LTE中偽隨機序列生成算法的設計與實現*

余子寒,姜永廣,隋天宇,劉 文

(1.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041;2.信息化部檔案館,北京100000)

LTE中偽隨機序列生成算法的設計與實現*

余子寒1,姜永廣1,隋天宇1,劉 文2

(1.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041;2.信息化部檔案館,北京100000)

加擾是LTE物理層過程的一個重要環節,而擾碼序列產生的快慢會對系統的整體性能產生重要的影響。由于產生偽隨機序列的比特型生成算法存在耗時長、占用存儲空間大的缺點,針對此問題提出了一種新型的緊湊型生成算法。在CCS5.2平臺對該算法進行了實現之后,基于TMS320C6670型號DSP進行了功能和性能測試,測試結果表明,該算法功能正確,且性能較比特型生成算法提高了10倍左右。

長期演進 偽隨機序列 數字信號處理器

0 引 言

偽隨機序列在通信系統中應用廣泛,可應用于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統的峰均比抑制[1],也可應用于通信系統同步[2]、信息系統加密[3]、信道估計[4]、抗干擾等領域。LTE中用到的偽隨機序列是由31位比特長度的Gold序列來定義,主要用于對數據進行加擾,該Gold序列是通過兩個m序列移位后再做模二相加得到[5],見式(1)、式(2)、式(3):

式中,Nc=1 600,c(n)的長度為MPN,第一個m序列用x1(0)=1,x1(n)=0,n=1,2,3,…30來初始化,第二個m序列則需要根據不同的應用場景進行初始化,如在控制信道中用cinit=NcellID來初始化,而業務信道中則用+來初始化。基于DSP(Digital Signal Processor)的C語言編程產生c(n)序列時,由于序列的每一位都是二進制比特1或者0,開發者可以選擇將每一位比特數據存進8位無符號整型數據中,也就是將每一個比特序列值存進一個8位比特長度的DSP最小數據類型里面,然后根據協議中的公式設計出比特型算法。這種算法雖然實現簡單,但當需要生成較長的擾碼序列時,不僅會占用大量的存儲空間,而且運算量也會相應的增加,不利于進行實時的數據處理。針對LTE用到的Gold序列的特點,文中提出了一種緊湊型的偽隨機序列生成算法,該算法將序列的每32個比特放到一個32位無符號整形數據中,通過提高每次運算處理的數據量,不僅可以大大降低數據存儲空間,同時也可以有效改善數據處理速率。

1 緊湊型生成算法

緊湊型生成算法的思路是:定義兩個32位無符號整形數組x1[n]和x2[n]用于存放兩個m序列,先將初始化的31個比特放到x1[0]和x2[0]的低31位,再根據公式中的遞推關系求出序列的第32個比特位,并將其分別放到x1[0]和x2[0]的最高有效位。此時相當于已經求出m序列的前32位,那么下一步需要做的就是找出x1[n+1]和x1[n]及x2[n+1]和x2[n]的遞推關系,根據遞推關系最終就可以得到兩個m序列值。最后對兩個m序列移位后進行模二相加即可得到緊湊型的Gold序列c(n)。當計算x1[n]時,初始化x1[0]的計算過程如圖1所示,圖1中方框內的0、1、2…代表m序列的比特位號,計算x1[1]的過程如圖2所示,其中x1(60)、x1(61)、x1(62)、x1(63)可以根據式(2)計算得到,即:

x1[0]作為一個32位無符號整形數據,載入的是第一個m序列的第0號到第31號比特位的對應值。此時得出x1[1]和x1[0]之間的關系:

其中,temp1用于求出x1[1]的低28位,即從第32到第59比特位,temp2為求出的第29到第60比特位對應值,temp1^temp2運算可得到第60、61、62、63比特位對應的值,基于以上運算可得到x1[1]對應的從第32號到第63號位比特序列值。從x1[1]和x1[0]之間的關系中,同理可歸納出x1[n+1]和 x1[n]的遞推關系如下:

圖1 初始化x1[0]Fig.1 Initializingx1[0]

圖2 計算x1[1]Fig.2 Calculating x1[1]

當計算x2[n]時,初始化x2[0]的過程如圖3所示。計算x2[1]的過程如圖4所示,其中x2(60)、x2(61)、x2(62)、x2(63)可以根據式(3)計算得到,原理和求x1[n]相同,這樣就可以從中找出x2[1]和x2[0]的遞推關系,并歸納出x2[n+1]和x2[n]之間的遞推關系,只是x2[n+1]和x2[n]之間的遞推關系比x1[n+1]和x1[n]之間的遞推關系相對復雜,詳細情況可參考后續對算法的實現過程。

圖3 初始化x2[0]Fig.3 Initializing x2[0]

圖4 計算x2[1]Fig.4 Calculating x2[1]

2 算法的實現過程

2.1 CCS5.2簡介

CCS5.2是TI嵌入式處理器較新的集成開發環境IDE(Integrated Development Environment),包含編輯器、編譯器、調試器、操作系統等開發組件。CCSv5相對于CCSv4體積更小、速度更快、界面更簡單。目前的CCS5.2使用動態下載,用戶只需下載一個小的初始安裝包,然后根據需要選擇相應的軟件包進行下載并自動安裝,以后還可以添加其它功能。CCS5.2還對常用的任務如CCS的啟動、調試會話的啟動、新工程的創建進行了提速,同時也加快了單步運行、存儲目標配置等過程的響應速度。關于CCS5.2的使用,開發者可以從幫助文檔中獲得有益的提示。

2.2 緊湊型算法的實現

基于DSP的C語言編程實現的程序可讀性好,也便于在不同的DSP平臺之間進行移植[6]。建立新工程并對工程進行適當的配置后,就可以編寫函數模塊并加載所需要的頭文件。編譯運行通過后就可以進行在線調試,在線調試之前需要將開發板與主機進行連接,然后配置.ccxml文件,并測試主機和開發板的連通性,連接成功后即可將.out文件下載到開發板上,之后就可進行單步調試。

對函數進行封裝的關鍵代碼如下:

3 功能驗證和性能測試

文中對比特型生成算法和緊湊型生成算法分別做了實現,比特型生成算法的關鍵代碼如下:

基于CCS5.2軟件開發環境和自帶仿真器的TMDXEVM6670L評估板對兩種算法進行在線調試后,令M_pn=86 400,并開通O2級別優化,循環測試1 000次,記錄平均耗時,得到性能比較結果見表1,可以發現新算法較比特型算法可以節省87.5%的內存空間,所耗費的cycle數也可以降低90.3%。

表1 上述兩種算法的性能比較Table 1 Performance comparison of the abovetwo types of algorithm

4 結 語

為滿足LTE物理層的高速率數據處理要求,工程師們不僅要根據開發平臺對算法做出選擇,而且需要做大量的優化工作。偽隨機序列的產生模塊是LTE系統開發中的一個重要模塊,幾乎所有物理信道的加擾模塊都會用到,還有其它一些物理層過程也會用到,比如用于UE(User Equipment)端專用參考信號的產生[7]。當然文中提到的新算法可以通過使用dsplib.h中的一些匯編函數指令,或者使用一些SIMD(Single Instruction Multiple Data)進行優化,這樣可以使新算法達到更優的性能。另外,根據項目的需要,開發者也可以選擇在FPGA(Field Programmable Gate Array)上實現偽隨機序列的產生算法[8]。

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[2] 段永顥,孫宇明,趙鵬.跳頻OFDM通信系統同步算法及實現[J].通信技術,2012,45(06):76-79.

DUAN Yong-hao,SUN Yu-ming,ZHAO Peng.FHOFDM Receiving Synchronization Algorithm and Implementation[J].Communications Technology,2012,45 (06):76-79.

[3] 劉栩,石乃軒,王健,等.多重加密通信系統的設計與實現[J].通信技術,2010,43(05).

LIU Xu,SHI Nai-xuan,WANG Jian,et al.Design and Implementation of Multiple-Encryption Communication System[J].Communications Technology,2010,43(05).

[4] KIM J,KIM S,KIM N Y,et al.A Novel Location Finding System for 3GPP LTE[C]//Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,2009 IEEE 20th International Symposium on.[s.l.]:IEEE,2009:3213-3217.

[5] 3GPP.TS 36.211(Version 11.3.0 Release 11).Access EUTR:Physical Channels and Modulation[S].Europe: ETSI,2013:103-104.

[6] 郭勇,邵凝寧.Viterbi譯碼算法在55系列DSP上的C語言實現[J].無線電通信技術,2013,39(02):79-82.

GUO Yong,SHAO Ning-ning.C Language Implementation of Viterbi Decoding Algorithm of Viterbi Decoding in 55x DSP[J].Radio Communications Technology,2013, 39(02):79-82.

[7] 陳貝,陳發堂.LTE-A中UE專用參考信號的DSP實現[J].光通信研究,2013,39(04):65.

CHEN Bei,CHEN Fa-tang.DSP Realization of UE-Specific Reference Signals in LTE-A Systems[J],2013,39 (04):65.

[8] JEONG C B,LEE Y H,BAE H D.High-speed J-delayed&K-dimensional LFSR Architecture in VLSI [C]//Circuits and Systems(MWSCAS),2013 IEEE 56th International Midwest Symposium.[s.l.]:IEEE, 2013:433-436.

YU Zi-han(1987-),male,M.Sci.,majoring in communication and information system.

姜永廣(1973—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為通信與系統工程;

JIANG Yong-guang(1973-),male,M.Sci.,senior engineer,mainly specialized in communication and systems engineering.

隋天宇(1983-),男,博士,工程師,主要研究方向為通信與網絡系統設計;

SUI Tian-yu(1983-),male,Ph.D.,engineer,mainly engaged in the design of communications and networks.

劉 文(1982—),女,碩士,工程師,主要研究方向為指揮自動化。

LIU Wen(1982-),female,M.Sci.,engineer,majoring in command automation.

Design and Realization of Pseudo-Random Sequence Generating Algorithm in LTE

YU Zi-han1,JIANG Yong-guang1,SUI Tian-yu1,LIU Wen2
(1.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China; 2.General Archive of Information Department,Beijing 100000,China)

Scrambling is an important link to physical-layer procedure in LTE,and the generating speed of scrambling sequence has a significant influence on the overall performance of the system.Aiming at the disadvantages of long time-consuming and large storage occupation for bit-generation algorithm of pseudorandom sequence,a novel type of compact generation algorithm is proposed.Function and performance tests are carried out on the basis of TMS320C6670 DSP after the realization of this algorithm on CCS5.2 platform.The test result indicates the validity of this algorithm,and that the performance of new algorithm is better than that of the bit-generation algorithm by about 10 times.

LTE;pseudo-random sequence;DSP

TP393

A

1002-0802(2014)02-0150-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.006

余子寒(1987—),男,碩士研究生,主要研究方向為通信與信息系統開發;

國家自然科學基金(No.61171501)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61171501)