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TD-LTE物理层上行共享信道编码和译码的VHDL实现

编辑:admin    来源:未知    作者:admin

 一、综述

随着移动宽带(MBB)在全球范围内的需求不断增大,高速网络时代来临,3G的演进技术——LTE的第一版Release 8已经开始规模化商用,这在北美、欧洲和亚洲的部分地区(如日、韩国)已经实现。与此同时,LTE在继续演进,Release 9Release 8的关键技术进行增强,Release 10全面满足ITU所定义的4G(第四代移动通信)的所需要求,Release 11的工作俨然已经提上日程。

根据3GPP TS 36.212协议[1]规定,本课题上行链路共享信道的编译码处理过程可分为编码和译码两大部分。

在编码[2]时,信息比特流首先添加CRC校验,经过码率为1/3turbo码进行信道编码,然后进行速率匹配,接着进行数据复用与交织,进行比特级加扰,最后进行调制、DFT、映射、IFFT和加CP。经过信道和噪声干扰就是译码过程,译码是编码的逆过程,与编码过程大致相同,不同的是信道参考信号的作用位置,编码时作用于映射,译码时单独作用于解映射与IDFT之间的信道估计,经过均衡与解映射信号合并形成IDFT信号。

 

二、研究内容

1.TD-LTE中的Type 2 TDD无线传输帧结构[3]

    LTE系统中定义了Type 1Type 2两种无线传输帧结构用于空中接口上的信号传输,其中Type 1用于FDDType 2用于TDD。由于本课题以TD-LTE系统为研究对象,所以对于Type1 FDD无线传输帧结构不再赘述。

Type 2 TDD无线传输帧结构中,每一个长度为10ms的无线帧由2个半帧构成,每半帧5ms,每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成,每子帧包括4个常规子帧和1个特殊子帧,常规子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成,特殊子帧由DwPTSGP以及UpPTS三个特殊时隙构成。资源粒子(RE)是上行传输使用的最小资源单位,若干RE构成资源快(RB),在时域上最小资源粒度为一个SC-FDMA符号,在频域上最小粒度为子载波。一个时隙内包含子载波和SC-FDMA符号。

 

2.编译码处理

TD-LTE中上行共享信道(PUSCH)处理过程[2]如图1所示,本课题主要研究CRC编码、校验和Turbo编码、译码。

CRC中文名称为循环冗余校验(码),采用模2运算,在通信领域用于实现差错控制。

Turbo码性能优异且工程易实现,AWGN信道中译码性能接近Shannon极限,适用于对功率要求较高的场合,被众多的通信标准采纳为信道编码方案。

在上行共享信道中采用24CRC校验码[3],生成多项式CRC24A,若CRC24A码块长度>6144,将CRC编码块进行码块分割,再加一次24CRC校验码,生成多项式CRC24B

LTE物理层Turbo编码方案采用传统的Turbo编码方法,由两个并行子编码器和一个内交织器组成,其中子编码器状态数目为8,内交织器采用二次置换多项式(QPP)交织器,构成并行级联卷积的形式,码率为1/3D=K+4

信息比特流

加扰

IFFT

CP

数据复用、交织

CP

噪声

调制

DFT

映射

参考信号

Turbo编码

解映射

FFT

速率匹配

信道估计

均衡

IDFT

解调

解扰

解交织、解复用

解速率匹配

Turbo译码

CRC检验

CRC编码

信息比特流

1     物理层上行共享信道(PUSCH)处理过程

 

 

三、实现方法及预期目标

()本课题主要研CRC编译码和Turbo编译码,其主要实现方法如下:

1、本课题采用查表比较法[4]来实现Turbo编码。

2              Turbo编码器(码率为1/3

 

 

2所示的编码原理图的工作原理如下:

1)定义一个标识来查表码块分割后不同大小的码块单独处理需要交织时的参数。

2)每次输入一个码块数据流,两个子编码器结以并行处理,,只是下半部分输入是经过交织之后比特流。输出三路数据,分别为信息比特流、校验比特流1、校验比特流2

3)不同的f1f2结果不同,共188种配对且规律性低,只能根据公式按比特顺序计算出对应位置一一比较,然后进行交织。

4)移位寄存器初始状态为全0,用查表方式,输入比特位最低位,加上现有的3比特,一共4比特,16种状态,可以查出一个输出比特和下一个寄存器状态。

5)每一路的最后3位尾比特只与现在寄存器的状态有关,与输入无关,直接判断现在的寄存器状态,利用查表可以得出3个尾比特。

6)按标准对四路输出尾比特进行赋值处理,移位接到之前的比特序列中去,最终的三路输出比特序列。

 

2Turbo码解码采用软比特和软信息迭代解码。

图3     Turbo解码器

 

3 Turbo译码器原理[5]如下:

1)首先去打孔的到3LLR,分别为信息比特流、校验比特流1、校验比特流2

2)子解码器根据ysyp以及ext来计算比特的后验概率,再减去先验概率得到“净”贡献,用ext表示。

3)往复迭代数次,输出比特的最终置信度,得到解出的码。

 

3CRC编译码

1)上行共享信道采用长度为24bitCRC计算方法,物理层首先将收到的来自于MAC层的一个传输块对应为一个码字,进行CRC计算,得到添加CRC比特的码字数据流GCRC24A

GCRC24AD=D24+D23+D18+D17+D14+D11+D10+D7+D6+D5+D4+D3+D+1

2)考虑到信道Turbo编码的性能与时延等因素,标准中定义了最大编码长度为6144,当GCRC24长度大于6144时需要对码字进行分割,分割为若干个码块再添加相应的CRC比特得到GCRC24B

GCRC24BD=D24+D23+D6+D5+D+1

以得的GCRC24码块为单位进行信道编码。

本质上CRC计算的就是移位和异或。本课题CRC编码采用公式递推算法[6],公式算法以字节数据为输入,很大程度上减少了硬件逻辑资源的闲置占用,在明显降低成本的同时还能有效地提高运算的速度,但递推算法却不能确保实现逻辑的最简,在减轻设计运算量的同时也付出了一定的硬件代价,借助于QuartusII工具强大的综合优化功能,利用VHDL进行算法建模实现设计,而且VHDL提供的类属参量又能针对大小不同的数据块、选取生成多项式,提供了一种极其便利的解决方案。

数据锁存

CRC寄存器

输出控制

CRC算法

公式递推

VHDL实现

全程同步控制

MX

RX

4     CRC递推算法VHDL实现框图

 

()实现重点、难点

1、主要任务:

1)掌握TD-LTE协议分析技术。

2)掌握VHDL编程、仿真和调试技术。

3)理解信道编译码的原理,利用VHDL实现信道编译码基于实现过程的仿真模型并进行优化。

2、实现难点

1)模型的模块设定:模块分析是描述系统需求的一个过程,将需求分析中的感性描述进行抽象,提取出要实现的功能,这是整个系统开发的一个关键过程。

       2)仿真验证:本设计实现过程中需要大量分步模块化处理数据,而且信息数据具有不确定性,需要对每一小模块处理信息结果进行验证。

 

四、对进度的具体安排

2.243.18:查阅资料,学习相关的协议和编程语言,准备开题报告。

3.194.15:分析协议,掌握编译码的工作原理以及建立实现模型。

4.165.13VHDL程序设计,调试,修改。

5.146.20:撰写论文,答辩。

 

 

 

 

 

五、参考文献

[1]3GPP TS 36.211--3GPP TS 36.214 协议V11.1.0

http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/ , 2012-12

[2]徐轩.LTE上行链路物理共享信道的关键技术研究与DSP实现[D].南昌航空大学:信息工程学院,2013.

[3]赵训威,林辉,张明等.3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范[M].北京:人民邮电出版社,201031-33,69-72.

[4]李小文,徐虎.LTE系统中Turbo编码的研究与DSP实现[J].电子技术应用,2010,第37卷(第8期):59-62.

[5]袁弋非.LTE/LTE-Advanced关键技术与系统性能[M].北京:人民邮电出版社,201351.

[6]王海光. 并行CRC算法硬件实现研究与VHDL设计[J]. 漳州师范学院学报(自然科学版),2007,4期:53.

[7]TefaniaSesia, IssanToufik, Matthew Baker著,马霓、夏斌译.LTE/LTE-Advanced-UMTS长期演进理论与实践[M].人民邮电出版社 ,2012

[8]沈嘉,索士强,全海洋等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].人民邮电出版社,2008.

[9]徐广丽.LTE物理层上行链路关键接术研究[D].西安电子科技大学,2012

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