面向LTE-A寬帶通信的并行比特協(xié)處理器*

管　武，梁利平，胡巧芝

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029)

面向LTE-A寬帶通信的并行比特協(xié)處理器*

管武，梁利平，胡巧芝

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029)

通過時(shí)分復(fù)用的硬件方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了面向LTE-A寬帶通信的PBC(Parallel Bit Coprocessor)并行比特協(xié)處理器。該協(xié)處理器支持2G/3G/LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)的高速比特處理。協(xié)處理器以并行計(jì)算的結(jié)構(gòu)，支持CRC校驗(yàn)、卷積碼/Turbo碼編解碼、比特交織等寬帶通信中的比特處理，吞吐率達(dá)600 Mb/s。在65 nm CMOS工藝下，該譯碼器面積約為1.9mm×2.1mm，slow case下時(shí)鐘速率550 MHz；工作在510 MHz時(shí)，可完成面向LTE-A的600 Mb/s高速比特處理需求。

LTE-A；CRC校驗(yàn)；卷積碼；Turbo碼；交織；并行比特處理

0　引言

LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)是 3GPP最大的新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，它以其優(yōu)異的性能成為4G通信的標(biāo)準(zhǔn)。它上行峰值速率500 Mb/s，上行峰值頻譜利用率15 Mbps/Hz，下行峰值速率1 Gb/s，下行峰值頻譜利用率30 Mbps/Hz[1-2]。LTE-A的研究和開發(fā)已經(jīng)成為現(xiàn)在通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

然而，其高速率的比特處理為LTE-A的實(shí)現(xiàn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。Bickerstaff等設(shè)計(jì)了支持卷積碼和Turbo碼的可配置譯碼器[3]。Vogt等實(shí)現(xiàn)了對卷積碼、Turbo碼和LDPC碼的譯碼[4-6]。但是，這些協(xié)處理器僅支持信道編解碼處理，缺少對CRC校驗(yàn)和交織的支持，且速率偏低。

為了適應(yīng)LTE-A上行300 Mb/s、下行 600 Mb/s的通信要求，本文設(shè)計(jì)了一種兼容CRC校驗(yàn)、卷積碼、Turbo碼和交織的通用并行比特協(xié)處理器。這種協(xié)處理器通過時(shí)分的方法，可以實(shí)現(xiàn)并行的 CRC校驗(yàn)[7]、卷積碼的Viterbi譯碼[8]、Turbo碼MAX-Log-MAP譯碼[9]與信道交織[10]。通過可配置的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)面向 2G/3G/LTE/ LTE-A等模式的高速比特處理。這種通用的并行比特協(xié)處理器降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算器的通用化。

1　面向LTE-A的比特處理

2G/3G/LTE/LTE-A通信的比特處理包含 CRC校驗(yàn)、卷積/Turbo編碼和交織，如圖1所示。特別對于LTE-A系統(tǒng)來說，首先輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行 CRC校驗(yàn)；然后校驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3碼率的卷積/Turbo編碼，輸出編碼數(shù)據(jù)；編碼數(shù)據(jù)再進(jìn)行內(nèi)交織合并，組成一個(gè)交織編碼序列；編碼序列進(jìn)行速率匹配截?cái)?，變成刪截序列輸出。

對于接收端，HARQ模式可以將多個(gè)接收得到的符號序列組合，輸入給解交織模塊；解交織模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織，變成3路數(shù)據(jù)；解碼器將3路數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到比特輸出，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)，輸出最終比特。

典型LTE-A上行300 Mb/s、下行600 Mb/s的需求，要求發(fā)送端的信息速率為300 Mb/s，接收端的信息速率為600 Mb/s。其高速率的比特處理為LTE-A的實(shí)現(xiàn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，需要采用并行的模式，實(shí)行高速率的比特處理。

圖1　2G/3G/LTE/LTE-A通信中的比特處理

2　并行比特協(xié)處理器

協(xié)處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示，共有硬件執(zhí)行單元6個(gè)，其中：（1）CRCEnc/CRCDec，執(zhí)行CRC編解碼；（2）Intlv/Deintlv，執(zhí)行交織和解交織；（3）FECEnc/FECDec，執(zhí)行核心卷積碼和Turbo碼的編碼及解碼。

圖2　高速并行比特協(xié)處理器結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，協(xié)處理器還有 4類存儲器，其中：（1）C0～C5/ P0～P1，其中C0～C5為 256×192的 RAM，P0～P1為 256× 256的RAM。RAM中，C0～C2/P0為第一組，C3～C5/P1為第二組。8塊RAM通過乒乓的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這兩組RAM主要供編碼的比特或譯碼的軟信息的輸入或輸出。（2）B0～B4，為768×64的RAM，主要供交織運(yùn)算。（3）ExRAM，為256×1 280的大塊RAM，主要供譯碼中間狀態(tài)的保存。（4）IntlvRAM，為512×32的小塊RAM，主要供Turbo碼的編解碼交織器的暫存。

此外，協(xié)處理器還包括3個(gè)總線。一個(gè)256位寬總線，供DMA輸入輸出；一個(gè)64比特總線，供交織數(shù)據(jù)傳遞；一個(gè)32位總線，供APB端口進(jìn)行協(xié)處理器的配置處理。

2.1CRCEnc/CRCDec

CRC校驗(yàn)的基本思想是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進(jìn)制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的監(jiān)督碼(既CRC碼)r bit，并附在信息后邊，構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共(k+r)bit，最后發(fā)送出去。在接收端，則根據(jù)信息碼與CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳送中是否出錯(cuò)。

并行CRC的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先，完成CRC生成矩陣的配置，然后進(jìn)行 CRC的計(jì)算。由于系統(tǒng)32 bit字的要求，其輸入/輸出均為32 bit字，內(nèi)部CRC并行位數(shù)M由配置決定。CRC并行硬件包含3步：

(1)首先完成 32 bit并行字到 M bit并行字的轉(zhuǎn)換，為CRC矩陣乘法提供輸入；

(2)實(shí)現(xiàn)M bit并行數(shù)據(jù)加r bit余數(shù)與M×(r+M)矩陣的比特乘法；

(3)最后將r bit并行余數(shù)字轉(zhuǎn)換為32 bit并行字，為CRC的輸出。

圖3　并行CRC硬件結(jié)構(gòu)

這里，編解碼的操作實(shí)際上是一樣的，不過，CRC編碼輸入k bit數(shù)據(jù)，需要給出r+k bit比特輸出；CRC解碼輸入r+k bit數(shù)據(jù)，輸出為k bit比特和CRC校驗(yàn)指示符。

2.2FECEnc/FECDec

卷積碼和Turbo碼等FEC碼的編解碼，在待發(fā)送的原始信息流中，按照一定的規(guī)律附加一些監(jiān)督碼元，這些多余的碼元與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互約束。在接收端接收到通過差錯(cuò)控制編碼的信息后，再按照既定的規(guī)則檢驗(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤，信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系就會受到破壞，而從中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，乃至糾正錯(cuò)誤。

典型的卷積碼/Turbo碼信道編碼器框圖如圖4所示。FECEnc采用Turbo碼編碼結(jié)構(gòu)，采取巧妙、獨(dú)特的措施將普通的RSC(遞歸系統(tǒng)卷積碼)組成元素重新排列，達(dá)到了非凡的性能。當(dāng)FECEnc進(jìn)行卷積碼編碼時(shí)，將Intlv模式配制成直通模式即可。

圖4　典型的FECEnc編碼圖

FECDec并行譯碼器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，包含交織地址生成模塊（TurboIntlv）、數(shù)據(jù)并行分發(fā)（Parallel Reshp）、狀態(tài)度量計(jì)算（Metric）和似然比軟信息計(jì)算（LLR）模塊，此外，還包含一個(gè)寬口存儲ExRAM。

交織地址生成模塊（TurboIntlv）計(jì)算 3G/LTE/LTE-A等系統(tǒng)中的Turbo碼交織器序列，并傳遞給數(shù)據(jù)并發(fā)單元。由于在Turbo譯碼時(shí)有前向遞歸和后向遞歸，因此其交織器有正反序交織輸出的能力。

圖5　并行譯碼器硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)并行分發(fā)模塊將輸入的 32路信道信息 Mesg、32路信道校驗(yàn)Parity和32路外信息LLR根據(jù)交織器的交織地址進(jìn)行行內(nèi)交織，分發(fā)到32路支路度量計(jì)算單元。

度量計(jì)算模塊包含支路度量的計(jì)算和狀態(tài)度量的計(jì)算。

根據(jù)支路度量進(jìn)行遞歸運(yùn)算，即可得到前向狀態(tài)度量 Ak(s)和后向狀態(tài)度量 Bk(s)為：

這里，由于Turbo碼前向狀態(tài)度量、Turbo碼后向狀態(tài)度量和卷積碼狀態(tài)度量計(jì)算的輸入是不同的，所以輸入是根據(jù)配置3選1的。同時(shí)，為了保證輸出的量化精度，輸出需要?dú)w一化，所以其執(zhí)行模塊是3選1的加比選后再歸一化，歸一化參數(shù)為或。

似然比軟信息計(jì)算模塊計(jì)算譯碼的軟信息，主要包含4步：

(1)加法，即完成前后度量的綜合，當(dāng) uk=+1/-1時(shí)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移各有8個(gè)。

(3)似然比計(jì)算，即+1的似然比減去-1的似然比，得到先驗(yàn)信息為：

(4)最后，計(jì)算判決似然比，即：

整個(gè)模塊以可配置的模式，完成對各種卷積碼和Turbo碼的解碼運(yùn)算。

2.3Intlv/Deintlv

為了實(shí)現(xiàn)各種速率的要求，在編碼之后需要進(jìn)行速率匹配。

速率匹配的作用是根據(jù)系統(tǒng)要求，通過增減比特?cái)?shù)，將編碼器的輸出速率調(diào)整到所需要的碼率。LTE針對Turbo碼和咬尾卷積碼采用了不同的速率匹配機(jī)制。速率匹配是通過交織來實(shí)現(xiàn)的。然而，LTE-A上行信息速率300 Mb/s，速率較高，需要并行的交織器完成數(shù)據(jù)交織，交織結(jié)構(gòu)如圖6所示。交織器根據(jù)8路交織地址，選擇8路比特，然后對這些比特進(jìn)行合并，組成32 bit的字輸出。

圖6　速率匹配交織器硬件結(jié)構(gòu)

解交織結(jié)構(gòu)如圖7所示，需要將索引間隔為32的數(shù)據(jù)變換成索引間隔為L(L為滑窗譯碼的窗長)的數(shù)據(jù)。解交織分兩步進(jìn)行：首先將索引間隔為32的數(shù)據(jù)變換成索引間隔為1的數(shù)據(jù)；然后將索引間隔為1的數(shù)據(jù)變換成索引間隔為L（L為滑窗譯碼的窗長）的數(shù)據(jù)。

圖7　解交織硬件結(jié)構(gòu)

(1)將索引間隔為32的數(shù)據(jù)變換成索引間隔為1的數(shù)據(jù)。解交織器根據(jù)交織索引，生成列數(shù)據(jù)讀地址。每次讀入1列，讀8次，讀入8列。然后8列數(shù)據(jù)進(jìn)行裝置，再按照行輸出，即完成數(shù)據(jù)的第一步解交織。

(2)將索引間隔為 1的數(shù)據(jù)變換成索引間隔為 L(L為滑窗譯碼的窗長)的數(shù)據(jù)。解交織器根據(jù)交織索引，生成行數(shù)據(jù)讀地址。每次讀入1行，讀8次，讀入8行。然后8行數(shù)據(jù)進(jìn)行裝置，再按照列輸出，即完成數(shù)據(jù)的解交織。這樣的數(shù)據(jù)可以被后面的解碼器并行使用，便于譯碼。

3　性能資源

本文在65 nm CMOS工藝下，實(shí)現(xiàn)了可配置多模式并行比特協(xié)處理器。譯碼器面積 1.9mm×2.1mm，slow case下時(shí)鐘速率達(dá) 600 Mb/s。支持 CRC校驗(yàn)、卷積碼/ Turbo碼和交織。并行比特協(xié)處理器版圖如圖8所示。

圖8　并行比特協(xié)處理器版圖

協(xié)處理器進(jìn)行LTE-A上行比特處理時(shí)，占用帶寬431 MHz；進(jìn)行下行解交織處理時(shí)，占用帶寬506 MHz；進(jìn)行下行解碼時(shí)，占用帶寬508 MHz。由于系統(tǒng)采用乒乓結(jié)構(gòu)完成，且時(shí)鐘頻率可達(dá) 550 MHz，故可以通過時(shí)分的結(jié)構(gòu)完成面向LTE-A的高速比特處理。運(yùn)行速率如表1所示。

表1　協(xié)處理器運(yùn)算速率

4　結(jié)論

本文介紹了一種面向LTE-A寬帶通信的PBC協(xié)處理器。通過可配置的結(jié)構(gòu)，該協(xié)處理器支持2G/3G/LTE/ LTE-A標(biāo)準(zhǔn)的高速比特處理，包括600 Mb/s的 CRC校驗(yàn)編解碼、卷積/Turbo編解碼和交織/解交織。在 65 nm CMOS工藝下，該譯碼器資源約為 1.9mm×2.1mm，slow case下時(shí)鐘速率 550 MHz；工作在510 MHz時(shí)，可完成面向LTE-A的600 Mb/s高速比特處理需求。

[1]秉毅，張?jiān)朴?LTE/LTE-A技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2010(5)：25-28.

[2]張光輝，孫震強(qiáng)，許森.4G在 3GPP的演進(jìn)和 5G展望[J].電信技術(shù)，2013(12)：12-17.

[3]BICKERSTAFF M A，GARRETT D，THOMAS C，et al.A unifed turbo/viterbi channel decoder for 3GPP mobile wireless in 0.18 um CMOS[C].IEEE International Solid-State Cuircuits Conference(ISSCC'02).San Francisco，CA：Feb. 2002：124，451.

[4]VOGT T，WEHN N.A reconfigurable application specific instruction set processor for convolutional and turbo decoding in a sdr environment[C].Proceedings of Design，Automation and Test in Europe(DATE'08).Munich，Germany：Mar.2008.

[5]ALLES M，VOGT T，WEHN N.Flexichap:A reconfigurable ASIP for convolutional,turbo,and LDPC code decoding[C]. International Symposium on Turbo Coding(TURBO CODING′08).Lausanne，Switzerland：Sept.2008.

[6]DIELISSEN J，ENGIN N，SAWITZKI S，et al.Multistandard FEC decoders for wireless devices[J].IEEE Transaction on Circuits And Systems—II：Express Briefs，2008，55(3)：284-288.

[7]許培培，賈鉑奇，余金培，等.一種通用并行 CRC計(jì)算原理及其實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（27）：110-111.

[8]段高攀，杜慧敏，韓俊剛，等.可編程 Viterbi譯碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(3)：29-31.

[9]汪漢新，葉俊民.基于Turbo碼的Max-Log-MAP譯碼算法的改進(jìn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013(16)：37-39.

[10]劉輝，陳小亭，李小文.LTE系統(tǒng)中基于FPGA速率匹配算法的仿真及實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013(7)：14-16.

A parallel bit coprocessor for LTE-A wideband communication

Guan Wu，Liang Liping，Hu Qiaozhi
(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)

In this paper，a parallel bit coprocessor for LTE-A widebande communications is presented.It can finish the bit processing for 2G/3G/LTE/LTE-A communications including a CRC checker,a channel codec and a bit interleaver,with 600 Mb/s thoughputs.Realized as a configrable coprocessor,it allows high-thoughput bit-processing for a vast number of different communication standards with just one single IPcore.Implemented in 65 nm technology,it results in a bit processing throughput of 600 Mb/s for LTE-A systems,at 510 MHz for an area of 1.9mm×2.1mm.

LTE-A；CRC checker；convolutional codes；Turbo codes；interleaver；parallel bit processing

TN911.22

A

0258-7998(2015)01-0042-04

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014062902390

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61102073）

2014-06-29)

管武(1981-)，男，博士，副研究員，主要研究方向：信道編碼及通信與信息系統(tǒng)。

梁利平(1969-)，男，研究員，主要研究方向：多核處理器、軟件無線電以及基于芯片的通信系統(tǒng)(SOC)。

胡巧芝(1985-)，男，碩士，主要研究方向：通信信號處理及通信與信息系統(tǒng)。