查表法实现LTE中Turbo码解速率匹配

郭 杰

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

查表法实现LTE中Turbo码解速率匹配

郭 杰

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

针对现有TD-LTE基带处理模块因信道解码速度慢导致达不到理论峰值速率的问题，本文在深入研究了3GPP协议中的速率匹配算法的基础上，提出了一种基于查表法快速实现解速率匹配的算法。优化后的时延表明该算法有良好的执行效率，此方案推动了TD-LTE基带处理模块上行理论峰值速率，为加快超级基站发展提供了动力。

LTE；速率匹配；查表法；处理时延

1 引言

长期演进（LTE）采用正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）等关键技术，极大地提高了无线通信系统的传输速率。LTE业务信道比特级处理流程包括传输块循环冗余校验（CRC）、码块分割与码块CRC、速率匹配、Turbo编码、码块级联等。速率匹配是其中的重要步骤，它是将传输信道上的比特打孔或重发，以匹配物理信道的承载能力。当输入的比特数超过物理信道的承载能力时，就将输入序列打孔，反之则对输入序列重发。通过速率匹配控制产生不同的传输码率，平衡了传输有效性和可靠性之间的关系。在硬件上实现LTE系统的基带处理单元时，常采用DSP芯片。但是，如果直接按照3GPP协议进行编程，处理延时将会很大，现有TD-LTE基站为了保证连续发送数据，且不出现资源冲突，每个子帧的处理必须在1ms内完成。但现有的仪表不能达到此要求，也就不能实现上行全速率。在此背景下，为了实现上行的峰值速率，必须对上行信道的译码进行优化，而其中解速率匹配又是关键的一步。本文通过深入研究3GPP协议中的速率匹配算法，提出了一种基于查表法快速实现解速率匹配的算法。优化前后处理时间对比结果表明，该算法能够大大提高解速率匹配的速度。

2 速率匹配算法

LTE采用Turbo编码的传输信道的速率匹配是以码块（CB）为单位进行的，主要分为子块交织，比特收集，比特选择和删减三个子过程。如图1所示。

图1 Turbo编码速率匹配流程图

2.1 子块交织处理

（1）令交织矩阵的列数，矩阵的行数为满足的最小的整数，的最大值是193。

0列位置开始逐行写入比特序列yk。

表1 子块交织器列间置换模式

2.2 比特收集，选择和裁剪

用Ncb表示第r个码块软缓存的比特长度。用E表示第r个码块的速率匹配的输出序列长度，速率匹配的输出序列表示为ek，k=0,1,...,E-1。

令

式中，rvidx表示该传输的冗余版本号（rvidx=0, 1, 2, 3）。从开始从虚拟循环缓存器中取出数据；在取数据时，若是填充比特则跳过，否则输出到ek序列中；若到虚拟循环缓存器的边界Ncb，则又回到0处；直到输出数据个数等于E为止。

3 查表法实现解速率匹配

速率匹配是一个对发送比特打孔或重发的过程，解速率匹配是速率匹配的逆过程，也即是由ek得到的过程。令ek的数据索引号为k，与ek相对应的wk的数据索引号为j，与ek相对应的的数据索引号为i，如果能够找到k与j，j与i的对应关系，那么就能够得到k和i的对应关系，也即是解速率匹配输入与输出数据的对应关系。

为方便描述，令解子块交织器的三路输出从上至下分别为子块0，子块1，子块2。k与j，j与i的对应关系不仅适用于解速率匹配过程，也适用于速率匹配过程，推导以速率匹配过程进行。

图2 Turbo编码解速率匹配流程图

3.1 索引号i和j对应关系推导

对于子块1，和子块0的区别在于比特收集后，子块0占据虚拟循环缓存前1/3位置，子块1和子块2从虚拟循环缓存的1/3位置开始奇偶交替摆放；对于子块2，观察子块2的交织函数知，子块2和子块1的区别在与子块2在子块交织过程中有一个向后的偏移。

由上述分析可得到与各子块对应的输入数据索引i和其在虚拟循环缓存中的索引j对应关系如下：

3.2 索引号k和j对应关系推导

由2.2小节知，比特选择和删除是一个循环读虚拟循环缓存中数据，如果遇到尾比特就跳过，不是尾比特就输出的过程，因此可得出虚拟循环缓存数据索引j和输出数据索引k对应关系如下：

N表示虚拟循环缓存中第j个数据到k0之间的尾比特数量。N值的推导过程为：将虚拟循环缓存中任意位置j到k0之间的尾比特数量存成表，令q0表表示子块0对应的表，令q12表表示子块1和子块2对应的表。表的推导如下：

对LT E协议规定的所有可能的码块长度分析知，子块交织过程中填充的尾比特数量有4,12,20,28四种情况，并且当码块长度大于1024后填充的尾比特数量必定是28。尾比特数量不同，表也不同，考虑到码块长度大于1024的码块种类最多，因此，以尾比特数量为28为例进行推导。因为尾比特数量为28，所以列变换后p表的后4个数据所对应的列将没有尾比特，即7,23,15,31列，所以可以根据数据在虚拟循环缓存中的位置计算出该数据距离虚拟循环缓存首元素有多少个尾比特，由于数据落在一个范围内尾比特数量是固定的（对于子块0，该范围是；对于子块1和子块2，该范围是2），所以可以得到关于尾比特数量的q表，即在虚拟循环缓存中，第0个子块尾比特位置为*i(0<=i<32,且i!=7,23,15,31)；第1个子块尾比特位置为2*i+K(0<=i<32，且Πi!=7,23,25,31)，第2个子块尾比特位置即为2*i+KΠ+1(0<=i<32，且i!=27,7,23,15,31)。

子块0对应虚拟循环缓存前1/3区间，该段区间内尾比特间隔是以为单位的，所以j/即表示子块0对应的j落在哪一段区间内，子块1和子块2落在虚拟循环缓存后2/3位置，且尾比特间隔为2，所以(j-*32)/(2) =P[(i+D1)&31](P[(i+D1-1)&31])即表示子块1（子块2）对应的j落在那一段R区间内。

00素间的尾比特数量。由此推导出N的计算公式如下：

将3.1节推导的i和j以及3.2小节推导的k和j对应关系合并，便可得到各子块输出数据索引i和其对应的输入数据索引k的对应关系。

4 性能分析

基于TI公司的TMS320TCI6618DSP芯片编程，采用CCS软件模拟仿真，以验证优化代码的正确性，并在DSP上运行以比较优化前后代码的性能。以上行PUSCH信道为例，在最大TBS配置下，一个子帧内解速率匹配处理13个码块，总处理时延为1.17ms，在4个核并行处理的情况下，一个核最多处理4个码块，处理时延降到了0.36ms。

5 结束语

由于大量不必要的数据搬移以及不能充分发挥DSP芯片的特点，导致解速率匹配处理时延过长。基于查表法的解速率匹配算法尽可能地减少了不必要的数据搬移，并通过将尾比特数量信息存在预先计算好的表中，省去了很多协议中的步骤，大大减小了处理时延，保证了基带模块的整体处理效率。

[1] 3GPP 36.212, Multiplexing and Channel Codeing(E-UTRA)[S]. Europe 3GPP. 2008.

[2] 牛金海．TMS320C66x KeyStone架构多核DSP入门与实例精解[M]．上海：上海交通大学出版社，2014

[3] 王映民，孙韶辉等．TD-LTE技术原理与系统设计[M]．北京：人民邮电出版社，2010

[4] 李小文，王振宇．TD-LTE系统Turbo速率匹配算法及DSP实现．电子技术应用，2012;38(5):52-55

助力青少年航天科普 护航“八一·少年行”卫星

2016年12月28日，科普小卫星“八一·少年行”星在太原卫星发射中心成功发射。受北京八一学校和中国航天科技集团委托，中心积极协调处理，在极短时间内圆满完成了该星发射前的卫星网络资料编制、国际申报、国内频率协调以及空间电台执照申请等工作。

今年9月，习近平总书记在参观北京八一学校科普小卫星课堂时，听取了学生们对模拟卫星研制相关情况的介绍，赞扬了学生们的创新精神，鼓励师生们继续开展科学探索，并对未来发射科普小卫星寄予希望。此次“八一·少年行”星的成功发射，对于带动我国青少年航天知识教育、广泛普及航天知识具有重要意义。

“八一·少年行”星是长约12厘米、宽约11厘米、高20厘米的立方星，星上搭载了相机、通信、对地传输、测控等载荷，是我国首颗由中学生全程参与研制并主导载荷设计的卫星。

中心承担《无线电台站创新管理研究》课题通过评审

近日，工信部无线电管理局在京召开评审会，对中心承担的《无线电台站创新管理研究》课题进行评审。工信部无线电管理局副局长宋起柱出席会议并讲话，地面业务处负责同志与会。

会上，评审专家听取了课题组关于无线电台站创新管理的研究情况，观看了基站电子执照管理系统的现场演示，审阅了课题研究报告。评审组经讨论一致认为，课题研究报告紧贴当前无线电管理的实际和需求，内容全面、逻辑清晰、建议可行，具有实际可操作性，同意通过结题评审。

宋起柱副局长总结说，该课题做的很实，提出了多项建设性、创新性举措建议，希望中心继续做好相关技术标准研究，进一步提升我国无线电台站管理科学化水平。

《无线电台站创新管理研究》从公众移动通信基站和大功率无线电发射台站管理存在的问题和不足入手，研究分阶段实施基站分类管理、建立定期会商制度、推行电子执照等基站管理创新举措，提出了综合运用监测网系和传感网技术提升大功率无线电台站管理水平的思路建议，为优化我国无线电台站管理模式、提升无线电台站事中事后监管能力提供了有力支持。

Implement of Turbo Code Rate De-Matching in LTE by Look-up Table

Guo Jie
(Communication and Information Engineering of Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing, 400065, China)

In order to solve the problem that the existing TD-LTE baseband processing module can not reach the theoretical peak rate due to the slow channel decoding speed, based on the deep research of the rate matching algorithm in 3GPP protocol ,this paper proposes a fast algorithm for rate de-matching based on look-up table method. The optimized time delay indicates that the algorithm has good performance. This scheme has promoted the TD-LTE baseband processing module uplink theoretical peak rate, in order to accelerate the super base station development has provided power.

LTE; rate matching; look-up table; time delay

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.01.005

TN911.72文献标示码：A

1672-7274（2017）01-0019-04