基于GPP－SDR的TD－HSDPA物理信道软件设计及优化

黄 婕，黄 敏，张润福，齐 心，赵 利

（1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004；2.清华大学信息科学与技术国家实验室，北京100084；3.厦门大学 通信工程系，福建 厦门361005）

0 引 言

软件无线电 （software defined radio，SDR）是在通用、标准、模块化的硬件平台上，利用软件来实现信号处理的通信系统设计方法，其具备的灵活性使得通信设备随通信标准变化带来的开发、升级、测试周期显著缩短。根据2G向3G乃至4G平滑演进的目标，软件无线电技术非常适合实现上述功能乃至整个协议栈。传统的SDR技术基于FPGA、DSP等专用开发平台。一方面，缺乏灵活性和普适性，不适用于蜂窝移动通信标准和算法的不断增强；另一方面，由于市场专一，规模有限，所以成本较高［1］。

因此，本文创新性地采用了基于通用处理器 （GPP）的SDR平台，对TD－HSDPA高速物理信道的实现软件进行了设计及优化。在本设计中GPP平台采用现行PC机中使用的CPU，即实现基于PC机的软件无线电系统。GPPSDR平台与基于FPGA、DSP等处理器的SDR平台相比，具有易编程，灵活性、可扩展性好等特点，可极大的缩短开发周期，降低开发成本［2］。

使用GPP－SDR平台，需要解决通信系统的实时性与CPU运行高速数字信号处理算法的效率等问题。为此，本文使用C＋＋语言设计了发送处理类和接收处理类，并采用适用于x86型CPU的单指令多操作 （SIMD）指令集SSE，从而极大地提高了软件运行效率。通过对协议实例中最大速率配置的接收端代码效率的测试，以及对HARQ机制性能的仿真，证明本文所提出的软件设计及优化方法，满足TD－HSDPA的处理延迟和性能要求，为在GPP－SDR平台上进一步实现3G和LTE协议栈提供了参考。

1 TD－HSDPA物理层协议栈介绍

TD－SCDMA是我国自主研发并被国际电联 （ITU）正式采纳的第三代蜂窝移动通信标准。其时分双工方式使得TD－SCDMA可以灵活设置上下行时隙比例，适用于非对称数据业务。凭借频谱利用率高，系统容量大，系统设备成本低等特点，TD－SCDMA已经成为3G标准中三大主流技术之一。随着各种业务对数据吞吐率的要求日益增长，TDSCDMA在3GPP Release 5中引入增强技术HSDPA，通过采用自适应编码调制 （AMC）、混合自动重传请求（HARQ）和快速调度 （FS）技术，增加一个 MAC－hs实体和三条物理信道，对于1.28Mcps采样率的TDD系统，单载波1.6MHz带宽上支持的理论峰值吞吐量达2.8Mbps。

3GPP Release5引入的HSDPA技术在物理层新增了三条信道，分别是高速物理下行共享信道 （HS－PDSCH）、高速共享控制信道 （HS－SCCH）、高速共享信息信道 （HSSICH）。三条信道的帧结构与TD－SCDMA中其他信道相同，如图1所示。

图1 TD－SCDMA无线子帧结构

图中Ts0固定用于下行，Ts1固定用于上行，其他时隙可灵活分配上下行方向，从而适合开发非对称数据业务。除7个常规时隙外的3个特殊时隙分别为：DwPTS（下行导频时隙）、GP（保护间隔）和 UpPTS（上行导频时隙）［3］。HS－PDSCH 信道的突发格式如图2 （a）所示，HSSCCH与HS－SICH信道额外包含TPC和SS符号，突发格式如图2 （b）所示［3］。

图2 突发格式

HS－PDSCH承载传输信道 HS－DSCH，用于传输业务数据。HS－DSCH承载的传输块 （transport block）通过编码复用后映射到物理信道HS－PDSCH。其中包含HARQ功能实体和星座重排两个较特殊的模块。HARQ功能实体的作用是通过速率匹配的方式产生不同的数据版本，以实现HARQ的传输机制。星座重排模块作为高阶调制情况下特有的操作，通过改变比特所映射的星座点位置，使得重传时信号能量在各符号上的分布发生变化，从而提高重传合并后比特的可靠性。HS－SCCH为下行物理信道，用户根据其承载的HS－DSCH高层控制信令及物理信道配置信息接收HS－PDSCH信道上的业务数据。HS－SCCH中包含的HARQ进程指示 （HARQ＿ID）指示当前数据包所属的HARQ进程。RV （Redundancy version）参数则用于计算HARQ功能实体的速率匹配参数，控制传输的数据版本。HS－SICH为上行物理信道，用于UE反馈ACK/NACK和信道质量指示CQI。ACK/NACK指示接收数据译码是否正确，使用重复编码方式。CQI包含推荐调制方式 （RMF）和推荐传输块大小 （RTBS）两个内容，RTBS采用 （32，6）一阶Reed－Muller编码，RMF为重复编码。

HS－PDSCH采用QPSK、16QAM、64QAM这3种调制方式，可根据信道条件灵活选择，扩频因子可为16或1。HS－SCCH与HS－SICH信道用于传输重要的配置和反馈信息，因此固定使用QPSK调制，扩频因子为16。HSDPA三条信道的数据传输流程如图3所示。

图3 HSDPA数据传输流程

2 高速物理信道软件设计

本文基于GPP－SDR平台在 Microsoft Visual Studio开发环境下利用C＋＋语言设计实现了TD－HSDPA物理层协议栈，内容包括 HS－PDSCH、HS－SCCH、HS－SICH 三条物理信道的编码、调制、扩频等模块及其逆过程的软件实现。

2.1 接收机关键模块

接收端采用了若干接收机关键技术以增强系统的接收性能。图4为接收机功能模块流程图，关键模块由红框标出。下文分别介绍了各关键模块的特点及程序接口。

图4 接收机功能模块流程

（1）联合检测：在TD－SCDMA系统中，由于扩频码不严格正交，其非零互相关系数会引起各用户之间的相互干扰，称为多址干扰 （MAI）［4］。MAI极大的影响了系统容量和性能，而联合检测技术则能充分利用造成MAI干扰的用户互信息及多径的先验信息，把多用户信号分离当成统一的相互关联的联合检测过程完成。在相同BER的情况下，联合检测所需的信号SNR大大降低，极大地提高了系统性能。因此本设计使用联合检测来处理收到的码片信息。模块采用迫零线性块均衡算法 （ZF－BLE）实现联合检测功能，并通过块傅里叶算法降低矩阵求逆计算复杂度。模块根据信道估计的结果，利用时隙内所有用户的互信息，一次将一个时隙内的所有码道码片解出，解出的符号 （symbol）输入解调模块。

（2）16QAM解调：HSDPA技术中加入了高阶调制，旨在提高频谱利用率。在本文设计中，16QAM解调模块采用了软解调方式。软解调模块中解调器估计出每个比特的软判决信息 （对数似然比LLR）并将其输入到译码模块。这些软判决输出可以保留部分译码需要信息，同时软判决输出符号与硬判决相同，保证了判决的可靠性。3GPP协议中16QAM调制的星座图如图5所示，收端软解调模块先将星座图顺时针旋转45°再进行解调［5］。如系统模型所示，模块输出为带符号的定点数据。程序中的解调模块接口为DeModulation＿16QAM （Complex＊input＿symbols，char＊output＿bits，int length，float noise＿power），分别为输入符号 （symbol）、输出比特、输出比特长度和噪声功率。

图5 HSDPA 16QAM星座

（3）信道编译码：传输业务的HS－PDSCH信道采用1/3码率Turbo编译码。Turbo码编码器在两个递归系统卷积码编码器之间插入一个交织器，这种结构能在低信噪比的情况下获得接近理想的性能。1/3码率Turbo编码器输出序列由一位信息位和两位校验位组成。设计中的Turbo译码器模块接口为TurboDecoderPerform （char＊c，char＊rec＿llr），分别是输出比特，输入比特软信息。下行控制信道HS－SCCH信道编码方式为1/3码率卷积码。卷积码是一种非分组码，适用于前向纠错。收端译码采用维特比译码算法，利用了编码网格图的特殊结构，从而大大降低了计算的复杂性。程序中的维特比译码模块接口为viterbi＿13 （char＊decoded＿bits，char＊input＿llr，int K）。HSSICH信道中RTBS采用的 （32，6）一阶Reed－Muller码是一种线性分组码。编码模块根据3GPP文档［6］中给出的6个基本序列M0～M5，按照下式

计算出32个输出比特。译码方法是先将收到的32个比特进行快速哈达玛变换，找出输出矩阵中的绝对值最大的数的列号作为译码结果的低5位，然后判断这个数的符号，为正则译码最高位为0，反之为1。译码模块接口为Decode＿32＿6 （char＊ RTBS＿bits，int＊ RTBS），输出为6比特数据的十进制形式，即RTBS的值。

2.2 软件实现

基于上述功能模块的描述以及3GPP的协议规定 （文献 ［6－8］），本文针对 TD－SCDMA系统的特点设计了 TDHSDPA基带高速物理信道的软件处理流程。设计发端处理类TD＿TX＿Subframe和收端处理类TD＿RX＿Subframe作为物理层信道程序的公共接口。两者内部都定义了模块接口函数以描述物理层过程，同时定义了物理层功能模块函数。发端的代码结构如图6所示，主要分为初始化，信道编码及物理信道映射、生成物理信道数据三部分。类TD＿TX＿Subframe的成员函数Initialize用于初始化 HSDSCH、HSSCCH、HSSICH的配置，物理信道配置及时隙格式配置等等。三条信道的编码映射由3个类m＿HSDSCH，m＿HSSCCH，m＿HSSICH分别独立完成。每个类的成员函数按照协议中的流程编写，映射后的数据交由类TD＿TX＿Subframe成员函数GenPhyCH统一进行调制、扩频和加扰。调制和扩频均以码道为单位实现，因此归入物理信道类m＿PhyCH中，Initialize作为类m＿PhyCH与外部程序的接口传入数据和配置。完成调制及扩频的多码道数据经过合并后，以时隙为单位统一对数据进行加扰和添加midamble的操作。

图6 发端代码结构

收端的流程为初始化——解物理信道——解信道映射及信道译码。其中各信道解信道映射及信道译码为发端的逆过程，仍由3个独立的类实现。解物理信道的代码结构如图7所示。图中所示的相关程序接口均为收端类TD＿RX＿Subframe的成员函数。其处理过程为：信道估计模块利用接收到的midamble序列和本地midamble序列估计出信道特征，包括各径的时延和增益；信道估计的结果和收端数据输入联合检测模块中，一次解出一个时隙的符号；最后符号经过解调模块的处理可得到比特级数据。SS/TPC译码模块输出 HS－SCCH、HS－SICH信道中的功控和时序调整信息。

图7 收端解物理信道代码结构

考虑到CPU在运行实时通信系统上的效率问题，本设计对系统代码指令进行了优化，即使用SSE指令集。SSE指令集是Intel在Pentium III系列中推出的，包括单指令多数据浮点计算、整数计算和高速缓存控制指令。SSE中的单指令多数据计算指令可在一个指令周期同时对128比特数据进行操作，所以设计中主要采用SSE指令来优化包含大量乘法和加法的模块，进而提高运行效率。以解扩模块为例，在优化前，假设SF＝16，那么解一个符号 （symbol）需要对16个码片进行32次实数乘法。SSE指令一次可对128个比特进行操作，即两个码片数据 （4个float型数据），这样解一个符号的运算量可减少为8次实数乘法，效率提高了75%。其他例如比特加扰，16QAM解调模块都存在大量乘加运算，因此模块中均利用SSE指令集优化了算法。

2.3 运行效率

为测试系统的运行效率以验证代码的优化效果，本文选取3GPP协议25.102v9.1.0中具有最大速率的TD－HSDPA参考配置，测试了HS－PDSCH收端各模块的运行耗时。运行环境：处理器主频2.8GHz，物理内存2048MB，操作系统Windows XP。信道参数配置见表1。此配置最大数据吞吐率接近1.28Mbps，分配的物理信道资源达到12＊5个码道。

表2为收端接收一个子帧时各个模块运行的耗时，统计了解物理信道和HS－DSCH信道编码复用两大部分各自的总耗时，以及HS－DSCH编码复用中各子模块的耗时。测试结果表明解物理信道映射与信道译码耗时较大。解信道映射时，每个比特都需要进行条件判断并计算所在码道中的具体位置，因此解映射模块无法使用SSE指令进行并行计算。译码模块则因配置的数据量较大，使得译码时间相对较长。总体来看，经过代码优化后，相较于5ms的TTI长度，0.855ms的处理时间能够满足基于GPP－SDR的TD－HSDPA实时接收要求。

表1 HSDPA参考配置

表2 收端程序运行耗时

3 时变信道中的HARQ仿真

本文基于上述物理层软件设计，仿真了使用关键技术HARQ的数据吞吐率，进一步验证系统的可行性。HARQ技术具有快速自适应控制的特点，其N通道的停等机制提高了信道利用率。结合了自动请求重传 （ARQ）与前向纠错 （FEC）技术的特点，收端在译码错误的情况下，把比特软信息保存下来，通过上行链路HS－SICH发送NACK要求重传数据，收到重传数据后与原软信息合并，再送去译码。HS－SCCH信道中传递了与HARQ机制有关的参数，包括RV，HARQ＿ID，新数据指示nd。

根据上述思想，HARQ功能实体内部有3种重传机制，其不同点在于重传数据的版本不同。因此物理层HARQ实体可以合入为速率匹配模块。此模块中有两次速率匹配过程，两次速率匹配之间插入一个虚拟缓存，第一次速率匹配的数据保存在此缓存中。第二次速率匹配是产生不同数据版本的关键。若收端要求重传，发端跳过第一次速率匹配，直接从缓存中取出数据，根据HS－SCCH信道传递的RV信息控制第二次速率匹配的参数从而产生不同版本的重传数据。软件设计中根据N进程HARQ的思想设置了4个虚拟缓存 （3GPP协议中规定最大HARQ进程数为4），分别存储不同进程的数据。同时每个进程也有与之相对应的配置缓存，存放RV，新数据指示，数据包CRC校验结果，将不同进程的处理分离。收端根据HSSCCH信道收到的HARQ＿ID确定当前HARQ进程进而调用相应缓存。

HARQ性能仿真的发端流程如图8所示。其中配置了4个HARQ进程，一次流程执行过程只处理一个HARQ进程的数据，因此每个进程的访问周期是4个子帧。设每个进程最大传输次数为4次，相应的，RV参数也有4种配置。收端需先接收配置信息才能在相应链路资源上接收数据包，所以测试中在初始0号子帧不产生HS－PDSCH数据包，只发送配置信息。下一子帧时，HS－PDSCH根据前一子帧的 HS－SCCH配置产生和接收数据。每个子帧的流程为：①HS－PDSCH信道数据包生成 （0号子帧时跳过）。②处理HARQ机制，在当前HARQ进程工作时，如果上一次数据包正确接收或已经传输4次，那么发送新数据包，HARQ速率匹配模块缓存更新，新数据指示位加1，RV参数为初始0号配置；若收端译码错误，则HARQ速率匹配模块中缓存数据再次进行第二次速率匹配，重发数据包，新数据指示位不变，RV配置改变。③HS－SCCH控制信息生成。④生成物理信道。收端为发端的逆过程，根据新数据指示位判定接收数据的类型，流程如图9所示。收端HARQ处理机制为：在当前HARQ进程，若是第一子帧，则默认收到的新数据包，否则比较收到的新数据指示位与本地新数据指示位，如果不同表示是新数据包，且本地新数据指示位被替换，如果相同则表示是重传数据，新数据指示位保持。收发端由一个时变信道连接起来。程序在上述时变信道环境下，测试了3GPP协议25.201［10］中两种不同的配置，见表3。两者的调制方式、TB块大小以及物理资源均不相同。

表3 25.201中的两种参考配置

图8 发端流程

通过改变信噪比 （SNR）的大小，变化范围为－5dB～15dB，步进值为2.5dB，统计了启用HARQ机制的系统性能。图10显示了系统在不同信噪比条件下的吞吐率变化（纵轴为对数坐标。图中显示在低信噪比的条件下，高阶调制的吞吐率较低。因为相较QPSK调制，16QAM的星座点较密集，信道条件不理想时，信号点漂移到其他星座点的概率较大，容易造成误判。HARQ性能仿真结果进而证明了AMC技术的重要性。AMC技术可根据信道条件的变化，灵活的选择调制和编码方式，提供了大动态范围的慢速自适应控制。HSDPA先通过AMC提供粗略的数据率选择方案，然后再使用HARQ技术来对数据速率进行较准确的调整，从而可以极大的提高下行的数据传输速率［9］。

因此AMC技术可作为本设计下一步的努力方向，进一步改善系统的数据速率。由图10可见，在信噪比为15dB时，系统的吞吐率已接近协议3GPP TS25.201［10］范例中的最大值，系统的运行效率与数据速率均符合协议要求。

4 结束语

本文研究了基于GPP－SDR平台的TD－HSDPA系统高速物理信道的软件实现。利用C＋＋语言分别设计了发送端和接收端处理类，并通过SSE指令集优化代码，实现了上下行链路的数据传输。通过对3GPP协议中最大速率参考配置的CPU运行效率的测试，以及在不同信噪比条件下的HARQ吞吐率性能仿真，证明了本文提出的基于GPPSDR平台的软件设计能够满足TD－HSDPA系统实时通信的需求，进而为基于GPP－SDR平台实现宽带无线通信协议提供了参考。

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