基于FPGA的分時長期演進能量擴散模塊實現

　　*基金項目：國家科技重大專項(編號：2016ZX03002010)

　　引言

　　我國移動通信的發(fā)展經歷了從模擬到數字的過程，包括TACS、GSM、CDMA等2G移動通信系統以及WCDMA和TD-SCDMA等3G移動通信系統。3G及其以后的移動通信系統追求的主要目標是高速率數據、廣覆蓋和大容量。我國已從3G逐步過渡到4G無線技術，隨著4G技術的大量普及，其峰值速率要求越來越高，比如4G中低速移動性時峰值傳輸速率能超過100Mbit/s甚至更高。鑒于4G TD-LTE標準下傳輸速率要求過高，本文在無線傳播方式下，提出了分組長期演進標準下能量擴散模塊的Verilog-HDL設計方法，在Xilinx ISE開發(fā)軟件上實現軟件仿真并在fpga開發(fā)板上設計出能量擴散模塊電路。能量擴散的目的就是使數據信號的能量不至于過分的集中在連續(xù)“0”或“1”所對應的頻率上，從而得以減小對其他通信設備的損害，也就不會對接收效果造成影響。

　　1 TD-LTE標準傳輸碼流數據包幀結構

　　TD-LTE標準下，上下行數據在同一頻率內傳輸，使用非成對頻譜。

圖1 TDD幀結構類型(5 ms切換周期)

　　TDD下，每個系統幀長達10 ms，由2個長達5 ms的半幀(half-frame)組成。每個半幀由5個長達1 ms的子幀組成。TDD中的子幀包括正常子幀和特殊子幀。對于TDD而言，上下行傳輸是通過時域區(qū)分開的。TDD支持7種不同的上下行配置(uplink-downlink configuration)，對應不同的上下行配比，具體見表1。其中“D”對應一個下行子幀，“U”對應一個上行子幀，“S”對應一個特殊子幀。我們將“D”和“U”對應的子幀稱為正常子幀，以此與特殊子幀“S”區(qū)分開來。

　　TDD上下行配置是通過RRC消息中的TDD-Config->subframeAssignment字段來設置的。

       表1 上下行配置

　　從表1可以看出，TDD上下行配置支持5 ms和10 ms的下行到上行的切換周期。在5 ms的切換周期中，在2個半幀都存在特殊子幀;在10 ms的切換周期中，只有第一個半幀存在特殊子幀。在此論文中，將TDD的7種不同的上下行配置簡稱為TDD 0~6。TDD下的正常子幀結構與FDD下的子幀結構是相同。

　　特殊子幀包含3個域：DwPTS、GP和UpPTS，這3個域的時長相加等于1 ms。特殊子幀有9種不同的配置，對應不同的DwPTS和UpPTS長度，見表2。特殊子幀配置是通過RRC消息中的TDD-Config-> specialSubframePatterns字段來設置的。

　　表2 特殊子幀( DwPTS/GP/UpPTS的時長).

　　與FDD類似，TDD下的每個子幀(包括特殊子幀)長達1 ms，由2個連續(xù)的slot組成，每個slot長達0.5 ms( )。子幀0、5以及DwPTS總是用于下行傳輸;UpPTS以及緊隨特殊子幀之后的子幀總是用于上行傳輸。

　　圖2 LTE時域結構

　　一個slot由多個符號(symbol)組成，每個符號(用L表示)由循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，簡稱CP)和可用的符號時間組成。上行使用SC-FDMA符號(SC-FDMA symbol)，下行使用OFDM符號(OFDM symbol)。

　　圖3 能量分散后數據格式

　　TD-LTE傳輸碼流幀結構中偶爾集中出現連續(xù)“0”或連續(xù)“1”狀態(tài)，這會對硬件板的發(fā)射功率造成很大的損耗，降低了傳輸效率，假如在發(fā)射環(huán)節(jié)突發(fā)此種狀況，就會對系統其他通信設備造成不可忽略的損害，同時，也會對接收效果造成一定影響，最終導致數據碼流傳輸速率大大的降低。而能量擴散的目的就是使這些數據信號的能量不至于過分的集中在“0”或“1”所對應的頻率上，從而得以減小對其他通信設備的損害，也就不會對接收效果造成影響。具體實施上，就是將傳輸碼流二進制數據依次與偽隨機二進制序列進行異或運算，以達到使能量集中的連續(xù)“0”或連續(xù)“1”分散開來，圖3為處理過后的數據。這樣，便使“0”和“1”對應的功率譜密度分布相對合理，數據碼流中從“1”到“0”或從“0”到“1”的跳躍變動頻率更大，大大提升了接收數據的穩(wěn)定性。為了保證原始碼流的完整恢復，發(fā)射機、接收機需同步實現擾碼過程，實際上，擾碼過程是能量擴散的中心環(huán)節(jié)。

　　 偽隨機二進制序列

　　擾碼過程中，能量分散就是采用偽隨機二進制序列 (Pseudo-Random Binary Sequence，簡稱PRBS)與傳輸碼流中的傳輸數據進行異或運算得到，PRBS生成多項式為：

　　其中，g(x)是PRBS生成多項式;x14 ，x15分別為寄存器的14級，15級狀態(tài)。

　　經過驗證篩選，把PRBS的初始序列定為“100101010000000”，同時每隔8個傳輸數據包對PRBS重新進行初始化，并將第一個傳輸數據包的同步字節(jié)取反作為一個完整周期的起始標志。偽隨機二進制序列的變化及參與能量擴散過程原理圖如圖4所示。

圖4 能量分散原理圖

　　從能量分散原理圖(見圖4)可知，偽隨機二進制序列發(fā)生器中的移存器的反饋線從第14級和第15級取出，經模二加后送入移存器的第一級，這樣便實現了偽隨機二進制序列的循環(huán)往復。

　　二進制傳輸碼流與偽隨機二進制序列進行異或過程，即能量分散過程詳細圖解如圖5所示：

圖5 能量分散過程圖

　　能量擴散的實質是擾碼，擾碼器實質上是一個反饋移位寄存器，其輸出為一個m序列。它能最有效的將輸入數據碼流攪亂，使輸出數據碼元之間的相關性最小。傳輸數據時，擾碼器的初始狀態(tài)應該被設置為非零的偽隨機序列，正如上述定義的初始序列為“100101010000000”，為了使擾碼過后形成“0”與“1”之間的頻繁跳變，初始狀態(tài)的設置尤為重要。在接收端接收時，可以用同樣的擾碼器進行相應地解擾。

　　由前面所述可知，能量擴散是通過偽隨機二進制序列來完成的。偽隨機序列碼有很多種，其中用多級移位寄存器產生的m序列即最長線性移存器序列是最常用的一種，這不僅僅是因為其性能可靠，電路易于實現，更重要的是m序列碼具有以下特性：

　　1)均衡特性。也稱為平衡性，由n級移位寄存器產生的m序列中，n位二進制數字去掉無意義的全零外，共有p=2n-1，故其長度為2n-1，即周期為2n-1比特。在每一周期內，“0”出現2n-1-1次，“1”出現2n-1次，“0”比“1”只少出現一次，“0”和“1”出現的次數認為是均衡的。

　　2)m序列的自相關函數。就是m序列與其移位過后的序列之間的相關程度。若m序列的周期為p，R(k)記為m序列與其移位k位過后新序列的相關函數，它只有兩種取值，

　　R(k)是一個周期函數，即R(k)=R(k+cp) ，同時R(k)還是偶函數，即R(k)=R(-k), k為整數。m序列的自相關函數示意圖如圖6所示：

　　3)移位相加特性。即線性疊加性，m序列與它的位移序列經過模二相加后，所得到的新序列仍是該m序列地某個位移序列，這樣，就實現了偽隨機序列的依次順序移位。

　　4)偽噪聲特性。假設對任一服從正態(tài)分布的高斯白噪聲取樣，若取樣值為正，則記為+1，取樣值為負，則記為-1，將每次取樣所得到的結果排成序列，可寫成···+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，-1，-1，···這是一個隨機的數據序列，具有如下特性：一，序列中出現-1和+1的概率相等;二，一般地，長度為k的序列的游程約占2-k，同時-1和+1游程的數目也各占一半;三，由于白噪聲的功率譜為常數c，因此其自相關函數為一沖擊函數δ(τ)。從以上特性可知，m序列碼是一個很好的偽隨機二進制序列。

　　 能量擴散實現過程及仿真結果

　　依據前文介紹，現把能量擴散(擾碼)實現過程原理轉化成示意圖，如圖7所示。

　　仿真軟件采用ISE軟件(XILINX公司)。TD-LTE的輸入碼流以字節(jié)為單位且并行傳輸，但能量擴散擾碼過程處理的是串行數據，因此，必須先處理以字節(jié)為單位的并行數據，把其轉換成以bit為單位的串行數據，本文通過DATA-BUFFER緩存模塊來完成輸入數據幀碼流中的并轉串過程。實驗結果如圖8所示，完全符合擾碼(能量擴散)過程的前期要求。

　　 結論

　　本文充分利用了 序列的偽隨機特性，在ISE軟件工具上，實踐了TD-LTE標準下基于FPGA的能量擴散方法，仿真結果以及在線硬件測試結果表明，本文提供的方法實現了項目中涉及到的無線通信TD-LTE標準下能量擴散的功能。