0 引言

　　相對于單碼字、單天線傳輸，雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路中的MIMO系統(tǒng)通過采用適當?shù)?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/預編碼" title="預編碼" target="_blank">預編碼技術對兩個碼字的數(shù)據(jù)流進行空間復用，能夠顯著提高頻譜利用率[1]。同時，LTE系統(tǒng)下行鏈路采用OFDM多址方式，能夠在整個時域和頻域上進行靈活的資源分配和調(diào)度[3]。資源映射將物理信號和預編碼處理后的各個物理信道，根據(jù)規(guī)則映射在時、頻域資源上，實現(xiàn)用戶資源分配的靈活性和高效性[3]。

　　雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行實現(xiàn)結(jié)構(gòu)需對兩個碼字進行分時串行處理，而傳統(tǒng)的空間復用預編碼模塊無法實現(xiàn)兩個碼字的串行分時處理，導致在預編碼之前需要添加緩存模塊，增加了系統(tǒng)的存儲器開銷。

　　本文針對雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計了一種新型的空間復用預編碼和資源映射模塊。本設計解決了傳統(tǒng)的預編碼模塊無法對兩個碼字進行分時處理的問題，同時改進資源映射模塊并對其存儲器進行復用，節(jié)省了傳統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的額外緩存，降低了系統(tǒng)的存儲器開銷。

1 預編碼和資源映射

　　1.1 空間復用預編碼算法

　　空間復用預編碼分為開環(huán)空間復用和閉環(huán)空間復用[4-6]。

　　1.1.1 閉環(huán)空間復用

　　閉環(huán)空間復用在發(fā)射端利用反饋的信道狀態(tài)信息，然后根據(jù)一定的最優(yōu)化準則對傳輸信息進行預編碼[8]。對于無循環(huán)延遲情況，雙碼字、雙天線的閉環(huán)空間復用預編碼定義為：

　　其中，y(0)(i)和y(1)(i)表示預編碼處理后天線端口0和1上的數(shù)據(jù)，x(0)(i)和x(1)(i)表示層映射輸出的層0和1上的數(shù)據(jù)。預編碼矩陣W(i)的大小為2×2，i=0，1，…，M-1，M=M，M為天線端口上數(shù)據(jù)的個數(shù)，M為層數(shù)據(jù)的個數(shù)。在雙天線模式下，eNodeB根據(jù)反饋回得預編碼矩陣指示從參考文獻[4]中選擇中選取W(i)。

　　1.1.2 開環(huán)空間復用

　　如果發(fā)射端不需要信道反饋的信道狀態(tài)信息，這種空間復用稱為開環(huán)空間復用。對于長延時的循環(huán)延遲分集的情況，雙碼字、雙天線的開環(huán)空間復用預編碼被定義為：

　　其中，W(i)是預編碼矩陣，大小為2×2，i=0，1，…，M-1，M=M。D(i)表示循環(huán)延遲分集，為2×2的對角陣，U的大小也是2×2。D(i)和U從參考文獻[4]表6.3.4.2.2-1中選擇。在雙天線模式下，開環(huán)空間復用只能從參考文獻[4]表6.3.4.2.3-1中選擇索引為0的W(i)。

　　1.2 資源映射

　　TD-LTE下行鏈路基于OFDM技術，其幀結(jié)構(gòu)是一個時、頻二維資源格。該時、頻二維資源格的定義可參照參考文獻[4]。

　　資源映射將物理信號和預編碼輸出的不同天線端口上的物理信道按照各自的規(guī)則及時有效地映射在上述時、頻二維資源格上[4]。各個物理信道和物理信號的映射地址算法見參考文獻[4]。

2 預編碼與資源映射的設計與實現(xiàn)

　　2.1 TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)

　　雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的串行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　碼字0和碼字1依次分時經(jīng)過加擾和調(diào)制模塊，生成調(diào)制符號，層映射模塊分別將碼字0和碼字1的調(diào)制符號映射到層0和層1上，預編碼模塊選用合適的空間復用方式將層0和層1的數(shù)據(jù)變換到天線端口0和天線端口1上，接下來資源映射模塊將不同天線端口上的數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)則映射在OFDM時、頻資源塊上，最后形成OFDM信號輸出。

　　2.2 預編碼的實現(xiàn)

　　對于雙碼字、雙天線的情況，統(tǒng)一式(1)和式(2)，空間復用預編碼算法可以表示如下：

　　其中，N為2×2的矩陣，當表示開環(huán)空間復用時，N=W(i)D(i)U；當表示閉環(huán)空間復用時，N=W(i)。

　　對于雙碼字、雙天線的情況，經(jīng)過層映射處理后的數(shù)據(jù)與碼字對應的關系為：

　　從式(7)可以看出，天線端口0上的數(shù)據(jù)y(0)需要同時得到碼字0的數(shù)據(jù)d(0)和碼字1的數(shù)據(jù)d(1)，進行系數(shù)相乘后做加法操作；同理，天線端口1上的數(shù)據(jù)y(1)也一樣。

　　根據(jù)式(7)，可以設計出傳統(tǒng)的空間復用預編碼模塊實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。傳統(tǒng)的預編碼模塊將經(jīng)過調(diào)制之后串行而來的碼字d(i)通過選擇器進行分配，如果是碼字0，則將其存入緩存中；如果是碼字1，則直接將其送入乘法器與系數(shù)b和e相乘，同時將緩存中的碼字0取出送入乘法器與系數(shù)a和c相乘。最后將結(jié)果按照式(7)所示分別送入加法器0和1進行加法操作，最終輸出得到天線端口0和1上的數(shù)據(jù)。其中控制單元作為主控制器，控制各個模塊的工作方式。

　　但是，傳統(tǒng)的空間復用預編碼模塊并不能對碼字0和碼字1進行分時處理，2.1節(jié)中串行結(jié)構(gòu)的預編碼模塊需要增加緩存用以存儲先期到達的碼字0。在TD-LTE下行鏈路中，經(jīng)過調(diào)制之后的單個碼字包含的最大數(shù)據(jù)量可以達到1 200×12個調(diào)制符號[4]，本設計中采用調(diào)制符號位寬為16位，數(shù)據(jù)為I/Q兩路，因此預編碼模塊中增加的緩存大小為2×1 200×12×16=0.460 8 Mb，顯著增加了該模塊的存儲器開銷。

　　為了解決額外存儲器開銷的問題，對空間復用預編碼算法進行改進。將式（7）進行矩陣變換得到：

　　通過變換后，預編碼將碼字0與碼字1的處理分開，剝離出兩者的加法操作，這樣便不需要兩個碼字的數(shù)據(jù)同時到達，可以實現(xiàn)對兩個碼字的分時串行處理。令：

　　根據(jù)式(8)～式(13)并剝離加法操作，可以設計出改進后的新型空間復用預編碼模塊，其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　相對于傳統(tǒng)預編碼模塊，改進后的新型預編碼模塊去掉了緩存單元和最終的加法器。串行而來的碼字0、碼字1經(jīng)過選擇器分別乘以系數(shù)a、c和b、e，得到天線端口0和1上的中間變量y(i)然后再經(jīng)過選擇器輸出。碼字間的加法操作將會被移植在隨后的資源映射模塊進行。

　　2.3 資源映射的實現(xiàn)

　　根據(jù)資源映射的算法，可以設計出傳統(tǒng)的資源映射模塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。

　　資源映射模塊用一塊存儲器作為OFDM時、頻資源的實體，其包含四塊同等大小的緩存0-4，每兩塊對應一個天線端口的時、頻資源格，在寫入、讀取時做乒乓操作以讓幀數(shù)據(jù)流水處理[9]?？刂茊卧凑崭鱾€物理信道和信號的映射地址算法在寫地址生成模塊生成相應寫地址，將天線端口0和1的數(shù)據(jù)寫入對應緩存中，完成資源映射，最后控制單元按要求控制讀地址生成模塊生成讀地址，將緩存中兩個天線端口上的數(shù)據(jù)讀出并輸出。

　　傳統(tǒng)的資源映射模塊并不能進行分時串行處理，但是注意到其特有的存儲器資源可以作為分時串行處理兩個碼字所需的緩存。因此，根據(jù)新型空間復用預編碼模塊的工作特性，通過復用資源映射模塊的存儲器資源，設計了改進后的新型資源映射模塊，其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

　　新型資源映射模塊增加了加法模塊，其輸入是新型空間復用預編碼模塊輸出的天線端口0和1上的中間變量。當中間變量是由碼字0產(chǎn)生時，將其直接寫入對應天線的緩存；當中間變量為碼字1時，將緩存中碼字0的中間變量取出，與碼字1的中間變量對應相加，此時的相加結(jié)果即為預編碼的完整輸出，完成預編碼的操作，最后將此結(jié)果寫入對應緩存，完成資源映射操作。這樣，新型預編碼模塊不僅實現(xiàn)了對兩個碼字的分時串行處理，同時節(jié)省了傳統(tǒng)預編碼模塊的額外存儲器開銷。

3 仿真與驗證

　　3.1 仿真結(jié)果

　　本設計采用基于Altera StratixIV系列的 EP4SGX530-

　　KH40C3 FPGA芯片平臺進行綜合。系統(tǒng)采用的工作時鐘頻率為122.88 MHz，調(diào)制符號位寬為16位，分別對傳統(tǒng)和新型的空間復用預編碼、資源映射模塊進行綜合并將其資源開銷進行比較，結(jié)果如表1所示。

　　從表中可以看出，改進后的新型實現(xiàn)結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在組合邏輯和寄存器邏輯開銷上有略微減小，而存儲器開銷顯著降低了16.4%。

　　3.2 系統(tǒng)驗證

　　本設計中的新型空間復用預編碼模塊和資源映射模塊已應用到圖1所示的雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路的VLSI系統(tǒng)架構(gòu)中。

　　為驗證設計的功能與性能，搭建了如圖6的硬件驗證平臺，采用了Altera公司Stratix IV系列的FPGA芯片EP4SGX230KF40C3，同時為TD-LTE下行鏈路設計了基于AD9361芯片的射頻系統(tǒng)，并設計了整體系統(tǒng)的測試軟件，通過TD-LTE協(xié)議框架下多種業(yè)務層面的系統(tǒng)級測試項，完成了對該TD-LTE下行鏈路系統(tǒng)的功能和性能的驗證，系統(tǒng)指標完全滿足協(xié)議36.141的測試指標要求。

4 結(jié)束語

　　本文針對雙碼字、雙天線的TD-LTE下行鏈路串行結(jié)構(gòu)設計了一種新型空間復用預編碼和資源映射模塊。該設計解決了傳統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)無法對兩個碼字進行分時串行處理的問題，同時節(jié)省了實現(xiàn)中的額外緩存，將模塊中存儲器開銷降低16.4%。

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