基于FPGA的TD-LTE PUSCH信道处理设计

张松轶

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200)

0 引言

TD-LTE移动通信技术具有高带宽、高质量、高可靠及高抗干扰能力等优良特性，是在公网中已经达到规模商用的可靠宽带移动通信技术。其采用OFDM技术、MIMO天线技术及64QAM调制技术等，使其具有更高的传输速率、更高的频谱利用率、更低的传输时延和更高的安全性，支持广域覆盖和高速移动[1-2]，为后续5G移动通信技术的发展奠定了良好的基础。

物理层信号处理是LTE移动通信信号处理的主要组成部分，又分为上行信道和下行信道。其中，物理层共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)，既是LTE物理层主要上行信道，也是LTE物理层各个信道中最为复杂和重要的信道之一。

1 承载信息

PUSCH信道主要承载以下3种信息：上行数据信息(UL-SCH)、控制信息(CQI/PMI,HARQ-ACK/NACK,RI)和参考信号(DMRS,SRS)。

1.1 上行数据信息

上行数据信息UL-SCH，是由UE的MAC层传递给物理层的二进制用户数据信息，是UE发送给基站的信息。PUSCH信道将基站射频单元RRU接收并处理后的上行数据进行处理后传输给基站MAC层进行后续处理。

1.2 控制信息

PUSCH信道承载的控制信息包含CQI/PMI，HARQ-ACK/NACK，RI。其中，CQI是信道质量指示，是由UE根据下行参考信号和信噪比计算得到的调制阶数，由UE上报给基站，以便基站确定下行的调制编码方式；PMI是预编码矩阵指示，用于降低多天线信号之间的相互干扰，由UE上报给基站，建议基站端在预编码码本中选择哪一个预编码矩阵；HARQ-ACK/NACK是混合自动重传请求，传输UE端回复基站的UE是否正确接收基站发送数据的信息;RI是秩指示信息，MIMO将无线通路划分为不同信道，而RI指示了信道质量好坏，它由UE测量并上报基站，建议基站在质量好的信道上传输数据[3-4]。

1.3 参考信号

上行参考信号包含解调参考信号(DMRS)和探测参考信号(SRS)。解调参考信号位于用户PUSCH数据块内，用于基站接收侧进行上行信道估计[5]，得到无线信道质量信息用于后续处理。

2 PUSCH信道处理设计

2.1 信道处理流程及总体设计

PUSCH信道处理需要对承载信息的上行基带信号进行一系列处理，分别还原出所承载的各项信息及数据，并将其提供给基站MAC层，用于上行数据的后续处理[6-7]。PUSCH信道处理基本流程如图1所示。

图1 PUSCH信道处理基本流程

在TD-LTE基站中，PUSCH信道处理由BBU的基带处理单元上的DSP与FPGA共同实现[8]，其中，DSP主要负责信息处理流程复杂及流程分支较多算法部分，如信道特性估计等；FPGA主要负责处理数据吞吐量大、实时性要求高的并行信号处理部分，如FFT/IFFT，Turbo码解码等。在具体实现中，DSP与FPGA各自负责的处理工作如图2所示,其中，FPGA信号处理分为负责前端解资源映射处理及后端信道解码处理2个模块，即图2中的PUFFT-P模块和PUSCH-P模块。

图2 PUSCH信道的处理结构

2.2 PUFFT-P处理模块设计

PUFFT-P模块负责去CP、FFT、移除保护间隔,及解资源映射处理等功能。RRU将接收到的2路无线射频信号进行下变频、滤波及采样等处理，将射频信号转换为基带信号，并通过CPRI接口发送给BBU上FPGA的PUFFT-P模块进行处理，如图3所示。

图3 PUFFT-P模块设计实现

PUFFT-P模块将时域信号转换为频域信号后，交由DSP进行信道估计和用户资源解映射。DSP根据DMRS估计出解调参考信号位置处的信道冲击响应，然后信道估计算法得出其他上行位置的信道冲击响应；当对应2T2R基站，需要2套独立PUFFT-P模块对2根天线接收信号独立进行上述处理。对于8天线波束赋形系统，需要在这个模块中进行多用户配对计算及赋形因子计算。信道估计的结果用于上行同步控制，噪声方差估计及均衡。

2.3 PUSCH-P处理模块设计

经过解资源映射的信号输入到FPGA 的PUSCH-P模块中，完成PUSCH信道处理的均衡、解调及信道解码等主要数据处理功能，考虑FPGA实现因素，设计中将PUSCH-P模块划分为5个子模块，分别实现不同的功能，如图4所示。

图4中，EQ-P模块采用MMSE-IRC均衡算法进行均衡合并处理[9-10]。在均衡处理过程中，通过最大比合并将2根天线的信号合并成一路。

IFFT-P模块主要完成IDFT处理及解调，将经过均衡处理的频域信号转换为时域信号并进行软解调，软解调后的信息是软信息，供后续处理模块进行信道软解码处理[11]。

图4 PUSCH-P模块设计

PU-P模块主要进行比特级数据处理，是PUSCH-P模块中的主要数据处理及与DSP的信息接口模块，实现功能较多：

① 完成解层映射、解传输预编码[12]，按照发送端层映射、预编码公式做逆变换即可。

② 完成解扰和解信道交织，解扰是根据加扰的算法进行的；解信道交织首先确定UL-SCH与CQI/ PMI复用信息在信道交织矩阵中的位置，然后根据RI，ACK/ NACK的比特数和矩阵中的位置分别取出RI信息、ACK/NACK及复用信息。

③ 完成解复用及解码块级联，通过将解交织矩阵得到的列向量复用信息转换为行向量，在解扰时可以确定CQI/PMI编码后的长度和码块级联数据信息长度；根据CQI/PMI长度参数，可以将行向量中的CQI/PMI信息与UL-SCH用户数据信息进行区分；根据UL-SCH码块级联参数，可以确定UL-SCH各个信息码块长度并对各个码块进行处理。

④ 区分出来的CQI/PMI信息的解码交由DSP负责，而UL-SCH信息处理及RI，ACK/NACK信息解码等仍由FPGA模块负责。

TV-P模块主要完成解速率匹配、HARQ合并[13]及信道解码。若有重传的要求，需要在此模块进行HARQ软合并，采用Turbo信道解码[14]方法对UL-SCH数据信息进行译码。

CRC-P模块主要完成CRC校验[15]：若用户信息的TB size > 6 144 bit，需要先进行码块CRC校验及码块CRC移除、解复用，然后再进行传输块CRC校验；若用户信息的TB size≤6 144 bit，只需要完成传输块CRC校验即可。

3 PUSCH FPGA处理平台的测试验证

3.1 测试环境搭建

PUSCH信道处理实验环境如图5、图6所示，其中BBU是LTE基带处理单元，RRU为LTE射频拉远单元，BBU和RRU之间通过光纤连接，信号源带有标准LTE信号选件，可根据配置文件生成LTE上行信号。矢量信号分析仪对RRU下行射频信号进行分析[16]。在吞吐量测试环境中，使用PC控制的测试终端进行上行数据发送，并使用终端模拟器对多终端场景进行模拟。

图5 PUSCH信道处理测试环境

图6 上行吞吐量测试环境

3.2 测试结果

3.2.1 RSSI测试结果

在图5所示的测试环境中进行PUSCH信道处理测试，通过分析PUSCH中上报的RSSI信息的正确性，对PUSCH的信道处理性能进行验证。

测试参数配置：

LTE TDD模式，双天线，上行1T2R；

5用户同时进行数据传输；

20 MHz系统带宽，中心工作频率1 795 MHz，上下行子帧配比1，特殊子帧配比7；

处理前25个RB用户数据的RSSI。

通过Wireshark软件可以抓包读取BBU上报给MAC层信息中包含的上行用户数据的RSSI值。从图7中可以看出，改变信号源的输入功率，经过上行PUSCH的处理，可以得到用户数据的平均RSSI值，测试结果与理论值偏差很小，这也验证了系统实现的合理性及有效性。

图7 5用户跑流场景下的平均RSSI值实测数据

3.2.2 吞吐量测试结果

在图6所示的测试环境中进行上行吞吐量测试，不同带宽对应的峰值吞吐量理论计算值与实际测量结果如表1所示。本系统测试得到的上行峰值吞吐量满足LTE通信的基本要求，这也验证了系统实现的合理性及有效性。

表1 不同带宽峰值吞吐量

带宽/MHz上行峰值吞吐量/Mbps理论计算值实际测量值2021.219.61515.914.51010.69.655.34.6

4 结束语

作为TD-LTE专网基站物理层中较为复杂和重要的信道之一，PUSCH信道的实现涉及到DSP与FPGA的联合处理。结合对于PUSCH信道承载信息处理流程描述，对PUSCH信道处理的FPGA具体实现进行了详述，并对测试验证环境及测试结果进行了说明和分析，为整体完成LTE专网基站物理层设计及实现打下了良好基础。