0 引言

　　相對(duì)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(tǒng)通過(guò)采用適當(dāng)?shù)?a class="innerlink" href="http://m.xxav2194.com/tags/預(yù)編碼" title="預(yù)編碼" target="_blank">預(yù)編碼技術(shù)對(duì)兩個(gè)碼字的數(shù)據(jù)流進(jìn)行空間復(fù)用，能夠顯著提高頻譜利用率[1]。同時(shí)，LTE系統(tǒng)下行鏈路采用OFDM多址方式，能夠在整個(gè)時(shí)域和頻域上進(jìn)行靈活的資源分配和調(diào)度[3]。資源映射將物理信號(hào)和預(yù)編碼處理后的各個(gè)物理信道，根據(jù)規(guī)則映射在時(shí)、頻域資源上，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)需對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)串行處理，而傳統(tǒng)的空間復(fù)用預(yù)編碼模塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)碼字的串行分時(shí)處理，導(dǎo)致在預(yù)編碼之前需要添加緩存模塊，增加了系統(tǒng)的存儲(chǔ)器開(kāi)銷。

　　本文針對(duì)雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的空間復(fù)用預(yù)編碼和資源映射模塊。本設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)的預(yù)編碼模塊無(wú)法對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)處理的問(wèn)題，同時(shí)改進(jìn)資源映射模塊并對(duì)其存儲(chǔ)器進(jìn)行復(fù)用，節(jié)省了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的額外緩存，降低了系統(tǒng)的存儲(chǔ)器開(kāi)銷。

1 預(yù)編碼和資源映射

　　1.1 空間復(fù)用預(yù)編碼算法

　　空間復(fù)用預(yù)編碼分為開(kāi)環(huán)空間復(fù)用和閉環(huán)空間復(fù)用[4-6]。

　　1.1.1 閉環(huán)空間復(fù)用

　　閉環(huán)空間復(fù)用在發(fā)射端利用反饋的信道狀態(tài)信息，然后根據(jù)一定的最優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)傳輸信息進(jìn)行預(yù)編碼[8]。對(duì)于無(wú)循環(huán)延遲情況，雙碼字、雙天線的閉環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼定義為：

　　其中，y(0)(i)和y(1)(i)表示預(yù)編碼處理后天線端口0和1上的數(shù)據(jù)，x(0)(i)和x(1)(i)表示層映射輸出的層0和1上的數(shù)據(jù)。預(yù)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(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，M為層數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。在雙天線模式下，eNodeB根據(jù)反饋回得預(yù)編碼矩陣指示從參考文獻(xiàn)[4]中選擇中選取W(i)。

　　1.1.2 開(kāi)環(huán)空間復(fù)用

　　如果發(fā)射端不需要信道反饋的信道狀態(tài)信息，這種空間復(fù)用稱為開(kāi)環(huán)空間復(fù)用。對(duì)于長(zhǎng)延時(shí)的循環(huán)延遲分集的情況，雙碼字、雙天線的開(kāi)環(huán)空間復(fù)用預(yù)編碼被定義為：

　　其中，W(i)是預(yù)編碼矩陣，大小為2×2，i=0，1，…，M-1，M=M。D(i)表示循環(huán)延遲分集，為2×2的對(duì)角陣，U的大小也是2×2。D(i)和U從參考文獻(xiàn)[4]表6.3.4.2.2-1中選擇。在雙天線模式下，開(kāi)環(huán)空間復(fù)用只能從參考文獻(xiàn)[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(shù)，其幀結(jié)構(gòu)是一個(gè)時(shí)、頻二維資源格。該時(shí)、頻二維資源格的定義可參照參考文獻(xiàn)[4]。

　　資源映射將物理信號(hào)和預(yù)編碼輸出的不同天線端口上的物理信道按照各自的規(guī)則及時(shí)有效地映射在上述時(shí)、頻二維資源格上[4]。各個(gè)物理信道和物理信號(hào)的映射地址算法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

2 預(yù)編碼與資源映射的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)

　　雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的串行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　碼字0和碼字1依次分時(shí)經(jīng)過(guò)加擾和調(diào)制模塊，生成調(diào)制符號(hào)，層映射模塊分別將碼字0和碼字1的調(diào)制符號(hào)映射到層0和層1上，預(yù)編碼模塊選用合適的空間復(fù)用方式將層0和層1的數(shù)據(jù)變換到天線端口0和天線端口1上，接下來(lái)資源映射模塊將不同天線端口上的數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)則映射在OFDM時(shí)、頻資源塊上，最后形成OFDM信號(hào)輸出。

　　2.2 預(yù)編碼的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于雙碼字、雙天線的情況，統(tǒng)一式(1)和式(2)，空間復(fù)用預(yù)編碼算法可以表示如下：

　　其中，N為2×2的矩陣，當(dāng)表示開(kāi)環(huán)空間復(fù)用時(shí)，N=W(i)D(i)U；當(dāng)表示閉環(huán)空間復(fù)用時(shí)，N=W(i)。

　　對(duì)于雙碼字、雙天線的情況，經(jīng)過(guò)層映射處理后的數(shù)據(jù)與碼字對(duì)應(yīng)的關(guān)系為：

　　從式(7)可以看出，天線端口0上的數(shù)據(jù)y(0)需要同時(shí)得到碼字0的數(shù)據(jù)d(0)和碼字1的數(shù)據(jù)d(1)，進(jìn)行系數(shù)相乘后做加法操作；同理，天線端口1上的數(shù)據(jù)y(1)也一樣。

　　根據(jù)式(7)，可以設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)的空間復(fù)用預(yù)編碼模塊實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。傳統(tǒng)的預(yù)編碼模塊將經(jīng)過(guò)調(diào)制之后串行而來(lái)的碼字d(i)通過(guò)選擇器進(jìn)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(shù)b和e相乘，同時(shí)將緩存中的碼字0取出送入乘法器與系數(shù)a和c相乘。最后將結(jié)果按照式(7)所示分別送入加法器0和1進(jìn)行加法操作，最終輸出得到天線端口0和1上的數(shù)據(jù)。其中控制單元作為主控制器，控制各個(gè)模塊的工作方式。

　　但是，傳統(tǒng)的空間復(fù)用預(yù)編碼模塊并不能對(duì)碼字0和碼字1進(jìn)行分時(shí)處理，2.1節(jié)中串行結(jié)構(gòu)的預(yù)編碼模塊需要增加緩存用以存儲(chǔ)先期到達(dá)的碼字0。在TD-LTE下行鏈路中，經(jīng)過(guò)調(diào)制之后的單個(gè)碼字包含的最大數(shù)據(jù)量可以達(dá)到1 200×12個(gè)調(diào)制符號(hào)[4]，本設(shè)計(jì)中采用調(diào)制符號(hào)位寬為16位，數(shù)據(jù)為I/Q兩路，因此預(yù)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(chǔ)器開(kāi)銷。

　　為了解決額外存儲(chǔ)器開(kāi)銷的問(wèn)題，對(duì)空間復(fù)用預(yù)編碼算法進(jìn)行改進(jìn)。將式（7）進(jìn)行矩陣變換得到：

　　通過(guò)變換后，預(yù)編碼將碼字0與碼字1的處理分開(kāi)，剝離出兩者的加法操作，這樣便不需要兩個(gè)碼字的數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)碼字的分時(shí)串行處理。令：

　　根據(jù)式(8)～式(13)并剝離加法操作，可以設(shè)計(jì)出改進(jìn)后的新型空間復(fù)用預(yù)編碼模塊，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　相對(duì)于傳統(tǒng)預(yù)編碼模塊，改進(jìn)后的新型預(yù)編碼模塊去掉了緩存單元和最終的加法器。串行而來(lái)的碼字0、碼字1經(jīng)過(guò)選擇器分別乘以系數(shù)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(jīng)過(guò)選擇器輸出。碼字間的加法操作將會(huì)被移植在隨后的資源映射模塊進(jìn)行。

　　2.3 資源映射的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)資源映射的算法，可以設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)的資源映射模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。

　　資源映射模塊用一塊存儲(chǔ)器作為OFDM時(shí)、頻資源的實(shí)體，其包含四塊同等大小的緩存0-4，每?jī)蓧K對(duì)應(yīng)一個(gè)天線端口的時(shí)、頻資源格，在寫(xiě)入、讀取時(shí)做乒乓操作以讓幀數(shù)據(jù)流水處理[9]。控制單元按照各個(gè)物理信道和信號(hào)的映射地址算法在寫(xiě)地址生成模塊生成相應(yīng)寫(xiě)地址，將天線端口0和1的數(shù)據(jù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)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(gè)天線端口上的數(shù)據(jù)讀出并輸出。

　　傳統(tǒng)的資源映射模塊并不能進(jìn)行分時(shí)串行處理，但是注意到其特有的存儲(chǔ)器資源可以作為分時(shí)串行處理兩個(gè)碼字所需的緩存。因此，根據(jù)新型空間復(fù)用預(yù)編碼模塊的工作特性，通過(guò)復(fù)用資源映射模塊的存儲(chǔ)器資源，設(shè)計(jì)了改進(jìn)后的新型資源映射模塊，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(fù)用預(yù)編碼模塊輸出的天線端口0和1上的中間變量。當(dāng)中間變量是由碼字0產(chǎn)生時(shí)，將其直接寫(xiě)入對(duì)應(yīng)天線的緩存；當(dāng)中間變量為碼字1時(shí)，將緩存中碼字0的中間變量取出，與碼字1的中間變量對(duì)應(yīng)相加，此時(shí)的相加結(jié)果即為預(yù)編碼的完整輸出，完成預(yù)編碼的操作，最后將此結(jié)果寫(xiě)入對(duì)應(yīng)緩存，完成資源映射操作。這樣，新型預(yù)編碼模塊不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)碼字的分時(shí)串行處理，同時(shí)節(jié)省了傳統(tǒng)預(yù)編碼模塊的額外存儲(chǔ)器開(kāi)銷。

3 仿真與驗(yàn)證

　　3.1 仿真結(jié)果

　　本設(shè)計(jì)采用基于Altera StratixIV系列的 EP4SGX530-

　　KH40C3 FPGA芯片平臺(tái)進(jìn)行綜合。系統(tǒng)采用的工作時(shí)鐘頻率為122.88 MHz，調(diào)制符號(hào)位寬為16位，分別對(duì)傳統(tǒng)和新型的空間復(fù)用預(yù)編碼、資源映射模塊進(jìn)行綜合并將其資源開(kāi)銷進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

　　從表中可以看出，改進(jìn)后的新型實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在組合邏輯和寄存器邏輯開(kāi)銷上有略微減小，而存儲(chǔ)器開(kāi)銷顯著降低了16.4%。

　　3.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

　　本設(shè)計(jì)中的新型空間復(fù)用預(yù)編碼模塊和資源映射模塊已應(yīng)用到圖1所示的雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的VLSI系統(tǒng)架構(gòu)中。

　　為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的功能與性能，搭建了如圖6的硬件驗(yàn)證平臺(tái)，采用了Altera公司Stratix IV系列的FPGA芯片EP4SGX230KF40C3，同時(shí)為T(mén)D-LTE下行鏈路設(shè)計(jì)了基于AD9361芯片的射頻系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了整體系統(tǒng)的測(cè)試軟件，通過(guò)TD-LTE協(xié)議框架下多種業(yè)務(wù)層面的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試項(xiàng)，完成了對(duì)該TD-LTE下行鏈路系統(tǒng)的功能和性能的驗(yàn)證，系統(tǒng)指標(biāo)完全滿足協(xié)議36.141的測(cè)試指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文針對(duì)雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型空間復(fù)用預(yù)編碼和資源映射模塊。該設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)無(wú)法對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行分時(shí)串行處理的問(wèn)題，同時(shí)節(jié)省了實(shí)現(xiàn)中的額外緩存，將模塊中存儲(chǔ)器開(kāi)銷降低16.4%。

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