LTE系統(tǒng)DVRB和DPRB映射的研究與實現(xiàn)

羅 佳，李小文，賈海峰

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065)

在寬帶無線通信系統(tǒng)中，特別是正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的寬帶無線通信系統(tǒng)中，資源塊的劃分是從時域和頻域兩個方向進行的［1－2］，資源塊用于對某些特定信道到資源粒子映射的描述［3］。對于物理層，看到的資源是物理資源塊，物理信道直接映射到物理資源塊上。高層給用戶配置的資源是虛擬的資源，即虛擬資源塊。eNodeB(Evolved Node B)端可以根據(jù)虛擬資源塊同物理資源塊的映射關(guān)系，計算出虛擬資源塊對應(yīng)的物理資源塊，將用戶的數(shù)據(jù)映射到分配給它的物理資源上。虛擬資源塊映射到物理資源塊，不連續(xù)地占用子載波，可以使干擾隨機化，抵抗由于某一段頻率持續(xù)的深衰落造成的性能惡化，可獲得頻率分集增益。PDCCH(Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道)中有一個資源分配域定義了相應(yīng)的PDSCH(Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道)使用的VRB(PRB)資源［4］。PDSCH 的資源分配類型有0，1和2三種［5］。UE(User Equipment，終端)根據(jù)檢測到的 DCI(Downlink Control Information)格式對PDCCH中的資源分配域進行解析。類型0是以RBG(Resource Block Group，資源塊組)為單位，比較簡單，但對于小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，容易造成資源浪費;類型1是以RB(Resource Block，資源塊)為單位，資源分配相對靈活，可獲得更好的頻率分集增益，但每次最多只能分配一個RBG子集中的部分RB。對于類型0，1，只采用集中式虛擬資源塊分布方式。類型2中，可采用集中式或分布式，有1 bit的標(biāo)志位來指示［4－5］。

1 物理資源塊和虛擬資源塊

1.1 物理資源

表1 物理資源塊參數(shù)

1.2 虛擬資源塊

虛擬資源塊用來描述TD－LTE系統(tǒng)下行傳輸所支持的兩種資源映射方式:集中式分配和分布式分配［2］，如圖1所示。由圖2可看出，集中式分配方式將若干連續(xù)子載波分配給一個用戶，這種分配方式的優(yōu)點是信道估計的難度較低，而且系統(tǒng)可通過頻域調(diào)度選擇較優(yōu)的子載波組進行傳輸，從而獲得頻域上的調(diào)度增益和時域上的多用戶分集增益。但缺點是獲得的頻率分集增益較小，用戶平均性能略差。分布式分配方式將分配給一個用戶的子載波分散到整個系統(tǒng)帶寬，從而獲得頻率分集增益。但這種方式下的信道估計較為復(fù)雜。

圖1 虛擬資源塊的兩種資源映射方式

圖2 兩種OFDMA資源分配方式

2 VRB 到 PRB 的映射實現(xiàn)［3－5］

對兩種類型的虛擬資源塊，一個子幀中2個時隙上的成對虛擬資源塊共同分配到一個獨立虛擬資源塊號nVRB。集中式虛擬資源塊直接映射到物理資源塊上，使得虛擬資源塊nVRB與物理資源塊nPRB一一對應(yīng)，即nPRB=nVRB。虛擬資源塊號從0到－1，其中=［3］。

表2 資源塊間隔值

表3 RBG大小與系統(tǒng)帶寬的對應(yīng)關(guān)系

VRB序號按矩陣按行寫入，按列讀出。Nnull空值插入第2和第4列的最后Nnull/2行，其中Nnull=4Nrow－。讀出時忽略空值。包裹交織處理的VRB序號到PRB序號的映射過程如下。

對偶時隙號ns滿足

根據(jù)偶時隙得到奇時隙號ns滿足

對所有ns有

根據(jù)上面的映射過程可以計算出在整個帶寬下VRB與PRB的映射關(guān)系。目前常規(guī)的映射算法是按照3GPP協(xié)議給出的公式首先計算出整個帶寬下VRB與PRB的映射關(guān)系，然后根據(jù)這個映射關(guān)系和用戶分配的VRB計算出其對應(yīng)的物理資源塊索引向量，這個PRB索引向量內(nèi)包含的PRB的索引是亂序的，在進行資源映射時需將這個PRB索引向量進行排序，然后根據(jù)從小到大的順序進行資源塊的映射，該算法較復(fù)雜，計算量大。

3 改進算法分析

基于現(xiàn)有算法實現(xiàn)的缺點，本文提出一種改進算法，簡化了將分布式虛擬資源塊映射到物理資源塊的實現(xiàn)過程，且便于FPGA或DSP實現(xiàn)。

3.1 算法描述

假設(shè)由3GPP協(xié)議的資源分配RIV值等計算得到的偶時隙nVRB序號［4］為nVRB=(16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30，31，32，33，34，35，36，37，38，39)，并根據(jù)協(xié)議計算得到交織單元的行數(shù)Nrow=12，空比特數(shù)Nnull=2及空比特所存放的位置。按行寫入，構(gòu)建交織單元如圖3a所示，陰影部分表示nVRB序號。接著按列依次寫入交織單元如圖3b所示，由圖可直觀地得到序號，如相應(yīng)的陰影部分所示。即(ns)=(4，16，27，39，5，17，28，40，6，18，29，41，7，19，30，42，8，20，31，43，9，21，32，44)。

根據(jù)式(6)可得Ngap－/2=4 ，即(ns)要右移4 位，得到最終的nPRB序號為nPRB=(4，16，31，43，5，17，32，44，6，18，33，45，7，19，34，46，8，20，35，47，9，21，36，48)。3種序號的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

3.2 算法實現(xiàn)

1)首先根據(jù)3GPP協(xié)議分3種情況計算RBstart和LCRBs［4－5］，得到偶時隙nVRB序號。

圖3 交織單元

圖4 3種序號的對應(yīng)關(guān)系

(2)若DCI1A，DCI1B，DCI1D用C－RNTI加擾，要判斷若大小為50 ～110 RB，則令LCRBs=16［5］。

(3)若DCI格式為DCI 1C，則根據(jù)協(xié)議相應(yīng)公式計算得到RBstart和LCRBs。

2)若DCI_gap_value=0，即選擇Ngap，1或當(dāng)DCI_gap_value=1 即選擇Ngap，2，并且RBstart+LCRBs≤，只需一個交織單元，通過下面的步驟得到物理資源塊序號:

(1)交織單元中的虛擬資源的起始序號為start=RBstart，結(jié)束序號end=RBstart+LCRBs－1。

(2)計算交織單元的行數(shù)Nrow和空比特個數(shù)Nnull，從而得到交織單元中未插入NULL的行數(shù)d1=Nrow－Nnull/2;需要插入NULL的行數(shù)d2=Nnull/2;總行數(shù)d=d1+d2。

(3)設(shè)交織器的行序號從0開始，分配的虛擬資源塊在交織器中的起始行序號為r1，結(jié)束行序號為r2，將交織器分為上下兩部分，不包含NULL的行稱為交織器上部，包含NULL的行稱為交織器下部。根據(jù)start和end計算r1和r2。

(4)設(shè)虛擬資源塊對應(yīng)的物理資源塊在交織器中的列向量的索引向量為A1、A2、A3、A4，根據(jù)r1和r2確定A1、A2、A3、A4的值。

首先通過起始行序號r1和r2確定A1和A3的值:A1=［r1，r1+1，…，r2］;A3= ［d+d1+r1，d+d1+r1+1，…，d+d1+r2］。

通過r1，r2和d1的關(guān)系確定A2、A4:

(5)根據(jù)r1，d1和start對向量A1、A2、A3、A4進行處理，判斷方式如下:

if r1＜d1

ifmod(start，4)==0

向量A1A2A3A4保持不變

elseifmod(start，4)==1

去掉中A1的第一個數(shù)據(jù)，其他A2A3A4保持不變

elseifmod(start，4)==2

去掉中A1和A2中的第一個數(shù)據(jù)，其他A3A4保持不變

elseifmod(start，4)==3

去掉中A1，A2和A3和中的第一個數(shù)據(jù)，其他A4保持不變

end

else r1≥d1

ifmod(start，2)==0

向量A1A2A3A4保持不變

elseifmod(start，2)==1

去掉中A1的第一個數(shù)據(jù)，其他A2A3A4保持不變

end

end

(6)根據(jù)r2，d1和end對向量A1，A2，A3，A4進行處理，判斷方式如下:

if r2＜d1

ifmod(end，4)==0

去掉中A2和A3，A4和中的最后一個數(shù)據(jù)，其他A1保持不變

elseifmod(end，4)==1

去掉中A3和A4中的最后一個數(shù)據(jù)，其他A1A2保持不變

elseifmod(end，4)==2

去掉A4中的最后一個數(shù)據(jù)，其他A1A2A3保持不變

elseifmod(end，4)==3

向量A1A2A3A4保持不變

end

else r2≥d1

ifmod(end，2)==0

去掉中A3的第一個數(shù)據(jù)，其他A1A2A4保持不變

elseifmod(end，2)==1

向量A1A2A3A4保持不變

end

end

(7)將A1、A2、A3、A4進行級聯(lián)，得到物理資源塊序號索引A=［A1A2A3A4］，即A0= ［A1A2A3A4］。

3)若DCI_gap_value=1，即選擇Ngap，2并且RBstart+LCRBs＞，則有兩個交織單元。對于第一個交織單元的計算，start=RBstart，end=－1參照步驟2)，得到A;對于第二個交織單元的計算，則按照下面的步驟:

(1)虛擬資源的起始序號為start=0，結(jié)束序號為:end=RBstart+LCRBs－1－。

(2)從上面第3步開始重復(fù)同樣操作得到第二個向量B=［B1B2B3B4］，將得到的向量B中的值都加上得到最終向量，即

(3)將得到的兩個向量級聯(lián)得到最后的物理資源塊索引結(jié)果，即

4)至此，得到偶時隙的物理資源塊分配情況(并非最終結(jié)果，還要根據(jù)判斷條件進行相應(yīng)的偏移)根據(jù)式5)得到奇時隙的PRB分配情況。

5)根據(jù)式(6)進行判斷，并完成將奇偶時隙物理資源塊PRB進行相應(yīng)的偏移，得到最終的PRB序號。

算法的具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

改進算法首先將實現(xiàn)過程分為一個或兩個VRB映射模塊，每個VRB映射模塊的實現(xiàn)過程都是通過計算出分配的VRB的起始和終止在交織矩陣中的位置，然后根據(jù)起始和終止的位置按照交織矩陣的性質(zhì)直接計算出已排好序的物理資源塊索引，最后將多個VRB映射模塊的結(jié)果進行級聯(lián)得到所需的PRB的索引，算法簡單，計算量小，且便于硬件實現(xiàn)。

圖5 算法流程圖

4 性能分析與總結(jié)

根據(jù)算法實現(xiàn)流程，搭建仿真鏈路平臺，進行MATLAB算法驗證和CCS算法實現(xiàn)。在DSP實現(xiàn)中，通過執(zhí)行并行指令優(yōu)化程序循環(huán)體，充分利用“NOP”指令減小循環(huán)周期，使程序最優(yōu)化［6－7］。改進前后虛擬資源塊到物理資源塊映射的運算cycles數(shù)統(tǒng)計如表4，通過表4可看出，該算法大大減少了執(zhí)行周期，降低了計算復(fù)雜度。當(dāng)運用TMS320C64x DSP芯片實現(xiàn)時，完全可以滿足實時性的信號處理，非常適合TD－LTE系統(tǒng)實時性的要求，可以較好地應(yīng)用于TD－LTE系統(tǒng)的實現(xiàn)。

表4 算法改進前后計算復(fù)雜度對比

圖6示出了本文算法壓縮時間的百分比。由于隨著資源塊RB數(shù)的增加，算法復(fù)雜度增大，仿真時間會明顯增大，但當(dāng)采用本文的實現(xiàn)方案，算法復(fù)雜度有明顯的改善，使得當(dāng)RB很大時高效地實現(xiàn)映射。由圖可看出，隨著RB數(shù)的增加，本文算法的優(yōu)勢越明顯，兩種算法的仿真時間比值越小。本文算法相對于傳統(tǒng)算法仿真時間減少為原來的53.3% ～37.3%，整個仿真系統(tǒng)平均仿真時間減少為原來的44.6%。從仿真結(jié)果可以看出，本文算法不但可以保證VRB到PRB映射結(jié)果的正確，還可以節(jié)省大量的仿真時間。

圖6 仿真時間百分比隨資源塊個數(shù)變化圖

本文從理論分析出發(fā)，結(jié)合TD－LTE系統(tǒng)特性，分析了目前常規(guī)的映射算法，提出了一種改進算法，詳細講述了在DSP中的實現(xiàn)方法，并在TMS320C64x DSP上加以實現(xiàn)。程序運行結(jié)果表明，改進后算法能夠滿足TD－LTE系統(tǒng)的需求［8］，具有可行性和高效性。該實現(xiàn)方案已應(yīng)用于TD－LTE射頻一致性測試系統(tǒng)的開發(fā)中。

［1］王映民，孫韶輝.TD－LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［2］沈嘉，索士強，全海洋，等.3GPP長期演進(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2008:280－315.

［3］ 3GPP TS 36.211 v9.1.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA);physical channels and modulation(Release 9)［S］.2010.

［4］ 3GPP TS 36.212 v9.1.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA);multiplexing and channel coding(Release 9)［S］.2010.

［5］ 3GPP TS 36.213 v9.0.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA);physical layer procedures(Release9)［S］.2009.

［6］ Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x/C6－4x+DSPCPU and Instruction Set Reference Guide［EB/OL］.［2013－04－10］.http://www.ti.com.cn.

［7］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP編程工具與指南［M］.田黎育，何佩琨，朱夢宇，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2006:32－50.

［8］ 3GPP TS 36.141 v9.1.0，3rd generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E－UTRA);base station(BS)conformance testing(Release 9)［S］.2010.