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(shí)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(duì)現(xiàn)有TD-LTE基帶處理模塊因信道解碼速度慢導(dǎo)致達(dá)不到理論峰值速率的問(wèn)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(shí)現(xiàn)解速率匹配的算法。優(yōu)化后的時(shí)延表明該算法有良好的執(zhí)行效率，此方案推動(dòng)了TD-LTE基帶處理模塊上行理論峰值速率，為加快超級(jí)基站發(fā)展提供了動(dòng)力。

LTE；速率匹配；查表法；處理時(shí)延

1 引言

長(zhǎng)期演進(jìn)（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(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的傳輸速率。LTE業(yè)務(wù)信道比特級(jí)處理流程包括傳輸塊循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）、碼塊分割與碼塊CRC、速率匹配、Turbo編碼、碼塊級(jí)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(dāng)輸入的比特?cái)?shù)超過(guò)物理信道的承載能力時(shí)，就將輸入序列打孔，反之則對(duì)輸入序列重發(fā)。通過(guò)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(shí)現(xiàn)LTE系統(tǒng)的基帶處理單元時(shí)，常采用DSP芯片。但是，如果直接按照3GPP協(xié)議進(jìn)行編程，處理延時(shí)將會(huì)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(gè)子幀的處理必須在1ms內(nèi)完成。但現(xiàn)有的儀表不能達(dá)到此要求，也就不能實(shí)現(xiàn)上行全速率。在此背景下，為了實(shí)現(xiàn)上行的峰值速率，必須對(duì)上行信道的譯碼進(jìn)行優(yōu)化，而其中解速率匹配又是關(guān)鍵的一步。本文通過(guò)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(shí)現(xiàn)解速率匹配的算法。優(yōu)化前后處理時(shí)間對(duì)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(jìn)行的，主要分為子塊交織，比特收集，比特選擇和刪減三個(gè)子過(guò)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(mǎn)足的最小的整數(shù)，的最大值是193。

0列位置開(kāi)始逐行寫(xiě)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(gè)碼塊軟緩存的比特長(zhǎng)度。用E表示第r個(gè)碼塊的速率匹配的輸出序列長(zhǎng)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?hào)（rvidx=0, 1, 2, 3）。從開(kāi)始從虛擬循環(huán)緩存器中取出數(shù)據(jù)；在取數(shù)據(jù)時(shí)，若是填充比特則跳過(guò)，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(gè)數(shù)等于E為止。

3 查表法實(shí)現(xiàn)解速率匹配

速率匹配是一個(gè)對(duì)發(fā)送比特打孔或重發(fā)的過(guò)程，解速率匹配是速率匹配的逆過(guò)程，也即是由ek得到的過(guò)程。令ek的數(shù)據(jù)索引號(hào)為k，與ek相對(duì)應(yīng)的wk的數(shù)據(jù)索引號(hào)為j，與ek相對(duì)應(yīng)的的數(shù)據(jù)索引號(hào)為i，如果能夠找到k與j，j與i的對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么就能夠得到k和i的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也即是解速率匹配輸入與輸出數(shù)據(jù)的對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系不僅適用于解速率匹配過(guò)程，也適用于速率匹配過(guò)程，推導(dǎo)以速率匹配過(guò)程進(jìn)行。

圖2 Turbo編碼解速率匹配流程圖

3.1 索引號(hào)i和j對(duì)應(yīng)關(guān)系推導(dǎo)

對(duì)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(kāi)始奇偶交替擺放；對(duì)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(guò)程中有一個(gè)向后的偏移。

由上述分析可得到與各子塊對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

3.2 索引號(hào)k和j對(duì)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(gè)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(guò)，不是尾比特就輸出的過(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

N表示虛擬循環(huán)緩存中第j個(gè)數(shù)據(jù)到k0之間的尾比特?cái)?shù)量。N值的推導(dǎo)過(guò)程為：將虛擬循環(huán)緩存中任意位置j到k0之間的尾比特?cái)?shù)量存成表，令q0表表示子塊0對(duì)應(yīng)的表，令q12表表示子塊1和子塊2對(duì)應(yīng)的表。表的推導(dǎo)如下：

對(duì)LT E協(xié)議規(guī)定的所有可能的碼塊長(zhǎng)度分析知，子塊交織過(guò)程中填充的尾比特?cái)?shù)量有4,12,20,28四種情況，并且當(dāng)碼塊長(zhǎng)度大于1024后填充的尾比特?cái)?shù)量必定是28。尾比特?cái)?shù)量不同，表也不同，考慮到碼塊長(zhǎng)度大于1024的碼塊種類(lèi)最多，因此，以尾比特?cái)?shù)量為28為例進(jìn)行推導(dǎo)。因?yàn)槲脖忍財(cái)?shù)量為28，所以列變換后p表的后4個(gè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的列將沒(méi)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(jì)算出該數(shù)據(jù)距離虛擬循環(huán)緩存首元素有多少個(gè)尾比特，由于數(shù)據(jù)落在一個(gè)范圍內(nèi)尾比特?cái)?shù)量是固定的（對(duì)于子塊0，該范圍是；對(duì)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?cái)?shù)量的q表，即在虛擬循環(huán)緩存中，第0個(gè)子塊尾比特位置為*i(0<=i<32,且i!=7,23,15,31)；第1個(gè)子塊尾比特位置為2*i+K(0<=i<32，且Πi!=7,23,25,31)，第2個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的j落在那一段R區(qū)間內(nèi)。

00素間的尾比特?cái)?shù)量。由此推導(dǎo)出N的計(jì)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(duì)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(duì)應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)索引k的對(duì)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(yàn)證優(yōu)化代碼的正確性，并在DSP上運(yùn)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(gè)子幀內(nèi)解速率匹配處理13個(gè)碼塊，總處理時(shí)延為1.17ms，在4個(gè)核并行處理的情況下，一個(gè)核最多處理4個(gè)碼塊，處理時(shí)延降到了0.36ms。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)，導(dǎo)致解速率匹配處理時(shí)延過(guò)長(zhǎng)。基于查表法的解速率匹配算法盡可能地減少了不必要的數(shù)據(jù)搬移，并通過(guò)將尾比特?cái)?shù)量信息存在預(yù)先計(jì)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(shí)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(mén)與實(shí)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(jì)[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(shí)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(hù)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(guó)航天科技集團(tuán)委托，中心積極協(xié)調(diào)處理，在極短時(shí)間內(nèi)圓滿(mǎn)完成了該星發(fā)射前的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料編制、國(guó)際申報(bào)、國(guó)內(nèi)頻率協(xié)調(diào)以及空間電臺(tái)執(zhí)照申請(qǐng)等工作。

今年9月，習(xí)近平總書(shū)記在參觀北京八一學(xué)?？破招⌒l(wèi)星課堂時(shí)，聽(tīng)取了學(xué)生們對(duì)模擬衛(wèi)星研制相關(guān)情況的介紹，贊揚(yáng)了學(xué)生們的創(chuàng)新精神，鼓勵(lì)師生們繼續(xù)開(kāi)展科學(xué)探索，并對(duì)未來(lái)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(duì)于帶動(dòng)我國(guó)青少年航天知識(shí)教育、廣泛普及航天知識(shí)具有重要意義。

“八一·少年行”星是長(zhǎng)約12厘米、寬約11厘米、高20厘米的立方星，星上搭載了相機(jī)、通信、對(duì)地傳輸、測(cè)控等載荷，是我國(guó)首顆由中學(xué)生全程參與研制并主導(dǎo)載荷設(shè)計(jì)的衛(wèi)星。

中心承擔(dān)《無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站創(chuàng)新管理研究》課題通過(guò)評(píng)審

近日，工信部無(wú)線(xiàn)電管理局在京召開(kāi)評(píng)審會(huì)，對(duì)中心承擔(dān)的《無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站創(chuàng)新管理研究》課題進(jìn)行評(píng)審。工信部無(wú)線(xiàn)電管理局副局長(zhǎng)宋起柱出席會(huì)議并講話(huà)，地面業(yè)務(wù)處負(fù)責(zé)同志與會(huì)。

會(huì)上，評(píng)審專(zhuān)家聽(tīng)取了課題組關(guān)于無(wú)線(xiàn)電臺(tái)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(chǎng)演示，審閱了課題研究報(bào)告。評(píng)審組經(jīng)討論一致認(rèn)為，課題研究報(bào)告緊貼當(dāng)前無(wú)線(xiàn)電管理的實(shí)際和需求，內(nèi)容全面、邏輯清晰、建議可行，具有實(shí)際可操作性，同意通過(guò)結(jié)題評(píng)審。

宋起柱副局長(zhǎng)總結(jié)說(shuō)，該課題做的很實(shí)，提出了多項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)研究，進(jìn)一步提升我國(guó)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站管理科學(xué)化水平。

《無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站創(chuàng)新管理研究》從公眾移動(dòng)通信基站和大功率無(wú)線(xiàn)電發(fā)射臺(tái)站管理存在的問(wèn)題和不足入手，研究分階段實(shí)施基站分類(lèi)管理、建立定期會(huì)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(yùn)用監(jiān)測(cè)網(wǎng)系和傳感網(wǎng)技術(shù)提升大功率無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站管理水平的思路建議，為優(yōu)化我國(guó)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)站管理模式、提升無(wú)線(xiàn)電臺(tái)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(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）01-0019-04