LTE上行信道交織與解交織的研究及DSP實現*

陳發堂，陳燕

(重慶郵電大學，重慶400065)

ZEHAVI提出比特交織編碼調制BICM(Bit Interleaver coding Modulation)思想[1]，即在編碼和調制之間引入交織。BICM通過犧牲一些歐式距離來提高漢明距離，使其在衰落信道下具有高度的魯棒性。交織的原理是打亂原始數據序列，使數據的相關性減弱，盡力分散突發錯誤，在譯碼時大大降低數據突發錯誤的影響。

3GPP LTE中物理上行鏈路共享信道PUSCH（Physical Uplink Shared Channel)上承載的信息包含預編碼矩陣指示PMI(Precoding Matrix Index)、秩指示RI(Rand Index)、CQI信道質量指示(channel quality indicator)和混合自動重傳請求應答HARQ-ACK(hybrid automatic repeat request acknowledgement)以及數據信息。為降低數據突發錯誤率，在幾路信息各自編碼后和調制間，引入了信道交織[2]。PUSCH信道交織采用的是分組交織，但與傳統的分組交織有較大差異。本文從DSP實際角度出發，針對PUSCH信道交織與解交織，提出了一種簡單的實現方案。

1 PUSCH信道交織

進入PUSCH信道交織是三路信息，為降低譯碼的錯誤率，在進行信道交織前，先將三路信息進行數據復用，然后再進行PUSCH信道交織。在用DSP具體實現時，把數據復用和信道交織放在一個模塊實現。

1.1 三路編碼后的數據復用

(1)RI和ACK的數據復用

(2)CQI/PMI和數據信息復用

q0，q1，q2，q3，…，qQ-1是CQI編碼后的比特序列，f0，f1，f2，f3，…，fG-1是編碼后UL-SCH數據的比特序列，控制信息與數據信息復用的數據為復用方式如下：

在具體用DSP實現時，不用浪費存儲空間和程序段來實現三路數據復用的過程。只需在進行信道交織時，使整個交織表的每一個大行向量包含Qm小行，在放置數據時，需要首先把Qm小行放置完畢，依次放置該大行向量的其他數據，即可實現三路數據的復用。

1.2 PUSCH信道交織步驟

通過上式分析可以確定交織表的行數、列數是由高層來的參數確定，與三路輸入數據的長度無關。

本系統選用TMS320C6455作為DSP芯片，該芯片是TI公司基于第三代先進Velovi TI超長指令字VLIW(Very Long Instruction Word)結構的高性能定點DSP[3]。其最高主頻達到了1.2 GHz，每個周期可以并行執行8條指令，處理速度最大可至8 000 MIPS,實現高速運算。TMS320C6455片內采用L1/L2兩級存儲器結構，L1包含相互獨立的32 KB的程序Cache(L1P)和32 KB的數據Cache(L1D)，L2為2 MB的尋址空間，其片內存儲器容量是其他C64系列的二倍。序列。協議中規定：RI比特序列從最后一大行開始放置，每大行放置4列，放置所占的列數，需每次通過如下公式計算，即需要用到查表、求模、向下取整運算，在用DSP實現時，浪費程序段代碼和cycle數。

通過對上述公式的計算和理解，從節省程序代碼段和cycle數考慮，提出了一種簡單的實現方案，在放置RI時每行只需放置4列，每行放置的位置相同，在實現時，只需把原RI所占列的表1修改為表2，即可實現上述代碼。

表1 RI和ACK所占列

表2 RI和ACK所占列

(4)在交織表中放置CQI和數據信息：首先放置CQI信息，然后放置數據信息，在放置CQI和數據信息時，程序中必須考慮不能覆蓋RI的信息，具體見下節信道交織的DSP實現。

(5)如果在該子幀傳送HARQ-ACK，在交織表中放置ACK的信息的ACK比特序列。協議中規定：ACK與RI在進行信道交織時，所放置的情況相同，只是所占的列不同，在這里不再贅述。為節省Cycle和程序段代碼，對ACK放置在交織表中所查的列的表1修改為表2即可實現。

(6)交織表按列輸出即可實現交織。

2 信道交織與解交織算法的DSP實現

2.1 信道交織的DSP實現

在實現信道交織時，輸入的三路信息：RI、CQI/PMI和數據復用后的信息，HARQ經過編碼后直接到信道交織模塊，數據復用放到信道交織模塊實現。圖1給出PUSCH信道交織的程序實現流程。信道交織是比特進行交織，為便于尋址處理，需要把每個比特字節化。

三路信息實現比特字節化，利用TMS320C6455每個周期最多可并行執行8條指令，為節省Cycle，在比特字節化的循環體里，每次分別取出4 B的數據，在程序中利用A組寄存器和B組寄存器交替使用的方式，達到每個周期可以并行執行6條指令。利用B指令和LDB指令后的延遲“NOP”指令，使程序進行極大的優化。

在交織表中放置RI信息，根據對協議的理解，提出了一種簡單的實現方案。在放置RI信息過程中，采用三層循環實現：第一層為Qm行小向量是否填滿，第二層為該大行的4列是否填滿，第三層為大行數依次遞減，是否所有的RI已經放在交織表中。

在交織表中放置CQI信息，在放置時不能覆蓋RI的信息，即需要知道RI在交織表中占哪些位置。為確定RI在交織表中的位置，用RI編碼后的長度除以4×Qm，在程序中提出采用文獻[4]介紹的除法程序，該除法程序經優化后只占用35cycle。CQI的放置原理和RI相同，都是采用三層循環。只是放置時需要根據RI在交織表占用位置的不同情況進行放置。

在交織表中放置ACK信息，為便于程序的簡化，提出了一種簡單的實現方案，ACK放置在交織表中的位置是覆蓋CQI信息，為避免覆蓋多余的CQI，需明確ACK占交織表中哪些位置，用ACK編碼后的長度調用除法程序除以4×Qm，根據ACK在交織表中的具體情況進行放置。ACK的放置原理和RI相同，采用三層循環。

交織表的輸出是按列進行輸出，其實現采用三層循環，第一層為Qm小行進行輸出，取出每一個Qm小行的數據，在用DSP實現時需要偏移Cmux；第二層為大行數依次遞增，直到把R′mux大行的數據取出；第三層為列數依次遞增，把Cmux列的數據取出。

2.2 PUSCH解信道交織的DSP實現

PUSCH上的數據經過解調、解擾后是軟信息，每個軟信息占16 bit，解信道交織時無需對軟信息進行字節化。通過對協議TS36.212中PUSCH信道交織的理解，解信道交織的思想是首先恢復出交織表（注意恢復交織表時，列輸入行輸出），然后根據三路數據所放置的具體位置，再解出三路數據信息。在解交織時，為保證三路輸出的數據正確，需調用除法程序，具體步驟如下：

(1)根據高層的參數來確定交織表的列數Cmux和大行數。

(2)恢復交織表。按列進行輸入，在放置數據時，包含三層循環，第一層把Qm小行向量填滿，每一小行從起始位置偏移0～(Qm-1)×Cmux進行放置，直到把Qm小行放置完；第二層為大行數依次遞增，直到把R′mux大行的數據填滿；第三層為列數依次遞增，把Cmux列的數據填滿，每一列的處理方式相同。

(3)從交織表中取出RI的數據。在取RI數據時，采用三層循環進行實現：從最后一大行開始，第一層為取出列表二的值，根據該值確定其RI在交織表中列位置偏移，把Qm小行向量的RI數據從交織表取出；第二層為列表二中RI所占四列的數據是否取完；第三層為大行數依次遞減，直到把所有的RI信息取出。

(4)在交織時，ACK的數據覆蓋一部分CQI的數據，在解交織時，取出ACK的數據，同時在放置ACK的數據位置填0，即實現對CQI數據的打孔。根據ACK的長度確定ACK在交織表所占位置，從交織表中取出ACK的數據，其處理方式和RI相同，采用三層循環，在取出數據的同時，把相應的位置賦值為0。

(5)在解交織取出CQI的數據時，從交織表中取出的CQI數據的原理和RI相同，都是采用三層循環。只是取CQI數據時需要根據RI在交織表占用位置的不同情況進行。

3 性能分析

在TMS320C6455DSP軟件實現中,考慮該定點DSP具有每個周期最多可并行執行8條指令的特性。根據上節描述的信道交織與解交織的軟件實現流程，從節省cycle數和存儲空間角度出發，最大程度優化程序循環體，使用并行指令，利用一些指令后的延遲“NOP”指令[5]。根據不同的數據類型和數據的長度，通過程序仿真實現，得到統計結果如表3。

表3 統計結果

表3中PUSCH解信道交織時得到的數據是軟信息，每一個軟信息占16 bit。給出的三路數據各自的長度雖然比較特別，但不失一般性。在交織時由于處理的是比特交織，需要把比特進行字節化，在交織完后，需要字節比特化級聯。而解交織處理的是軟信息，無需此過程，所執行的周期明顯的減少。雖然給出簡化方案的運算量較大，但是由于采用的TMS320C6455的主頻為1 GHz，在具體實現時，完全可以滿足實時需求。

本文從理論上詳細分析了PUSCH信道交織的過程，PUSCH信道交織的交織表的行、列是由高層來的參數確定，與傳輸的三路數據的長度無關。根據PUSCH上的三路數據采用特殊的分塊交織，提出了一種簡單的方案實現PUSCH上數據復用和信道交織的模塊與PUSCH解信道交織和數據復用的模塊。將DSP程序輸出的結果與MATLAB程序輸出的結果進行比較，程序運行結果表明，本方案能夠滿足TD-LTE無線綜合測試儀表的需求。

[1]ZEHAVI.E 8-PSK Trellis Codes for a Rayleigh Fading Channel IEEE Transactions on Communications，1992，40(5)：873-874.

[2]3GPP TS36.212.v8.9.0 Multiplexing and channel coding(Release 9)[S].

[3]汪安民，張松燦.TMS320C6000系列DSP實用技術與開發案例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]石元君.定點DSP除法原理及其TMS-320C6000實現[J].單片機與嵌入式系統應用，2002(10)：73-74.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP變成工具與指南[M].田黎育，何佩琨，朱夢宇，譯.北京：清華大學出版社，2007：30-60.