基于FPGA的TD-LTE PUSCH信道處理設(shè)計(jì)

張松軼

(河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

TD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)具有高帶寬、高質(zhì)量、高可靠及高抗干擾能力等優(yōu)良特性，是在公網(wǎng)中已經(jīng)達(dá)到規(guī)模商用的可靠寬帶移動(dòng)通信技術(shù)。其采用OFDM技術(shù)、MIMO天線技術(shù)及64QAM調(diào)制技術(shù)等，使其具有更高的傳輸速率、更高的頻譜利用率、更低的傳輸時(shí)延和更高的安全性，支持廣域覆蓋和高速移動(dòng)[1-2]，為后續(xù)5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

物理層信號(hào)處理是LTE移動(dòng)通信信號(hào)處理的主要組成部分，又分為上行信道和下行信道。其中，物理層共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)，既是LTE物理層主要上行信道，也是LTE物理層各個(gè)信道中最為復(fù)雜和重要的信道之一。

1 承載信息

PUSCH信道主要承載以下3種信息：上行數(shù)據(jù)信息(UL-SCH)、控制信息(CQI/PMI,HARQ-ACK/NACK,RI)和參考信號(hào)(DMRS,SRS)。

1.1 上行數(shù)據(jù)信息

上行數(shù)據(jù)信息UL-SCH，是由UE的MAC層傳遞給物理層的二進(jìn)制用戶(hù)數(shù)據(jù)信息，是UE發(fā)送給基站的信息。PUSCH信道將基站射頻單元RRU接收并處理后的上行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳輸給基站MAC層進(jìn)行后續(xù)處理。

1.2 控制信息

PUSCH信道承載的控制信息包含CQI/PMI，HARQ-ACK/NACK，RI。其中，CQI是信道質(zhì)量指示，是由UE根據(jù)下行參考信號(hào)和信噪比計(jì)算得到的調(diào)制階數(shù)，由UE上報(bào)給基站，以便基站確定下行的調(diào)制編碼方式；PMI是預(yù)編碼矩陣指示，用于降低多天線信號(hào)之間的相互干擾，由UE上報(bào)給基站，建議基站端在預(yù)編碼碼本中選擇哪一個(gè)預(yù)編碼矩陣；HARQ-ACK/NACK是混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求，傳輸U(kuò)E端回復(fù)基站的UE是否正確接收基站發(fā)送數(shù)據(jù)的信息;RI是秩指示信息，MIMO將無(wú)線通路劃分為不同信道，而RI指示了信道質(zhì)量好壞，它由UE測(cè)量并上報(bào)基站，建議基站在質(zhì)量好的信道上傳輸數(shù)據(jù)[3-4]。

1.3 參考信號(hào)

上行參考信號(hào)包含解調(diào)參考信號(hào)(DMRS)和探測(cè)參考信號(hào)(SRS)。解調(diào)參考信號(hào)位于用戶(hù)PUSCH數(shù)據(jù)塊內(nèi)，用于基站接收側(cè)進(jìn)行上行信道估計(jì)[5]，得到無(wú)線信道質(zhì)量信息用于后續(xù)處理。

2 PUSCH信道處理設(shè)計(jì)

2.1 信道處理流程及總體設(shè)計(jì)

PUSCH信道處理需要對(duì)承載信息的上行基帶信號(hào)進(jìn)行一系列處理，分別還原出所承載的各項(xiàng)信息及數(shù)據(jù)，并將其提供給基站MAC層，用于上行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理[6-7]。PUSCH信道處理基本流程如圖1所示。

圖1 PUSCH信道處理基本流程

在TD-LTE基站中，PUSCH信道處理由BBU的基帶處理單元上的DSP與FPGA共同實(shí)現(xiàn)[8]，其中，DSP主要負(fù)責(zé)信息處理流程復(fù)雜及流程分支較多算法部分，如信道特性估計(jì)等；FPGA主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)吞吐量大、實(shí)時(shí)性要求高的并行信號(hào)處理部分，如FFT/IFFT，Turbo碼解碼等。在具體實(shí)現(xiàn)中，DSP與FPGA各自負(fù)責(zé)的處理工作如圖2所示,其中，F(xiàn)PGA信號(hào)處理分為負(fù)責(zé)前端解資源映射處理及后端信道解碼處理2個(gè)模塊，即圖2中的PUFFT-P模塊和PUSCH-P模塊。

圖2 PUSCH信道的處理結(jié)構(gòu)

2.2 PUFFT-P處理模塊設(shè)計(jì)

PUFFT-P模塊負(fù)責(zé)去CP、FFT、移除保護(hù)間隔,及解資源映射處理等功能。RRU將接收到的2路無(wú)線射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻、濾波及采樣等處理，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，并通過(guò)CPRI接口發(fā)送給BBU上FPGA的PUFFT-P模塊進(jìn)行處理，如圖3所示。

圖3 PUFFT-P模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

PUFFT-P模塊將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，交由DSP進(jìn)行信道估計(jì)和用戶(hù)資源解映射。DSP根據(jù)DMRS估計(jì)出解調(diào)參考信號(hào)位置處的信道沖擊響應(yīng)，然后信道估計(jì)算法得出其他上行位置的信道沖擊響應(yīng)；當(dāng)對(duì)應(yīng)2T2R基站，需要2套獨(dú)立PUFFT-P模塊對(duì)2根天線接收信號(hào)獨(dú)立進(jìn)行上述處理。對(duì)于8天線波束賦形系統(tǒng)，需要在這個(gè)模塊中進(jìn)行多用戶(hù)配對(duì)計(jì)算及賦形因子計(jì)算。信道估計(jì)的結(jié)果用于上行同步控制，噪聲方差估計(jì)及均衡。

2.3 PUSCH-P處理模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)解資源映射的信號(hào)輸入到FPGA 的PUSCH-P模塊中，完成PUSCH信道處理的均衡、解調(diào)及信道解碼等主要數(shù)據(jù)處理功能，考慮FPGA實(shí)現(xiàn)因素，設(shè)計(jì)中將PUSCH-P模塊劃分為5個(gè)子模塊，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，如圖4所示。

圖4中，EQ-P模塊采用MMSE-IRC均衡算法進(jìn)行均衡合并處理[9-10]。在均衡處理過(guò)程中，通過(guò)最大比合并將2根天線的信號(hào)合并成一路。

IFFT-P模塊主要完成IDFT處理及解調(diào)，將經(jīng)過(guò)均衡處理的頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)并進(jìn)行軟解調(diào)，軟解調(diào)后的信息是軟信息，供后續(xù)處理模塊進(jìn)行信道軟解碼處理[11]。

圖4 PUSCH-P模塊設(shè)計(jì)

PU-P模塊主要進(jìn)行比特級(jí)數(shù)據(jù)處理，是PUSCH-P模塊中的主要數(shù)據(jù)處理及與DSP的信息接口模塊，實(shí)現(xiàn)功能較多：

① 完成解層映射、解傳輸預(yù)編碼[12]，按照發(fā)送端層映射、預(yù)編碼公式做逆變換即可。

② 完成解擾和解信道交織，解擾是根據(jù)加擾的算法進(jìn)行的；解信道交織首先確定UL-SCH與CQI/ PMI復(fù)用信息在信道交織矩陣中的位置，然后根據(jù)RI，ACK/ NACK的比特?cái)?shù)和矩陣中的位置分別取出RI信息、ACK/NACK及復(fù)用信息。

③ 完成解復(fù)用及解碼塊級(jí)聯(lián)，通過(guò)將解交織矩陣得到的列向量復(fù)用信息轉(zhuǎn)換為行向量，在解擾時(shí)可以確定CQI/PMI編碼后的長(zhǎng)度和碼塊級(jí)聯(lián)數(shù)據(jù)信息長(zhǎng)度；根據(jù)CQI/PMI長(zhǎng)度參數(shù)，可以將行向量中的CQI/PMI信息與UL-SCH用戶(hù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行區(qū)分；根據(jù)UL-SCH碼塊級(jí)聯(lián)參數(shù)，可以確定UL-SCH各個(gè)信息碼塊長(zhǎng)度并對(duì)各個(gè)碼塊進(jìn)行處理。

④ 區(qū)分出來(lái)的CQI/PMI信息的解碼交由DSP負(fù)責(zé)，而UL-SCH信息處理及RI，ACK/NACK信息解碼等仍由FPGA模塊負(fù)責(zé)。

TV-P模塊主要完成解速率匹配、HARQ合并[13]及信道解碼。若有重傳的要求，需要在此模塊進(jìn)行HARQ軟合并，采用Turbo信道解碼[14]方法對(duì)UL-SCH數(shù)據(jù)信息進(jìn)行譯碼。

CRC-P模塊主要完成CRC校驗(yàn)[15]：若用戶(hù)信息的TB size > 6 144 bit，需要先進(jìn)行碼塊CRC校驗(yàn)及碼塊CRC移除、解復(fù)用，然后再進(jìn)行傳輸塊CRC校驗(yàn)；若用戶(hù)信息的TB size≤6 144 bit，只需要完成傳輸塊CRC校驗(yàn)即可。

3 PUSCH FPGA處理平臺(tái)的測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試環(huán)境搭建

PUSCH信道處理實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5、圖6所示，其中BBU是LTE基帶處理單元，RRU為L(zhǎng)TE射頻拉遠(yuǎn)單元，BBU和RRU之間通過(guò)光纖連接，信號(hào)源帶有標(biāo)準(zhǔn)LTE信號(hào)選件，可根據(jù)配置文件生成LTE上行信號(hào)。矢量信號(hào)分析儀對(duì)RRU下行射頻信號(hào)進(jìn)行分析[16]。在吞吐量測(cè)試環(huán)境中，使用PC控制的測(cè)試終端進(jìn)行上行數(shù)據(jù)發(fā)送，并使用終端模擬器對(duì)多終端場(chǎng)景進(jìn)行模擬。

圖5 PUSCH信道處理測(cè)試環(huán)境

圖6 上行吞吐量測(cè)試環(huán)境

3.2 測(cè)試結(jié)果

3.2.1 RSSI測(cè)試結(jié)果

在圖5所示的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行PUSCH信道處理測(cè)試，通過(guò)分析PUSCH中上報(bào)的RSSI信息的正確性，對(duì)PUSCH的信道處理性能進(jìn)行驗(yàn)證。

測(cè)試參數(shù)配置：

LTE TDD模式，雙天線，上行1T2R；

5用戶(hù)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

20 MHz系統(tǒng)帶寬，中心工作頻率1 795 MHz，上下行子幀配比1，特殊子幀配比7；

處理前25個(gè)RB用戶(hù)數(shù)據(jù)的RSSI。

通過(guò)Wireshark軟件可以抓包讀取BBU上報(bào)給MAC層信息中包含的上行用戶(hù)數(shù)據(jù)的RSSI值。從圖7中可以看出，改變信號(hào)源的輸入功率，經(jīng)過(guò)上行PUSCH的處理，可以得到用戶(hù)數(shù)據(jù)的平均RSSI值，測(cè)試結(jié)果與理論值偏差很小，這也驗(yàn)證了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的合理性及有效性。

圖7 5用戶(hù)跑流場(chǎng)景下的平均RSSI值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2.2 吞吐量測(cè)試結(jié)果

在圖6所示的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行上行吞吐量測(cè)試，不同帶寬對(duì)應(yīng)的峰值吞吐量理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量結(jié)果如表1所示。本系統(tǒng)測(cè)試得到的上行峰值吞吐量滿足LTE通信的基本要求，這也驗(yàn)證了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的合理性及有效性。

表1 不同帶寬峰值吞吐量

帶寬/MHz上行峰值吞吐量/Mbps理論計(jì)算值實(shí)際測(cè)量值2021.219.61515.914.51010.69.655.34.6

4 結(jié)束語(yǔ)

作為T(mén)D-LTE專(zhuān)網(wǎng)基站物理層中較為復(fù)雜和重要的信道之一，PUSCH信道的實(shí)現(xiàn)涉及到DSP與FPGA的聯(lián)合處理。結(jié)合對(duì)于PUSCH信道承載信息處理流程描述，對(duì)PUSCH信道處理的FPGA具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳述，并對(duì)測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了說(shuō)明和分析，為整體完成LTE專(zhuān)網(wǎng)基站物理層設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)打下了良好基礎(chǔ)。