TD-LTE預(yù)編碼與資源映射的VLSI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫 璐，張瑞齊，吳 斌

（中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

TD-LTE預(yù)編碼與資源映射的VLSI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫 璐，張瑞齊，吳 斌

（中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

針對(duì)雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的空間復(fù)用預(yù)編碼和資源映射模塊。傳統(tǒng)的空間復(fù)用預(yù)編碼模塊無(wú)法對(duì)串行結(jié)構(gòu)中兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)串行處理，導(dǎo)致在預(yù)編碼之前需要添加緩存模塊，增加了系統(tǒng)的存儲(chǔ)器開(kāi)銷。通過(guò)對(duì)空間復(fù)用預(yù)編碼系數(shù)矩陣進(jìn)行矩陣變換，剝離出兩個(gè)碼字間的加法操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)串行處理。同時(shí)，結(jié)合資源映射模塊的特點(diǎn)，移植了空間復(fù)用預(yù)編碼模塊對(duì)兩個(gè)碼字間的加法操作，并提出了一種新的存儲(chǔ)器復(fù)用方式，從而節(jié)省了緩存模塊，將兩個(gè)模塊中存儲(chǔ)器的資源開(kāi)銷降低 16.4%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的新型空間復(fù)用預(yù)編碼和資源映射模塊相比于同類型設(shè)計(jì)具有控制簡(jiǎn)單、硬件資源開(kāi)銷小等優(yōu)勢(shì)。

預(yù)編碼；資源映射；空間復(fù)用；TD-LTE

0 引言

相對(duì)于單碼字、單天線傳輸，雙碼字、雙天線的TDLTE下行鏈路中的 MIMO系統(tǒng)通過(guò)采用適當(dāng)?shù)念A(yù)編碼技術(shù)對(duì)兩個(gè)碼字的數(shù)據(jù)流進(jìn)行空間復(fù)用，能夠顯著提高頻譜利用率[1]。同時(shí)，LTE系統(tǒng)下行鏈路采用OFDM多址方式，能夠在整個(gè)時(shí)域和頻域上進(jìn)行靈活的資源分配和調(diào)度[3]。資源映射將物理信號(hào)和預(yù)編碼處理后的各個(gè)物理信道，根據(jù)規(guī)則映射在時(shí)、頻域資源上，實(shí)現(xiàn)用戶資源分配的靈活性和高效性[3]。

雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)需對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)串行處理，而傳統(tǒng)的空間復(fù)用預(yù)編碼模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)碼字的串行分時(shí)處理，導(dǎo)致在預(yù)編碼之前需要添加緩存模塊，增加了系統(tǒng)的存儲(chǔ)器開(kāi)銷。

本文針對(duì)雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的空間復(fù)用預(yù)編碼和資源映射模塊。本設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)的預(yù)編碼模塊無(wú)法對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)處理的問(wèn)題，同時(shí)改進(jìn)資源映射模塊并對(duì)其存儲(chǔ)器進(jìn)行復(fù)用，節(jié)省了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的額外緩存，降低了系統(tǒng)的存儲(chǔ)器開(kāi)銷。

1 預(yù)編碼和資源映射

1.1 空間復(fù)用預(yù)編碼算法

空間復(fù)用預(yù)編碼分為開(kāi)環(huán)空間復(fù)用和閉環(huán)空間復(fù)用[4-6]。

1.1.1 閉環(huán)空間復(fù)用

閉環(huán)空間復(fù)用在發(fā)射端利用反饋的信道狀態(tài)信息，然后根據(jù)一定的最優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)傳輸信息進(jìn)行預(yù)編碼[8]。對(duì)于無(wú)循環(huán)延遲情況，雙碼字、雙天線的閉環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼定義為：

其中，y(0)(i)和 y(1)(i)表示預(yù)編碼處理后天線端口 0和 1上的數(shù)據(jù)，x(0)(i)和 x(1)(i)表示層映射輸出的層 0和1上的數(shù)據(jù)。預(yù)編碼矩陣W(i)的大小為2×2，i=0，1，…，為天線端口上數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，為層數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。在雙天線模式下，eNodeB根據(jù)反饋回得預(yù)編碼矩陣指示從參考文獻(xiàn)[4]中選擇中選取W(i)。

1.1.2 開(kāi)環(huán)空間復(fù)用

如果發(fā)射端不需要信道反饋的信道狀態(tài)信息，這種空間復(fù)用稱為開(kāi)環(huán)空間復(fù)用。對(duì)于長(zhǎng)延時(shí)的循環(huán)延遲分集的情況，雙碼字、雙天線的開(kāi)環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼被定義為：

其中，W(i)是預(yù)編碼矩陣，大小為 2×2，i=0，1，…，。D(i)表示循環(huán)延遲分集，為 2×2的對(duì)角陣，U的大小也是2×2。D(i)和U從參考文獻(xiàn)[4]表6.3.4.2.2-1中選擇。在雙天線模式下，開(kāi)環(huán)空間復(fù)用只能從參考文獻(xiàn)[4]表6.3.4.2.3-1中選擇索引為0的W(i)。1.2資源映射

TD-LTE下行鏈路基于OFDM技術(shù)，其幀結(jié)構(gòu)是一個(gè)時(shí)、頻二維資源格。該時(shí)、頻二維資源格的定義可參照參考文獻(xiàn)[4]。

資源映射將物理信號(hào)和預(yù)編碼輸出的不同天線端口上的物理信道按照各自的規(guī)則及時(shí)有效地映射在上述時(shí)、頻二維資源格上[4]。各個(gè)物理信道和物理信號(hào)的映射地址算法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

2 預(yù)編碼與資源映射的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)

雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的串行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)

碼字0和碼字1依次分時(shí)經(jīng)過(guò)加擾和調(diào)制模塊，生成調(diào)制符號(hào)，層映射模塊分別將碼字0和碼字1的調(diào)制符號(hào)映射到層0和層1上，預(yù)編碼模塊選用合適的空間復(fù)用方式將層0和層1的數(shù)據(jù)變換到天線端口0和天線端口1上，接下來(lái)資源映射模塊將不同天線端口上的數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)則映射在OFDM時(shí)、頻資源塊上，最后形成OFDM信號(hào)輸出。

2.2 預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于雙碼字、雙天線的情況，統(tǒng)一式(1)和式(2)，空間復(fù)用預(yù)編碼算法可以表示如下：

其中，N為2×2的矩陣，當(dāng)表示開(kāi)環(huán)空間復(fù)用時(shí)，N=W(i)D(i)U；當(dāng)表示閉環(huán)空間復(fù)用時(shí)，N=W(i)。

對(duì)于雙碼字、雙天線的情況，經(jīng)過(guò)層映射處理后的數(shù)據(jù)與碼字對(duì)應(yīng)的關(guān)系為：

將式(4)、式(5)帶入式(3)可得：

從式(7)可以看出，天線端口 0上的數(shù)據(jù) y(0)需要同時(shí)得到碼字 0的數(shù)據(jù) d(0)和碼字 1的數(shù)據(jù) d(1)，進(jìn)行系數(shù)相乘后做加法操作；同理，天線端口 1上的數(shù)據(jù) y(1)也一樣。

根據(jù)式(7)，可以設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)的空間復(fù)用預(yù)編碼模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。傳統(tǒng)的預(yù)編碼模塊將經(jīng)過(guò)調(diào)制之后串行而來(lái)的碼字 d(i)通過(guò)選擇器進(jìn)行分配，如果是碼字0，則將其存入緩存中；如果是碼字 1，則直接將其送入乘法器與系數(shù)b和e相乘，同時(shí)將緩存中的碼字0取出送入乘法器與系數(shù)a和c相乘。最后將結(jié)果按照式(7)所示分別送入加法器0和 1進(jìn)行加法操作，最終輸出得到天線端口0和1上的數(shù)據(jù)。其中控制單元作為主控制器，控制各個(gè)模塊的工作方式。

圖2 傳統(tǒng)預(yù)編碼模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

但是，傳統(tǒng)的空間復(fù)用預(yù)編碼模塊并不能對(duì)碼字0和碼字1進(jìn)行分時(shí)處理，2.1節(jié)中串行結(jié)構(gòu)的預(yù)編碼模塊需要增加緩存用以存儲(chǔ)先期到達(dá)的碼字0。在TDLTE下行鏈路中，經(jīng)過(guò)調(diào)制之后的單個(gè)碼字包含的最大數(shù)據(jù)量可以達(dá)到 1 200×12個(gè)調(diào)制符號(hào)[4]，本設(shè)計(jì)中采用調(diào)制符號(hào)位寬為 16位，數(shù)據(jù)為 I/Q兩路，因此預(yù)編碼模塊中增加的緩存大小為 2×1 200×12×16=0.460 8 Mb，顯著增加了該模塊的存儲(chǔ)器開(kāi)銷。

為了解決額外存儲(chǔ)器開(kāi)銷的問(wèn)題，對(duì)空間復(fù)用預(yù)編碼算法進(jìn)行改進(jìn)。將式（7）進(jìn)行矩陣變換得到：

通過(guò)變換后，預(yù)編碼將碼字0與碼字1的處理分開(kāi)，剝離出兩者的加法操作，這樣便不需要兩個(gè)碼字的數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)碼字的分時(shí)串行處理。令：

將式(7)～式(10)代入式(6)得到：

根據(jù)式(8)～式(13)并剝離加法操作，可以設(shè)計(jì)出改進(jìn)后的新型空間復(fù)用預(yù)編碼模塊，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 新型預(yù)編碼模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

相對(duì)于傳統(tǒng)預(yù)編碼模塊，改進(jìn)后的新型預(yù)編碼模塊去掉了緩存單元和最終的加法器。串行而來(lái)的碼字0、碼字1經(jīng)過(guò)選擇器分別乘以系數(shù)a、c和b、e，得到天線端口0和1上的中間變量和，然后再經(jīng)過(guò)選擇器輸出。碼字間的加法操作將會(huì)被移植在隨后的資源映射模塊進(jìn)行。

2.3 資源映射的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)資源映射的算法，可以設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)的資源映射模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。

資源映射模塊用一塊存儲(chǔ)器作為OFDM時(shí)、頻資源的實(shí)體，其包含四塊同等大小的緩存0-4，每?jī)蓧K對(duì)應(yīng)一個(gè)天線端口的時(shí)、頻資源格，在寫(xiě)入、讀取時(shí)做乒乓操作以讓幀數(shù)據(jù)流水處理[9]?？刂茊卧凑崭鱾€(gè)物理信道和信號(hào)的映射地址算法在寫(xiě)地址生成模塊生成相應(yīng)寫(xiě)地址，將天線端口0和1的數(shù)據(jù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)緩存中，完成資源映射，最后控制單元按要求控制讀地址生成模塊生成讀地址，將緩存中兩個(gè)天線端口上的數(shù)據(jù)讀出并輸出。

傳統(tǒng)的資源映射模塊并不能進(jìn)行分時(shí)串行處理，但是注意到其特有的存儲(chǔ)器資源可以作為分時(shí)串行處理兩個(gè)碼字所需的緩存。因此，根據(jù)新型空間復(fù)用預(yù)編碼模塊的工作特性，通過(guò)復(fù)用資源映射模塊的存儲(chǔ)器資源，設(shè)計(jì)了改進(jìn)后的新型資源映射模塊，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)資源映射模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 新型資源映射模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

新型資源映射模塊增加了加法模塊，其輸入是新型空間復(fù)用預(yù)編碼模塊輸出的天線端口0和1上的中間變量。當(dāng)中間變量是由碼字0產(chǎn)生時(shí)，將其直接寫(xiě)入對(duì)應(yīng)天線的緩存；當(dāng)中間變量為碼字1時(shí)，將緩存中碼字0的中間變量取出，與碼字1的中間變量對(duì)應(yīng)相加，此時(shí)的相加結(jié)果即為預(yù)編碼的完整輸出，完成預(yù)編碼的操作，最后將此結(jié)果寫(xiě)入對(duì)應(yīng)緩存，完成資源映射操作。這樣，新型預(yù)編碼模塊不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)碼字的分時(shí)串行處理，同時(shí)節(jié)省了傳統(tǒng)預(yù)編碼模塊的額外存儲(chǔ)器開(kāi)銷。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用基于Altera StratixIV系列的 EP4SGX530-KH40C3 FPGA芯片平臺(tái)進(jìn)行綜合。系統(tǒng)采用的工作時(shí)鐘頻率為122.88 MHz，調(diào)制符號(hào)位寬為 16位，分別對(duì)傳統(tǒng)和新型的空間復(fù)用預(yù)編碼、資源映射模塊進(jìn)行綜合并將其資源開(kāi)銷進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

從表中可以看出，改進(jìn)后的新型實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在組合邏輯和寄存器邏輯開(kāi)銷上有略微減小，而存儲(chǔ)器開(kāi)銷顯著降低了16.4%。

表1 改進(jìn)前、后串行結(jié)構(gòu)資源開(kāi)銷比較

3.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)中的新型空間復(fù)用預(yù)編碼模塊和資源映射模塊已應(yīng)用到圖1所示的雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的VLSI系統(tǒng)架構(gòu)中。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能與性能，搭建了如圖6的硬件驗(yàn)證平臺(tái)，采用了 Altera公司 Stratix IV系列的 FPGA芯片EP4SGX230KF40C3，同時(shí)為TD-LTE下行鏈路設(shè)計(jì)了基于AD9361芯片的射頻系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了整體系統(tǒng)的測(cè)試軟件，通過(guò) TD-LTE協(xié)議框架下多種業(yè)務(wù)層面的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試項(xiàng)，完成了對(duì)該TD-LTE下行鏈路系統(tǒng)的功能和性能的驗(yàn)證，系統(tǒng)指標(biāo)完全滿足協(xié)議 36.141的測(cè)試指標(biāo)要求。

圖6 硬件驗(yàn)證平臺(tái)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型空間復(fù)用預(yù)編碼和資源映射模塊。該設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)無(wú)法對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)串行處理的問(wèn)題，同時(shí)節(jié)省了實(shí)現(xiàn)中的額外緩存，將模塊中存儲(chǔ)器開(kāi)銷降低16.4%。

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VLSI design and implementation of pre-coding and resource mapping for TD-LTE system

Sun Lu，Zhang Ruiqi，Wu Bin
(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Science,Beijing 100029，China)

In this paper,a novel spatial multiplexing pre-coding and resource mapping module is designed for serial implementation architecture of downlink TD-LTE system with double code words and dual-antenna.The traditional spatial multiplexing pre-coding module can't process two code words in different time serially.Therefore,a buffer is needed before pre-coding processing,which leads to extra memory overhead of the system.By transferring the coefficient matrix of the spatial multiplexing pre-coding,the addition operation of two code words is removed in order to make the pre-coding module capable to process two code words in different time serially.Besides,according to the features of resource mapping module,the addition operation of two code words is transplanted from the spatial multiplexing pre-coding module and a new way to multiplexing memory is put forward,which can save the buffer mentioned before and reduce the memory overhead in the two modules by 16.4%.The experimental results show that,compared to the same type of design，the novel spatial multiplexing pre-coding and resource mapping module in this paper have the advantages of simple control and low hardware cost.

pre-coding；resource mapping；spatial multiplexing；TD-LTE

TP492

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.017

孫璐，張瑞齊，吳斌.TD-LTE預(yù)編碼與資源映射的VLSI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：61-64.

英文引用格式：Sun Lu，Zhang Ruiqi，Wu Bin.VLSI design and implementation of pre-coding and resource mapping for TD-LTE system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：61-64.

2015-05-08)

孫璐（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：寬帶通信基帶算法研究與實(shí)現(xiàn)。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（Y4GZ342001）

張瑞齊（1979-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：移動(dòng)通信算法研究和設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)信號(hào)處理VLSI體系架構(gòu)。

吳斌（1976-），博士，研究員，主要研究方向：寬帶通信SoC體系架構(gòu)，實(shí)時(shí)信號(hào)處理 VLSI體系架構(gòu)。