查表法實現(xiàn)LTE中Turbo碼解速率匹配

郭 杰

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

查表法實現(xiàn)LTE中Turbo碼解速率匹配

郭 杰

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

針對現(xiàn)有TD-LTE基帶處理模塊因信道解碼速度慢導(dǎo)致達不到理論峰值速率的問題，本文在深入研究了3GPP協(xié)議中的速率匹配算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于查表法快速實現(xiàn)解速率匹配的算法。優(yōu)化后的時延表明該算法有良好的執(zhí)行效率，此方案推動了TD-LTE基帶處理模塊上行理論峰值速率，為加快超級基站發(fā)展提供了動力。

LTE；速率匹配；查表法；處理時延

1 引言

長期演進（LTE）采用正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）等關(guān)鍵技術(shù)，極大地提高了無線通信系統(tǒng)的傳輸速率。LTE業(yè)務(wù)信道比特級處理流程包括傳輸塊循環(huán)冗余校驗（CRC）、碼塊分割與碼塊CRC、速率匹配、Turbo編碼、碼塊級聯(lián)等。速率匹配是其中的重要步驟，它是將傳輸信道上的比特打孔或重發(fā)，以匹配物理信道的承載能力。當輸入的比特數(shù)超過物理信道的承載能力時，就將輸入序列打孔，反之則對輸入序列重發(fā)。通過速率匹配控制產(chǎn)生不同的傳輸碼率，平衡了傳輸有效性和可靠性之間的關(guān)系。在硬件上實現(xiàn)LTE系統(tǒng)的基帶處理單元時，常采用DSP芯片。但是，如果直接按照3GPP協(xié)議進行編程，處理延時將會很大，現(xiàn)有TD-LTE基站為了保證連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，且不出現(xiàn)資源沖突，每個子幀的處理必須在1ms內(nèi)完成。但現(xiàn)有的儀表不能達到此要求，也就不能實現(xiàn)上行全速率。在此背景下，為了實現(xiàn)上行的峰值速率，必須對上行信道的譯碼進行優(yōu)化，而其中解速率匹配又是關(guān)鍵的一步。本文通過深入研究3GPP協(xié)議中的速率匹配算法，提出了一種基于查表法快速實現(xiàn)解速率匹配的算法。優(yōu)化前后處理時間對比結(jié)果表明，該算法能夠大大提高解速率匹配的速度。

2 速率匹配算法

LTE采用Turbo編碼的傳輸信道的速率匹配是以碼塊（CB）為單位進行的，主要分為子塊交織，比特收集，比特選擇和刪減三個子過程。如圖1所示。

圖1 Turbo編碼速率匹配流程圖

2.1 子塊交織處理

（1）令交織矩陣的列數(shù)，矩陣的行數(shù)為滿足的最小的整數(shù)，的最大值是193。

0列位置開始逐行寫入比特序列yk。

表1 子塊交織器列間置換模式

2.2 比特收集，選擇和裁剪

用Ncb表示第r個碼塊軟緩存的比特長度。用E表示第r個碼塊的速率匹配的輸出序列長度，速率匹配的輸出序列表示為ek，k=0,1,...,E-1。

令

式中，rvidx表示該傳輸?shù)娜哂喟姹咎枺╮vidx=0, 1, 2, 3）。從開始從虛擬循環(huán)緩存器中取出數(shù)據(jù)；在取數(shù)據(jù)時，若是填充比特則跳過，否則輸出到ek序列中；若到虛擬循環(huán)緩存器的邊界Ncb，則又回到0處；直到輸出數(shù)據(jù)個數(shù)等于E為止。

3 查表法實現(xiàn)解速率匹配

速率匹配是一個對發(fā)送比特打孔或重發(fā)的過程，解速率匹配是速率匹配的逆過程，也即是由ek得到的過程。令ek的數(shù)據(jù)索引號為k，與ek相對應(yīng)的wk的數(shù)據(jù)索引號為j，與ek相對應(yīng)的的數(shù)據(jù)索引號為i，如果能夠找到k與j，j與i的對應(yīng)關(guān)系，那么就能夠得到k和i的對應(yīng)關(guān)系，也即是解速率匹配輸入與輸出數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。

為方便描述，令解子塊交織器的三路輸出從上至下分別為子塊0，子塊1，子塊2。k與j，j與i的對應(yīng)關(guān)系不僅適用于解速率匹配過程，也適用于速率匹配過程，推導(dǎo)以速率匹配過程進行。

圖2 Turbo編碼解速率匹配流程圖

3.1 索引號i和j對應(yīng)關(guān)系推導(dǎo)

對于子塊1，和子塊0的區(qū)別在于比特收集后，子塊0占據(jù)虛擬循環(huán)緩存前1/3位置，子塊1和子塊2從虛擬循環(huán)緩存的1/3位置開始奇偶交替擺放；對于子塊2，觀察子塊2的交織函數(shù)知，子塊2和子塊1的區(qū)別在與子塊2在子塊交織過程中有一個向后的偏移。

由上述分析可得到與各子塊對應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)索引i和其在虛擬循環(huán)緩存中的索引j對應(yīng)關(guān)系如下：

3.2 索引號k和j對應(yīng)關(guān)系推導(dǎo)

由2.2小節(jié)知，比特選擇和刪除是一個循環(huán)讀虛擬循環(huán)緩存中數(shù)據(jù)，如果遇到尾比特就跳過，不是尾比特就輸出的過程，因此可得出虛擬循環(huán)緩存數(shù)據(jù)索引j和輸出數(shù)據(jù)索引k對應(yīng)關(guān)系如下：

N表示虛擬循環(huán)緩存中第j個數(shù)據(jù)到k0之間的尾比特數(shù)量。N值的推導(dǎo)過程為：將虛擬循環(huán)緩存中任意位置j到k0之間的尾比特數(shù)量存成表，令q0表表示子塊0對應(yīng)的表，令q12表表示子塊1和子塊2對應(yīng)的表。表的推導(dǎo)如下：

對LT E協(xié)議規(guī)定的所有可能的碼塊長度分析知，子塊交織過程中填充的尾比特數(shù)量有4,12,20,28四種情況，并且當碼塊長度大于1024后填充的尾比特數(shù)量必定是28。尾比特數(shù)量不同，表也不同，考慮到碼塊長度大于1024的碼塊種類最多，因此，以尾比特數(shù)量為28為例進行推導(dǎo)。因為尾比特數(shù)量為28，所以列變換后p表的后4個數(shù)據(jù)所對應(yīng)的列將沒有尾比特，即7,23,15,31列，所以可以根據(jù)數(shù)據(jù)在虛擬循環(huán)緩存中的位置計算出該數(shù)據(jù)距離虛擬循環(huán)緩存首元素有多少個尾比特，由于數(shù)據(jù)落在一個范圍內(nèi)尾比特數(shù)量是固定的（對于子塊0，該范圍是；對于子塊1和子塊2，該范圍是2），所以可以得到關(guān)于尾比特數(shù)量的q表，即在虛擬循環(huán)緩存中，第0個子塊尾比特位置為*i(0<=i<32,且i!=7,23,15,31)；第1個子塊尾比特位置為2*i+K(0<=i<32，且Πi!=7,23,25,31)，第2個子塊尾比特位置即為2*i+KΠ+1(0<=i<32，且i!=27,7,23,15,31)。

子塊0對應(yīng)虛擬循環(huán)緩存前1/3區(qū)間，該段區(qū)間內(nèi)尾比特間隔是以為單位的，所以j/即表示子塊0對應(yīng)的j落在哪一段區(qū)間內(nèi)，子塊1和子塊2落在虛擬循環(huán)緩存后2/3位置，且尾比特間隔為2，所以(j-*32)/(2) =P[(i+D1)&31](P[(i+D1-1)&31])即表示子塊1（子塊2）對應(yīng)的j落在那一段R區(qū)間內(nèi)。

00素間的尾比特數(shù)量。由此推導(dǎo)出N的計算公式如下：

將3.1節(jié)推導(dǎo)的i和j以及3.2小節(jié)推導(dǎo)的k和j對應(yīng)關(guān)系合并，便可得到各子塊輸出數(shù)據(jù)索引i和其對應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)索引k的對應(yīng)關(guān)系。

4 性能分析

基于TI公司的TMS320TCI6618DSP芯片編程，采用CCS軟件模擬仿真，以驗證優(yōu)化代碼的正確性，并在DSP上運行以比較優(yōu)化前后代碼的性能。以上行PUSCH信道為例，在最大TBS配置下，一個子幀內(nèi)解速率匹配處理13個碼塊，總處理時延為1.17ms，在4個核并行處理的情況下，一個核最多處理4個碼塊，處理時延降到了0.36ms。

5 結(jié)束語

由于大量不必要的數(shù)據(jù)搬移以及不能充分發(fā)揮DSP芯片的特點，導(dǎo)致解速率匹配處理時延過長?；诓楸矸ǖ慕馑俾势ヅ渌惴ūM可能地減少了不必要的數(shù)據(jù)搬移，并通過將尾比特數(shù)量信息存在預(yù)先計算好的表中，省去了很多協(xié)議中的步驟，大大減小了處理時延，保證了基帶模塊的整體處理效率。

[1] 3GPP 36.212, Multiplexing and Channel Codeing(E-UTRA)[S]. Europe 3GPP. 2008.

[2] 牛金海．TMS320C66x KeyStone架構(gòu)多核DSP入門與實例精解[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2014

[3] 王映民，孫韶輝等．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

[4] 李小文，王振宇．TD-LTE系統(tǒng)Turbo速率匹配算法及DSP實現(xiàn)．電子技術(shù)應(yīng)用，2012;38(5):52-55

助力青少年航天科普 護航“八一·少年行”衛(wèi)星

2016年12月28日，科普小衛(wèi)星“八一·少年行”星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。受北京八一學(xué)校和中國航天科技集團委托，中心積極協(xié)調(diào)處理，在極短時間內(nèi)圓滿完成了該星發(fā)射前的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料編制、國際申報、國內(nèi)頻率協(xié)調(diào)以及空間電臺執(zhí)照申請等工作。

今年9月，習(xí)近平總書記在參觀北京八一學(xué)校科普小衛(wèi)星課堂時，聽取了學(xué)生們對模擬衛(wèi)星研制相關(guān)情況的介紹，贊揚了學(xué)生們的創(chuàng)新精神，鼓勵師生們繼續(xù)開展科學(xué)探索，并對未來發(fā)射科普小衛(wèi)星寄予希望。此次“八一·少年行”星的成功發(fā)射，對于帶動我國青少年航天知識教育、廣泛普及航天知識具有重要意義。

“八一·少年行”星是長約12厘米、寬約11厘米、高20厘米的立方星，星上搭載了相機、通信、對地傳輸、測控等載荷，是我國首顆由中學(xué)生全程參與研制并主導(dǎo)載荷設(shè)計的衛(wèi)星。

中心承擔(dān)《無線電臺站創(chuàng)新管理研究》課題通過評審

近日，工信部無線電管理局在京召開評審會，對中心承擔(dān)的《無線電臺站創(chuàng)新管理研究》課題進行評審。工信部無線電管理局副局長宋起柱出席會議并講話，地面業(yè)務(wù)處負責(zé)同志與會。

會上，評審專家聽取了課題組關(guān)于無線電臺站創(chuàng)新管理的研究情況，觀看了基站電子執(zhí)照管理系統(tǒng)的現(xiàn)場演示，審閱了課題研究報告。評審組經(jīng)討論一致認為，課題研究報告緊貼當前無線電管理的實際和需求，內(nèi)容全面、邏輯清晰、建議可行，具有實際可操作性，同意通過結(jié)題評審。

宋起柱副局長總結(jié)說，該課題做的很實，提出了多項建設(shè)性、創(chuàng)新性舉措建議，希望中心繼續(xù)做好相關(guān)技術(shù)標準研究，進一步提升我國無線電臺站管理科學(xué)化水平。

《無線電臺站創(chuàng)新管理研究》從公眾移動通信基站和大功率無線電發(fā)射臺站管理存在的問題和不足入手，研究分階段實施基站分類管理、建立定期會商制度、推行電子執(zhí)照等基站管理創(chuàng)新舉措，提出了綜合運用監(jiān)測網(wǎng)系和傳感網(wǎng)技術(shù)提升大功率無線電臺站管理水平的思路建議，為優(yōu)化我國無線電臺站管理模式、提升無線電臺站事中事后監(jiān)管能力提供了有力支持。

Implement of Turbo Code Rate De-Matching in LTE by Look-up Table

Guo Jie
(Communication and Information Engineering of Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing, 400065, China)

In order to solve the problem that the existing TD-LTE baseband processing module can not reach the theoretical peak rate due to the slow channel decoding speed, based on the deep research of the rate matching algorithm in 3GPP protocol ,this paper proposes a fast algorithm for rate de-matching based on look-up table method. The optimized time delay indicates that the algorithm has good performance. This scheme has promoted the TD-LTE baseband processing module uplink theoretical peak rate, in order to accelerate the super base station development has provided power.

LTE; rate matching; look-up table; time delay

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.005

TN911.72文獻標示碼：A

1672-7274（2017）01-0019-04