基于FPGA的TD-LTE PUSCH信道處理設計

張松軼

(河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

TD-LTE移動通信技術具有高帶寬、高質量、高可靠及高抗干擾能力等優良特性，是在公網中已經達到規模商用的可靠寬帶移動通信技術。其采用OFDM技術、MIMO天線技術及64QAM調制技術等，使其具有更高的傳輸速率、更高的頻譜利用率、更低的傳輸時延和更高的安全性，支持廣域覆蓋和高速移動[1-2]，為后續5G移動通信技術的發展奠定了良好的基礎。

物理層信號處理是LTE移動通信信號處理的主要組成部分，又分為上行信道和下行信道。其中，物理層共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)，既是LTE物理層主要上行信道，也是LTE物理層各個信道中最為復雜和重要的信道之一。

1 承載信息

PUSCH信道主要承載以下3種信息：上行數據信息(UL-SCH)、控制信息(CQI/PMI,HARQ-ACK/NACK,RI)和參考信號(DMRS,SRS)。

1.1 上行數據信息

上行數據信息UL-SCH，是由UE的MAC層傳遞給物理層的二進制用戶數據信息，是UE發送給基站的信息。PUSCH信道將基站射頻單元RRU接收并處理后的上行數據進行處理后傳輸給基站MAC層進行后續處理。

1.2 控制信息

PUSCH信道承載的控制信息包含CQI/PMI，HARQ-ACK/NACK，RI。其中，CQI是信道質量指示，是由UE根據下行參考信號和信噪比計算得到的調制階數，由UE上報給基站，以便基站確定下行的調制編碼方式；PMI是預編碼矩陣指示，用于降低多天線信號之間的相互干擾，由UE上報給基站，建議基站端在預編碼碼本中選擇哪一個預編碼矩陣；HARQ-ACK/NACK是混合自動重傳請求，傳輸UE端回復基站的UE是否正確接收基站發送數據的信息;RI是秩指示信息，MIMO將無線通路劃分為不同信道，而RI指示了信道質量好壞，它由UE測量并上報基站，建議基站在質量好的信道上傳輸數據[3-4]。

1.3 參考信號

上行參考信號包含解調參考信號(DMRS)和探測參考信號(SRS)。解調參考信號位于用戶PUSCH數據塊內，用于基站接收側進行上行信道估計[5]，得到無線信道質量信息用于后續處理。

2 PUSCH信道處理設計

2.1 信道處理流程及總體設計

PUSCH信道處理需要對承載信息的上行基帶信號進行一系列處理，分別還原出所承載的各項信息及數據，并將其提供給基站MAC層，用于上行數據的后續處理[6-7]。PUSCH信道處理基本流程如圖1所示。

圖1 PUSCH信道處理基本流程

在TD-LTE基站中，PUSCH信道處理由BBU的基帶處理單元上的DSP與FPGA共同實現[8]，其中，DSP主要負責信息處理流程復雜及流程分支較多算法部分，如信道特性估計等；FPGA主要負責處理數據吞吐量大、實時性要求高的并行信號處理部分，如FFT/IFFT，Turbo碼解碼等。在具體實現中，DSP與FPGA各自負責的處理工作如圖2所示,其中，FPGA信號處理分為負責前端解資源映射處理及后端信道解碼處理2個模塊，即圖2中的PUFFT-P模塊和PUSCH-P模塊。

圖2 PUSCH信道的處理結構

2.2 PUFFT-P處理模塊設計

PUFFT-P模塊負責去CP、FFT、移除保護間隔,及解資源映射處理等功能。RRU將接收到的2路無線射頻信號進行下變頻、濾波及采樣等處理，將射頻信號轉換為基帶信號，并通過CPRI接口發送給BBU上FPGA的PUFFT-P模塊進行處理，如圖3所示。

圖3 PUFFT-P模塊設計實現

PUFFT-P模塊將時域信號轉換為頻域信號后，交由DSP進行信道估計和用戶資源解映射。DSP根據DMRS估計出解調參考信號位置處的信道沖擊響應，然后信道估計算法得出其他上行位置的信道沖擊響應；當對應2T2R基站，需要2套獨立PUFFT-P模塊對2根天線接收信號獨立進行上述處理。對于8天線波束賦形系統，需要在這個模塊中進行多用戶配對計算及賦形因子計算。信道估計的結果用于上行同步控制，噪聲方差估計及均衡。

2.3 PUSCH-P處理模塊設計

經過解資源映射的信號輸入到FPGA 的PUSCH-P模塊中，完成PUSCH信道處理的均衡、解調及信道解碼等主要數據處理功能，考慮FPGA實現因素，設計中將PUSCH-P模塊劃分為5個子模塊，分別實現不同的功能，如圖4所示。

圖4中，EQ-P模塊采用MMSE-IRC均衡算法進行均衡合并處理[9-10]。在均衡處理過程中，通過最大比合并將2根天線的信號合并成一路。

IFFT-P模塊主要完成IDFT處理及解調，將經過均衡處理的頻域信號轉換為時域信號并進行軟解調，軟解調后的信息是軟信息，供后續處理模塊進行信道軟解碼處理[11]。

圖4 PUSCH-P模塊設計

PU-P模塊主要進行比特級數據處理，是PUSCH-P模塊中的主要數據處理及與DSP的信息接口模塊，實現功能較多：

① 完成解層映射、解傳輸預編碼[12]，按照發送端層映射、預編碼公式做逆變換即可。

② 完成解擾和解信道交織，解擾是根據加擾的算法進行的；解信道交織首先確定UL-SCH與CQI/ PMI復用信息在信道交織矩陣中的位置，然后根據RI，ACK/ NACK的比特數和矩陣中的位置分別取出RI信息、ACK/NACK及復用信息。

③ 完成解復用及解碼塊級聯，通過將解交織矩陣得到的列向量復用信息轉換為行向量，在解擾時可以確定CQI/PMI編碼后的長度和碼塊級聯數據信息長度；根據CQI/PMI長度參數，可以將行向量中的CQI/PMI信息與UL-SCH用戶數據信息進行區分；根據UL-SCH碼塊級聯參數，可以確定UL-SCH各個信息碼塊長度并對各個碼塊進行處理。

④ 區分出來的CQI/PMI信息的解碼交由DSP負責，而UL-SCH信息處理及RI，ACK/NACK信息解碼等仍由FPGA模塊負責。

TV-P模塊主要完成解速率匹配、HARQ合并[13]及信道解碼。若有重傳的要求，需要在此模塊進行HARQ軟合并，采用Turbo信道解碼[14]方法對UL-SCH數據信息進行譯碼。

CRC-P模塊主要完成CRC校驗[15]：若用戶信息的TB size > 6 144 bit，需要先進行碼塊CRC校驗及碼塊CRC移除、解復用，然后再進行傳輸塊CRC校驗；若用戶信息的TB size≤6 144 bit，只需要完成傳輸塊CRC校驗即可。

3 PUSCH FPGA處理平臺的測試驗證

3.1 測試環境搭建

PUSCH信道處理實驗環境如圖5、圖6所示，其中BBU是LTE基帶處理單元，RRU為LTE射頻拉遠單元，BBU和RRU之間通過光纖連接，信號源帶有標準LTE信號選件，可根據配置文件生成LTE上行信號。矢量信號分析儀對RRU下行射頻信號進行分析[16]。在吞吐量測試環境中，使用PC控制的測試終端進行上行數據發送，并使用終端模擬器對多終端場景進行模擬。

圖5 PUSCH信道處理測試環境

圖6 上行吞吐量測試環境

3.2 測試結果

3.2.1 RSSI測試結果

在圖5所示的測試環境中進行PUSCH信道處理測試，通過分析PUSCH中上報的RSSI信息的正確性，對PUSCH的信道處理性能進行驗證。

測試參數配置：

LTE TDD模式，雙天線，上行1T2R；

5用戶同時進行數據傳輸；

20 MHz系統帶寬，中心工作頻率1 795 MHz，上下行子幀配比1，特殊子幀配比7；

處理前25個RB用戶數據的RSSI。

通過Wireshark軟件可以抓包讀取BBU上報給MAC層信息中包含的上行用戶數據的RSSI值。從圖7中可以看出，改變信號源的輸入功率，經過上行PUSCH的處理，可以得到用戶數據的平均RSSI值，測試結果與理論值偏差很小，這也驗證了系統實現的合理性及有效性。

圖7 5用戶跑流場景下的平均RSSI值實測數據

3.2.2 吞吐量測試結果

在圖6所示的測試環境中進行上行吞吐量測試，不同帶寬對應的峰值吞吐量理論計算值與實際測量結果如表1所示。本系統測試得到的上行峰值吞吐量滿足LTE通信的基本要求，這也驗證了系統實現的合理性及有效性。

表1 不同帶寬峰值吞吐量

帶寬/MHz上行峰值吞吐量/Mbps理論計算值實際測量值2021.219.61515.914.51010.69.655.34.6

4 結束語

作為TD-LTE專網基站物理層中較為復雜和重要的信道之一，PUSCH信道的實現涉及到DSP與FPGA的聯合處理。結合對于PUSCH信道承載信息處理流程描述，對PUSCH信道處理的FPGA具體實現進行了詳述，并對測試驗證環境及測試結果進行了說明和分析，為整體完成LTE專網基站物理層設計及實現打下了良好基礎。