LTE上行信道交织与解交织的研究及DSP实现*

陈发堂，陈燕

(重庆邮电大学，重庆400065)

ZEHAVI提出比特交织编码调制BICM(Bit Interleaver coding Modulation)思想[1]，即在编码和调制之间引入交织。BICM通过牺牲一些欧式距离来提高汉明距离，使其在衰落信道下具有高度的鲁棒性。交织的原理是打乱原始数据序列，使数据的相关性减弱，尽力分散突发错误，在译码时大大降低数据突发错误的影响。

3GPP LTE中物理上行链路共享信道PUSCH（Physical Uplink Shared Channel)上承载的信息包含预编码矩阵指示PMI(Precoding Matrix Index)、秩指示RI(Rand Index)、CQI信道质量指示(channel quality indicator)和混合自动重传请求应答HARQ-ACK(hybrid automatic repeat request acknowledgement)以及数据信息。为降低数据突发错误率，在几路信息各自编码后和调制间，引入了信道交织[2]。PUSCH信道交织采用的是分组交织，但与传统的分组交织有较大差异。本文从DSP实际角度出发，针对PUSCH信道交织与解交织，提出了一种简单的实现方案。

1 PUSCH信道交织

进入PUSCH信道交织是三路信息，为降低译码的错误率，在进行信道交织前，先将三路信息进行数据复用，然后再进行PUSCH信道交织。在用DSP具体实现时，把数据复用和信道交织放在一个模块实现。

1.1 三路编码后的数据复用

(1)RI和ACK的数据复用

(2)CQI/PMI和数据信息复用

q0，q1，q2，q3，…，qQ-1是CQI编码后的比特序列，f0，f1，f2，f3，…，fG-1是编码后UL-SCH数据的比特序列，控制信息与数据信息复用的数据为复用方式如下：

在具体用DSP实现时，不用浪费存储空间和程序段来实现三路数据复用的过程。只需在进行信道交织时，使整个交织表的每一个大行向量包含Qm小行，在放置数据时，需要首先把Qm小行放置完毕，依次放置该大行向量的其他数据，即可实现三路数据的复用。

1.2 PUSCH信道交织步骤

通过上式分析可以确定交织表的行数、列数是由高层来的参数确定，与三路输入数据的长度无关。

本系统选用TMS320C6455作为DSP芯片，该芯片是TI公司基于第三代先进Velovi TI超长指令字VLIW(Very Long Instruction Word)结构的高性能定点DSP[3]。其最高主频达到了1.2 GHz，每个周期可以并行执行8条指令，处理速度最大可至8 000 MIPS,实现高速运算。TMS320C6455片内采用L1/L2两级存储器结构，L1包含相互独立的32 KB的程序Cache(L1P)和32 KB的数据Cache(L1D)，L2为2 MB的寻址空间，其片内存储器容量是其他C64系列的二倍。序列。协议中规定：RI比特序列从最后一大行开始放置，每大行放置4列，放置所占的列数，需每次通过如下公式计算，即需要用到查表、求模、向下取整运算，在用DSP实现时，浪费程序段代码和cycle数。

通过对上述公式的计算和理解，从节省程序代码段和cycle数考虑，提出了一种简单的实现方案，在放置RI时每行只需放置4列，每行放置的位置相同，在实现时，只需把原RI所占列的表1修改为表2，即可实现上述代码。

表1 RI和ACK所占列

表2 RI和ACK所占列

(4)在交织表中放置CQI和数据信息：首先放置CQI信息，然后放置数据信息，在放置CQI和数据信息时，程序中必须考虑不能覆盖RI的信息，具体见下节信道交织的DSP实现。

(5)如果在该子帧传送HARQ-ACK，在交织表中放置ACK的信息的ACK比特序列。协议中规定：ACK与RI在进行信道交织时，所放置的情况相同，只是所占的列不同，在这里不再赘述。为节省Cycle和程序段代码，对ACK放置在交织表中所查的列的表1修改为表2即可实现。

(6)交织表按列输出即可实现交织。

2 信道交织与解交织算法的DSP实现

2.1 信道交织的DSP实现

在实现信道交织时，输入的三路信息：RI、CQI/PMI和数据复用后的信息，HARQ经过编码后直接到信道交织模块，数据复用放到信道交织模块实现。图1给出PUSCH信道交织的程序实现流程。信道交织是比特进行交织，为便于寻址处理，需要把每个比特字节化。

三路信息实现比特字节化，利用TMS320C6455每个周期最多可并行执行8条指令，为节省Cycle，在比特字节化的循环体里，每次分别取出4 B的数据，在程序中利用A组寄存器和B组寄存器交替使用的方式，达到每个周期可以并行执行6条指令。利用B指令和LDB指令后的延迟“NOP”指令，使程序进行极大的优化。

在交织表中放置RI信息，根据对协议的理解，提出了一种简单的实现方案。在放置RI信息过程中，采用三层循环实现：第一层为Qm行小向量是否填满，第二层为该大行的4列是否填满，第三层为大行数依次递减，是否所有的RI已经放在交织表中。

在交织表中放置CQI信息，在放置时不能覆盖RI的信息，即需要知道RI在交织表中占哪些位置。为确定RI在交织表中的位置，用RI编码后的长度除以4×Qm，在程序中提出采用文献[4]介绍的除法程序，该除法程序经优化后只占用35cycle。CQI的放置原理和RI相同，都是采用三层循环。只是放置时需要根据RI在交织表占用位置的不同情况进行放置。

在交织表中放置ACK信息，为便于程序的简化，提出了一种简单的实现方案，ACK放置在交织表中的位置是覆盖CQI信息，为避免覆盖多余的CQI，需明确ACK占交织表中哪些位置，用ACK编码后的长度调用除法程序除以4×Qm，根据ACK在交织表中的具体情况进行放置。ACK的放置原理和RI相同，采用三层循环。

交织表的输出是按列进行输出，其实现采用三层循环，第一层为Qm小行进行输出，取出每一个Qm小行的数据，在用DSP实现时需要偏移Cmux；第二层为大行数依次递增，直到把R′mux大行的数据取出；第三层为列数依次递增，把Cmux列的数据取出。

2.2 PUSCH解信道交织的DSP实现

PUSCH上的数据经过解调、解扰后是软信息，每个软信息占16 bit，解信道交织时无需对软信息进行字节化。通过对协议TS36.212中PUSCH信道交织的理解，解信道交织的思想是首先恢复出交织表（注意恢复交织表时，列输入行输出），然后根据三路数据所放置的具体位置，再解出三路数据信息。在解交织时，为保证三路输出的数据正确，需调用除法程序，具体步骤如下：

(1)根据高层的参数来确定交织表的列数Cmux和大行数。

(2)恢复交织表。按列进行输入，在放置数据时，包含三层循环，第一层把Qm小行向量填满，每一小行从起始位置偏移0～(Qm-1)×Cmux进行放置，直到把Qm小行放置完；第二层为大行数依次递增，直到把R′mux大行的数据填满；第三层为列数依次递增，把Cmux列的数据填满，每一列的处理方式相同。

(3)从交织表中取出RI的数据。在取RI数据时，采用三层循环进行实现：从最后一大行开始，第一层为取出列表二的值，根据该值确定其RI在交织表中列位置偏移，把Qm小行向量的RI数据从交织表取出；第二层为列表二中RI所占四列的数据是否取完；第三层为大行数依次递减，直到把所有的RI信息取出。

(4)在交织时，ACK的数据覆盖一部分CQI的数据，在解交织时，取出ACK的数据，同时在放置ACK的数据位置填0，即实现对CQI数据的打孔。根据ACK的长度确定ACK在交织表所占位置，从交织表中取出ACK的数据，其处理方式和RI相同，采用三层循环，在取出数据的同时，把相应的位置赋值为0。

(5)在解交织取出CQI的数据时，从交织表中取出的CQI数据的原理和RI相同，都是采用三层循环。只是取CQI数据时需要根据RI在交织表占用位置的不同情况进行。

3 性能分析

在TMS320C6455DSP软件实现中,考虑该定点DSP具有每个周期最多可并行执行8条指令的特性。根据上节描述的信道交织与解交织的软件实现流程，从节省cycle数和存储空间角度出发，最大程度优化程序循环体，使用并行指令，利用一些指令后的延迟“NOP”指令[5]。根据不同的数据类型和数据的长度，通过程序仿真实现，得到统计结果如表3。

表3 统计结果

表3中PUSCH解信道交织时得到的数据是软信息，每一个软信息占16 bit。给出的三路数据各自的长度虽然比较特别，但不失一般性。在交织时由于处理的是比特交织，需要把比特进行字节化，在交织完后，需要字节比特化级联。而解交织处理的是软信息，无需此过程，所执行的周期明显的减少。虽然给出简化方案的运算量较大，但是由于采用的TMS320C6455的主频为1 GHz，在具体实现时，完全可以满足实时需求。

本文从理论上详细分析了PUSCH信道交织的过程，PUSCH信道交织的交织表的行、列是由高层来的参数确定，与传输的三路数据的长度无关。根据PUSCH上的三路数据采用特殊的分块交织，提出了一种简单的方案实现PUSCH上数据复用和信道交织的模块与PUSCH解信道交织和数据复用的模块。将DSP程序输出的结果与MATLAB程序输出的结果进行比较，程序运行结果表明，本方案能够满足TD-LTE无线综合测试仪表的需求。

[1]ZEHAVI.E 8-PSK Trellis Codes for a Rayleigh Fading Channel IEEE Transactions on Communications，1992，40(5)：873-874.

[2]3GPP TS36.212.v8.9.0 Multiplexing and channel coding(Release 9)[S].

[3]汪安民，张松灿.TMS320C6000系列DSP实用技术与开发案例[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4]石元君.定点DSP除法原理及其TMS-320C6000实现[J].单片机与嵌入式系统应用，2002(10)：73-74.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP变成工具与指南[M].田黎育，何佩琨，朱梦宇，译.北京：清华大学出版社，2007：30-60.