一種面向3G LTE設計的預處理實現(xiàn)

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1.引言

長期演進（LTE）[1]蜂窩標準是3GPP3G演進的兩個組成部分之一，另外一個是HSPA演進。如圖1.0所示。LTE無線接入網絡（RAN）規(guī)范被安排在2022年初完成，隨后，一致性測試規(guī)范預計在2022年8月準備就緒。

圖1.03GPP向UMTS的演化路線

LTE有許多目標[2],LTE的重點是在整個10年期間內超越UMTS而滿足無線用戶的各種需要。這包括降低無線用戶以及網絡運營商的成本；另一方面，以服務差異化的形式提供更佳的各種服務，同時提供更低的延時并提高數(shù)據速率。

以服務差異化的形式所提供的各種更佳服務可以通過基于QOS概念的鏈路自適應來實現(xiàn)。在LTE中，鏈路自適應超越HSDPA能夠提供什么，盡管HSDPA能夠在時域上提供鏈路自適應以響應不斷變化的信道條件，但是，LTE也能夠提供頻率自適應。

在數(shù)據速率領域，LTE預期提供100Mbps的峰值下行鏈路（DL）速率以及50Mbps的峰值上行鏈路（UL）速率，分別提供5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz的頻譜效率，這可以利用OFDM與補充的MIMO技術來實現(xiàn)。較低的延時通過扁平的網絡架構來實現(xiàn)。所采用的網絡架構基于IP（InternetProtocol）以及更短的PHY處理時間，如圖2.0所示，另外還具有在LTE的eNodeB（eNB）中實現(xiàn)的各種更高層功能。與UMTS相比，LTE網絡架構把沿著數(shù)據路徑的節(jié)點數(shù)量從4減少至2.

圖2.0經演化的UTRAN概觀

2.LTE的關鍵要素

對于上行鏈路來說，LTE無線接入將基于單載波頻分多址（SC-FDMA）[5].SC-FDMA波形所具有的良好的峰值與平均功率比（PAPR）推動上行鏈路采用SC-FDMA.利用較低的PAPR,射頻功率放大器（RFPA）的操作可以獲得更高的效率，從而使手機的電池壽命更長。對于下行鏈路來說，可以采用經典的OFDMA方案。

除了調制之外，另外一個關鍵要素就是依賴于調度的信道條件的可用性。這容許在共享信道中的時頻資源在用戶之間動態(tài)共享。調度間隔-正如間接提到的-是基于1ms的時分以及180KHz的頻分。同樣地，在MAC層的調度器的實現(xiàn)是確保下行鏈路性能的關鍵要素，因為它決定每一個鏈路所采用的速率。像存在于MAC層的HSDPA混合ARQ一樣，要以多個并行停止和等待ARQ處理的形式采用軟組合?；旌螦RQ方案是基于針對再次發(fā)射的增量冗余（IR），除了上述關鍵要素之外，LTE將把多天線支持作為該規(guī)范不可分割的組成部分。接收和發(fā)射分集方案、波束形成以及空間復用都將得到支持。

LTE系統(tǒng)的目標之一就是，它需要允許從2G/3G向LTE的靈活升級。正因為如此，跨越1.25MHz至20

MHz的靈活的頻譜分配要可用，且LTE系統(tǒng)應該能夠在450MHz到2.6GHz之間工作。換言之，LTE規(guī)范的帶寬是不可知的（Bandwidthagnostic）.

另一點值得一提的是，與UMTS不同，LTE提供FDD/TDD組合和TDD方案、基于單一OFDMA無線接入技術的。TDD方案被稱為幀結構2,支持與TD-SCDMA的共存。

3.LTE物理層的關鍵要素

LTE在利用通用無線接入技術的10ms無線幀的基礎上提供兩類幀結構。這兩類幀結構分別是被稱為類型1的FDD/半FDD以及被稱為類型2的TDD,它們均基于10ms的無線幀，每一無線幀具有20個時隙，每個時隙占用0.5ms.類型2幀結構被提供為與TD-SCDMA共存，如圖3.0所示。注意，TD-SCDMA幀結構在5ms的子幀內具有10個時隙。這10個時隙當中的3個-DwPTS、GP和UpPTS-是專用時隙，它們在LTE幀結構類型2中被復制。

圖3.0TDD類型2幀結構

在時域和頻域中提供鏈路自適應的LTE系統(tǒng)的能力就是針對下行鏈路采用OFDMA方案。這意味著下行鏈路物理資源是根據一個OFDM子載波以及一個OFDM符號周期來定義的，這就被稱為資源要素（RE）?？倲?shù)84個RE構成一個資源模塊（RB），這個資源模塊由具有7個OFDM符號的一個時隙（0.5ms）周期上的12個子載波組成。正因為如此，下行鏈路傳輸信號根據如圖4.0所描繪的資源柵格（RG）被定義為每一個用戶擁有對應于兩個時隙（1ms）的兩個RE.圖4.0用于LTE的下行鏈路資源柵格表1.0所描述的關鍵物理層參數(shù)是所分配的頻率帶寬的函數(shù)。表1.0DL物理層關鍵參數(shù)4.LTE基帶處理的重要特征針對Tx和Rx的下行鏈路物理層如圖3.0所示。注意，它可以被分解為兩類處理，即符號率處理和采樣率處理。從圖3.0可見，與基于WCDMA的UMTS標準相比，符號率處理比較簡單。圖5.03GPPLTE下行鏈路處理正如在UMTS中一樣，LTE基站設計所面臨的挑戰(zhàn)在于上行鏈路的處理。在LTE的情形下，這進一步結合了短的處理時間要求，以實現(xiàn)較低的延時，與此同時，在NodeB具有較之于RNC更高層的功能。在這一節(jié)我們將從微觀和宏觀兩個方面回顧各種挑戰(zhàn)以及解決方案。在微觀層面，特別是對于如圖6.0所示的上行鏈路信號鏈來說，LTE延遲預算主要由HARQ往返的8ms延時來定義，也就是說，初傳輸與再次傳輸之間的時間。要考慮兩倍1ms的傳輸時間，剛好把6ms留給發(fā)送和接收數(shù)據。那意味著LTE上行鏈路處理必須在3ms以內滿足由下列功能提出的延遲預算。它們分別是：信道估計延遲；解調；速率匹配和IR組合；透平（Turbo）解碼；MAC/RLC處理；圖6.0LTE上行鏈路信號鏈假定需要短的處理時間，因此，至關重要的是諸如iDFT這樣的、在SC-FDMA解調中所使用的重要模塊，以及透平解碼必須在盡可能短的時間內完成。賽靈思提供IP核解決方案，使基站設計工程師能夠達到iDFT以及透平解碼（TurboDecoding）應用的目標。以如圖7.0所示的iDFT處理為例，經過信道估值，在壞情形下iDFT處理可用的處理時間是40us.賽靈思的iDFT解決方案使所有12的倍數(shù)的點長具有由2、3和5構成的素因子，能夠滿足處理時間的要求。除了FFT/iFFT之外-兩個處理用DSP或FPGA均有效，在FPGA中做iDFT有明顯的優(yōu)勢，因為DSP的比特反向尋址僅僅適合于基數(shù)2.類似地，為了有效地并行實現(xiàn)解碼，賽靈思面向具有QPP交織器的LTE的透平解碼IP核，利用400MHz的時鐘速度對如圖8.0所示的代碼模塊長度進行8次迭代的情形僅僅花40us的解碼時間。圖7.0LTE上行鏈路iDFT處理要求圖8.0賽靈思透平解碼器的性能與模塊大小及處理單元數(shù)量的比較因為對滿足上行鏈路處理要求有著更大的影響，你必須考慮宏觀層面的基站設計，也就是說，如何對基站的基帶設計進行劃分。目前，基站供應商可以采用FPGA作為協(xié)處理器以執(zhí)行透平編碼來滿足吞吐量要求。作為iDFT或RACH預檢測的其它相關模塊如圖9.0所示。圖9.0FPGA作為用于LTE的協(xié)處理器然而，在這里存在的挑戰(zhàn)在于因FPGA和DSP之間的互連引起的延遲。我們將采用一個基于常用的SRIO接口的上行鏈路例子來證明，這個例子具有下列參數(shù)：10MHz帶寬、短CP、單一扇；無重發(fā)；4HARQ處理；無空間復用；基于估計的透平解碼持續(xù)時間；SRIO:3.125Gb、1x通道、8/10編碼、每個拾取器25比特開銷；針對DDR2存儲器、200MHz、32比特只讀的傳輸時間。如表2.0中所示為對不同服務-遠遠好于壞的情形-進行計算的例子，其中，包括必須不超過1000us總時間的編碼時間以及sRIO傳輸?shù)难舆t。表2.0上行鏈路處理時間例子從上表我們可以總結如下：在SRIO傳輸中發(fā)生了重大的延遲；需要并行實現(xiàn)透平編碼。這里的主要問題在于，延時和數(shù)據速率要求特別地給利用單一SRIO鏈路的協(xié)處理方法帶來了挑戰(zhàn)，因為對于20MHz帶寬的情形它招致高達400us的延遲，這已經是可用處理時間的40%。為了解決延遲問題，采用基于FPGA的預處理方法來取代FPGA作為協(xié)處理器方法。這意味著需要在FPGA中實現(xiàn)完整的PHY層處理，而DSP處理器擔當控制器并完成更高層的各種功能。如圖10.0所示。利用對DSP處理器的預處理方法，DSP處理器會取代網絡處理器或把網絡處理器功能減少至僅僅做集中的PDCP處理以及回程接口。采用這一方法的另一個優(yōu)勢就是FPGA可以被用于MAC加速功能以補償在DSP上存在的低控制代碼性能。另外的方法就是采用FPGA作為對網絡處理器的預處理器，如圖11.0所示。圖10.0利用DSP架構實現(xiàn)的FPGA預處理圖11.0利用網絡處理器架構實現(xiàn)的FPGA預處理總而言之，這兩種方法除了克服延遲問題之外，具有若干優(yōu)勢，如為將來規(guī)范的各種變化做好準備。5.XilinxLTE基帶參考解決方案賽靈思近在巴塞羅納舉行的MobileWorldCongress2022上演示了面向PDSCH的、符合3GPPLTE標準的LTE基帶下行鏈路解決方案。該參考解決方案由各種相關的賽靈思LTEIP核組成，包括透平編碼/解碼、速率匹配、具有循環(huán)前綴插入以及QAM映射器和去映射器的FFT/iFFT.該參考解決方案的下行發(fā)送和接收鏈如圖5.0所示。這一參考解決方案也適合對面向LTE的、業(yè)已開發(fā)完成的各種IP核[3]提供系統(tǒng)級驗證。在高于10MHz的帶寬上，賽靈思成功地演示了遠遠高于100Mbps的視頻流。這一成功的演示所采用的面向視頻流的參考應用，是基于運行在一臺個人電腦主機上的開放源視頻局域網服務器（VideoLanServer）。LTE基帶參考解決方案位于兩個近發(fā)布的ML507板上。每一塊板通過千兆位以太網鏈路與主PC通信。由主PC發(fā)出的UDP數(shù)據包首先由三態(tài)以太網MAC模塊（TEMAC）處理，隨后經過輕量IP堆棧（LWIP），才進入LTE基站參考解決方案的發(fā)射（TX）模塊。來自TX模塊的I/Q數(shù)據通過用于處理的Aurora鏈路，被輸出至具有LTE