，第三層為大行數(shù)依次遞減，是否所有的RI已經(jīng)放在交織表中。

在交織表中放置CQI信息，在放置時(shí)不能覆蓋RI的信息，即需要知道RI在交織表中占哪些位置。為確定RI在交織表中的位置，用RI編碼后的長度除以4×Qm，在程序中提出采用文獻(xiàn)[4]介紹的除法程序，該除法程序經(jīng)優(yōu)化后只占用35cycle。CQI的放置原理和RI相同，都是采用三層循環(huán)。只是放置時(shí)需要根據(jù)RI在交織表占用位置的不同情況進(jìn)行放置。

在交織表中放置ACK信息，為便于程序的簡化，提出了一種簡單的實(shí)現(xiàn)方案，ACK放置在交織表中的位置是覆蓋CQI信息，為避免覆蓋多余的CQI，需明確ACK占交織表中哪些位置，用ACK編碼后的長度調(diào)用除法程序除以4×Qm，根據(jù)ACK在交織表中的具體情況進(jìn)行放置。ACK的放置原理和RI相同，采用三層循環(huán)。

交織表的輸出是按列進(jìn)行輸出，其實(shí)現(xiàn)采用三層循環(huán)，第一層為Qm小行進(jìn)行輸出，取出每一個(gè)Qm小行的數(shù)據(jù)，在用DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)需要偏移Cmux；第二層為大行數(shù)依次遞增，直到把R′mux大行的數(shù)據(jù)取出；第三層為列數(shù)依次遞增，把Cmux列的數(shù)據(jù)取出。

2.2 PUSCH解信道交織的DSP實(shí)現(xiàn)

PUSCH上的數(shù)據(jù)經(jīng)過解調(diào)、解擾后是軟信息，每個(gè)軟信息占16 bit，解信道交織時(shí)無需對(duì)軟信息進(jìn)行字節(jié)化。通過對(duì)協(xié)議TS36.212中PUSCH信道交織的理解，解信道交織的思想是首先恢復(fù)出交織表（注意恢復(fù)交織表時(shí)，列輸入行輸出），然后根據(jù)三路數(shù)據(jù)所放置的具體位置，再解出三路數(shù)據(jù)信息。在解交織時(shí)，為保證三路輸出的數(shù)據(jù)正確，需調(diào)用除法程序，具體步驟如下：

(1)根據(jù)高層的參數(shù)來確定交織表的列數(shù)Cmux和大行數(shù)。

(2)恢復(fù)交織表。按列進(jìn)行輸入，在放置數(shù)據(jù)時(shí)，包含三層循環(huán)，第一層把Qm小行向量填滿，每一小行從起始位置偏移0～(Qm-1)×Cmux進(jìn)行放置，直到把Qm小行放置完；第二層為大行數(shù)依次遞增，直到把R′mux大行的數(shù)據(jù)填滿；第三層為列數(shù)依次遞增，把Cmux列的數(shù)據(jù)填滿，每一列的處理方式相同。

(3)從交織表中取出RI的數(shù)據(jù)。在取RI數(shù)據(jù)時(shí)，采用三層循環(huán)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：從最后一大行開始，第一層為取出列表二的值，根據(jù)該值確定其RI在交織表中列位置偏移，把Qm小行向量的RI數(shù)據(jù)從交織表取出；第二層為列表二中RI所占四列的數(shù)據(jù)是否取完；第三層為大行數(shù)依次遞減，直到把所有的RI信息取出。

(4)在交織時(shí)，ACK的數(shù)據(jù)覆蓋一部分CQI的數(shù)據(jù)，在解交織時(shí)，取出ACK的數(shù)據(jù)，同時(shí)在放置ACK的數(shù)據(jù)位置填0，即實(shí)現(xiàn)對(duì)CQI數(shù)據(jù)的打孔。根據(jù)ACK的長度確定ACK在交織表所占位置，從交織表中取出ACK的數(shù)據(jù)，其處理方式和RI相同，采用三層循環(huán)，在取出數(shù)據(jù)的同時(shí)，把相應(yīng)的位置賦值為0。

(5)在解交織取出CQI的數(shù)據(jù)時(shí)，從交織表中取出的CQI數(shù)據(jù)的原理和RI相同，都是采用三層循環(huán)。只是取CQI數(shù)據(jù)時(shí)需要根據(jù)RI在交織表占用位置的不同情況進(jìn)行。

3 性能分析

在TMS320C6455DSP軟件實(shí)現(xiàn)中,考慮該定點(diǎn)DSP具有每個(gè)周期最多可并行執(zhí)行8條指令的特性。根據(jù)上節(jié)描述的信道交織與解交織的軟件實(shí)現(xiàn)流程，從節(jié)省cycle數(shù)和存儲(chǔ)空間角度出發(fā)，最大程度優(yōu)化程序循環(huán)體，使用并行指令，利用一些指令后的延遲“NOP”指令[5]。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)的長度，通過程序仿真實(shí)現(xiàn)，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3。

表3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3中PUSCH解信道交織時(shí)得到的數(shù)據(jù)是軟信息，每一個(gè)軟信息占16 bit。給出的三路數(shù)據(jù)各自的長度雖然比較特別，但不失一般性。在交織時(shí)由于處理的是比特交織，需要把比特進(jìn)行字節(jié)化，在交織完后，需要字節(jié)比特化級(jí)聯(lián)。而解交織處理的是軟信息，無需此過程，所執(zhí)行的周期明顯的減少。雖然給出簡化方案的運(yùn)算量較大，但是由于采用的TMS320C6455的主頻為1 GHz，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，完全可以滿足實(shí)時(shí)需求。

本文從理論上詳細(xì)分析了PUSCH信道交織的過程，PUSCH信道交織的交織表的行、列是由高層來的參數(shù)確定，與傳輸?shù)娜窋?shù)據(jù)的長度無關(guān)。根據(jù)PUSCH上的三路數(shù)據(jù)采用特殊的分塊交織，提出了一種簡單的方案實(shí)現(xiàn)PUSCH上數(shù)據(jù)復(fù)用和信道交織的模塊與PUSCH解信道交織和數(shù)據(jù)復(fù)用的模塊。將DSP程序輸出的結(jié)果與MATLAB程序輸出的結(jié)果進(jìn)行比較，程序運(yùn)行結(jié)果表明，本方案能夠滿足TD-LTE無線綜合測試儀表的需求。

[1]ZEHAVI.E 8-PSK Trellis Codes for a Rayleigh Fading Channel IEEE Transactions on Communications，1992，40(5)：873-874.

[2]3GPP TS36.212.v8.9.0 Multiplexing and channel coding(Release 9)[S].

[3]汪安民，張松燦.TMS320C6000系列DSP實(shí)用技術(shù)與開發(fā)案例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]石元君.定點(diǎn)DSP除法原理及其TMS-320C6000實(shí)現(xiàn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002(10)：73-74.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP變成工具與指南[M].田黎育，何佩琨，朱夢宇，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2007：30-60.