文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.017
中文引用格式： 孫璐，張瑞齊，吳斌. TD-LTE預編碼與資源映射的VLSI設計與實現[J].電子技術應用，2015，41(11)：61-64.
英文引用格式： Sun Lu，Zhang Ruiqi，Wu Bin. VLSI design and implementation of pre-coding and resource mapping for TD-LTE system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：61-64.
0 引言
相對于單碼字、單天線傳輸，雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路中的MIMO系統通過采用適當的預編碼技術對兩個碼字的數據流進行空間復用，能夠顯著提高頻譜利用率[1]。同時，LTE系統下行鏈路采用OFDM多址方式，能夠在整個時域和頻域上進行靈活的資源分配和調度[3]。資源映射將物理信號和預編碼處理后的各個物理信道，根據規則映射在時、頻域資源上，實現用戶資源分配的靈活性和高效性[3]。
雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行實現結構需對兩個碼字進行分時串行處理，而傳統的空間復用預編碼模塊無法實現兩個碼字的串行分時處理，導致在預編碼之前需要添加緩存模塊，增加了系統的存儲器開銷。
本文針對雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行實現結構設計了一種新型的空間復用預編碼和資源映射模塊。本設計解決了傳統的預編碼模塊無法對兩個碼字進行分時處理的問題，同時改進資源映射模塊并對其存儲器進行復用，節省了傳統實現結構中的額外緩存，降低了系統的存儲器開銷。
1 預編碼和資源映射
1.1 空間復用預編碼算法
空間復用預編碼分為開環空間復用和閉環空間復用[4-6]。
1.1.1 閉環空間復用
閉環空間復用在發射端利用反饋的信道狀態信息，然后根據一定的最優化準則對傳輸信息進行預編碼[8]。對于無循環延遲情況，雙碼字、雙天線的閉環空間復用預編碼定義為：
其中，y(0)(i)和y(1)(i)表示預編碼處理后天線端口0和1上的數據，x(0)(i)和x(1)(i)表示層映射輸出的層0和1上的數據。預編碼矩陣W(i)的大小為2×2，i=0，1，…，M-1，M=M，M為天線端口上數據的個數，M為層數據的個數。在雙天線模式下，eNodeB根據反饋回得預編碼矩陣指示從參考文獻[4]中選擇中選取W(i)。
1.1.2 開環空間復用
如果發射端不需要信道反饋的信道狀態信息，這種空間復用稱為開環空間復用。對于長延時的循環延遲分集的情況，雙碼字、雙天線的開環空間復用預編碼被定義為：
其中，W(i)是預編碼矩陣，大小為2×2，i=0，1，…，M-1，M=M。D(i)表示循環延遲分集，為2×2的對角陣，U的大小也是2×2。D(i)和U從參考文獻[4]表6.3.4.2.2-1中選擇。在雙天線模式下，開環空間復用只能從參考文獻[4]表6.3.4.2.3-1中選擇索引為0的W(i)。
1.2 資源映射
TD-LTE下行鏈路基于OFDM技術，其幀結構是一個時、頻二維資源格。該時、頻二維資源格的定義可參照參考文獻[4]。
資源映射將物理信號和預編碼輸出的不同天線端口上的物理信道按照各自的規則及時有效地映射在上述時、頻二維資源格上[4]。各個物理信道和物理信號的映射地址算法見參考文獻[4]。
2 預編碼與資源映射的設計與實現
2.1 TD-LTE下行鏈路串行結構
雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的串行結構如圖1所示。
碼字0和碼字1依次分時經過加擾和調制模塊，生成調制符號，層映射模塊分別將碼字0和碼字1的調制符號映射到層0和層1上，預編碼模塊選用合適的空間復用方式將層0和層1的數據變換到天線端口0和天線端口1上，接下來資源映射模塊將不同天線端口上的數據根據規則映射在OFDM時、頻資源塊上，最后形成OFDM信號輸出。
2.2 預編碼的實現
對于雙碼字、雙天線的情況，統一式(1)和式(2)，空間復用預編碼算法可以表示如下：
其中，N為2×2的矩陣，當表示開環空間復用時，N=W(i)D(i)U；當表示閉環空間復用時，N=W(i)。
對于雙碼字、雙天線的情況，經過層映射處理后的數據與碼字對應的關系為：
從式(7)可以看出，天線端口0上的數據y(0)需要同時得到碼字0的數據d(0)和碼字1的數據d(1)，進行系數相乘后做加法操作；同理，天線端口1上的數據y(1)也一樣。
根據式(7)，可以設計出傳統的空間復用預編碼模塊實現結構框圖，如圖2所示。傳統的預編碼模塊將經過調制之后串行而來的碼字d(i)通過選擇器進行分配，如果是碼字0，則將其存入緩存中；如果是碼字1，則直接將其送入乘法器與系數b和e相乘，同時將緩存中的碼字0取出送入乘法器與系數a和c相乘。最后將結果按照式(7)所示分別送入加法器0和1進行加法操作，最終輸出得到天線端口0和1上的數據。其中控制單元作為主控制器，控制各個模塊的工作方式。
但是，傳統的空間復用預編碼模塊并不能對碼字0和碼字1進行分時處理，2.1節中串行結構的預編碼模塊需要增加緩存用以存儲先期到達的碼字0。在TD-LTE下行鏈路中，經過調制之后的單個碼字包含的最大數據量可以達到1 200×12個調制符號[4]，本設計中采用調制符號位寬為16位，數據為I/Q兩路，因此預編碼模塊中增加的緩存大小為2×1 200×12×16=0.460 8 Mb，顯著增加了該模塊的存儲器開銷。
為了解決額外存儲器開銷的問題，對空間復用預編碼算法進行改進。將式（7）進行矩陣變換得到：
通過變換后，預編碼將碼字0與碼字1的處理分開，剝離出兩者的加法操作，這樣便不需要兩個碼字的數據同時到達，可以實現對兩個碼字的分時串行處理。令：
根據式(8)～式(13)并剝離加法操作，可以設計出改進后的新型空間復用預編碼模塊，其實現結構框圖如圖3所示。
相對于傳統預編碼模塊，改進后的新型預編碼模塊去掉了緩存單元和最終的加法器。串行而來的碼字0、碼字1經過選擇器分別乘以系數a、c和b、e，得到天線端口0和1上的中間變量y(i)然后再經過選擇器輸出。碼字間的加法操作將會被移植在隨后的資源映射模塊進行。
2.3 資源映射的實現
根據資源映射的算法，可以設計出傳統的資源映射模塊的實現結構框圖，如圖4所示。
資源映射模塊用一塊存儲器作為OFDM時、頻資源的實體，其包含四塊同等大小的緩存0-4，每兩塊對應一個天線端口的時、頻資源格，在寫入、讀取時做乒乓操作以讓幀數據流水處理[9]。控制單元按照各個物理信道和信號的映射地址算法在寫地址生成模塊生成相應寫地址，將天線端口0和1的數據寫入對應緩存中，完成資源映射，最后控制單元按要求控制讀地址生成模塊生成讀地址，將緩存中兩個天線端口上的數據讀出并輸出。
傳統的資源映射模塊并不能進行分時串行處理，但是注意到其特有的存儲器資源可以作為分時串行處理兩個碼字所需的緩存。因此，根據新型空間復用預編碼模塊的工作特性，通過復用資源映射模塊的存儲器資源，設計了改進后的新型資源映射模塊，其實現結構框圖如圖5所示。
新型資源映射模塊增加了加法模塊，其輸入是新型空間復用預編碼模塊輸出的天線端口0和1上的中間變量。當中間變量是由碼字0產生時，將其直接寫入對應天線的緩存；當中間變量為碼字1時，將緩存中碼字0的中間變量取出，與碼字1的中間變量對應相加，此時的相加結果即為預編碼的完整輸出，完成預編碼的操作，最后將此結果寫入對應緩存，完成資源映射操作。這樣，新型預編碼模塊不僅實現了對兩個碼字的分時串行處理，同時節省了傳統預編碼模塊的額外存儲器開銷。
3 仿真與驗證
3.1 仿真結果
本設計采用基于Altera StratixIV系列的 EP4SGX530-
KH40C3 FPGA芯片平臺進行綜合。系統采用的工作時鐘頻率為122.88 MHz，調制符號位寬為16位，分別對傳統和新型的空間復用預編碼、資源映射模塊進行綜合并將其資源開銷進行比較，結果如表1所示。
從表中可以看出，改進后的新型實現結構相較傳統實現結構在組合邏輯和寄存器邏輯開銷上有略微減小，而存儲器開銷顯著降低了16.4%。
3.2 系統驗證
本設計中的新型空間復用預編碼模塊和資源映射模塊已應用到圖1所示的雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的VLSI系統架構中。
為驗證設計的功能與性能，搭建了如圖6的硬件驗證平臺，采用了Altera公司Stratix IV系列的FPGA芯片EP4SGX230KF40C3，同時為TD-LTE下行鏈路設計了基于AD9361芯片的射頻系統，并設計了整體系統的測試軟件，通過TD-LTE協議框架下多種業務層面的系統級測試項，完成了對該TD-LTE下行鏈路系統的功能和性能的驗證，系統指標完全滿足協議36.141的測試指標要求。
4 結束語
本文針對雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行結構設計了一種新型空間復用預編碼和資源映射模塊。該設計解決了傳統實現結構無法對兩個碼字進行分時串行處理的問題，同時節省了實現中的額外緩存，將模塊中存儲器開銷降低16.4%。
參考文獻
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