基于GPP－SDR的TD－HSDPA物理信道軟件設計及優化

黃 婕，黃 敏，張潤福，齊 心，趙 利

（1.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004；2.清華大學信息科學與技術國家實驗室，北京100084；3.廈門大學 通信工程系，福建 廈門361005）

0 引 言

軟件無線電 （software defined radio，SDR）是在通用、標準、模塊化的硬件平臺上，利用軟件來實現信號處理的通信系統設計方法，其具備的靈活性使得通信設備隨通信標準變化帶來的開發、升級、測試周期顯著縮短。根據2G向3G乃至4G平滑演進的目標，軟件無線電技術非常適合實現上述功能乃至整個協議棧。傳統的SDR技術基于FPGA、DSP等專用開發平臺。一方面，缺乏靈活性和普適性，不適用于蜂窩移動通信標準和算法的不斷增強；另一方面，由于市場專一，規模有限，所以成本較高［1］。

因此，本文創新性地采用了基于通用處理器 （GPP）的SDR平臺，對TD－HSDPA高速物理信道的實現軟件進行了設計及優化。在本設計中GPP平臺采用現行PC機中使用的CPU，即實現基于PC機的軟件無線電系統。GPPSDR平臺與基于FPGA、DSP等處理器的SDR平臺相比，具有易編程，靈活性、可擴展性好等特點，可極大的縮短開發周期，降低開發成本［2］。

使用GPP－SDR平臺，需要解決通信系統的實時性與CPU運行高速數字信號處理算法的效率等問題。為此，本文使用C＋＋語言設計了發送處理類和接收處理類，并采用適用于x86型CPU的單指令多操作 （SIMD）指令集SSE，從而極大地提高了軟件運行效率。通過對協議實例中最大速率配置的接收端代碼效率的測試，以及對HARQ機制性能的仿真，證明本文所提出的軟件設計及優化方法，滿足TD－HSDPA的處理延遲和性能要求，為在GPP－SDR平臺上進一步實現3G和LTE協議棧提供了參考。

1 TD－HSDPA物理層協議棧介紹

TD－SCDMA是我國自主研發并被國際電聯 （ITU）正式采納的第三代蜂窩移動通信標準。其時分雙工方式使得TD－SCDMA可以靈活設置上下行時隙比例，適用于非對稱數據業務。憑借頻譜利用率高，系統容量大，系統設備成本低等特點，TD－SCDMA已經成為3G標準中三大主流技術之一。隨著各種業務對數據吞吐率的要求日益增長，TDSCDMA在3GPP Release 5中引入增強技術HSDPA，通過采用自適應編碼調制 （AMC）、混合自動重傳請求（HARQ）和快速調度 （FS）技術，增加一個 MAC－hs實體和三條物理信道，對于1.28Mcps采樣率的TDD系統，單載波1.6MHz帶寬上支持的理論峰值吞吐量達2.8Mbps。

3GPP Release5引入的HSDPA技術在物理層新增了三條信道，分別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）。三條信道的幀結構與TD－SCDMA中其他信道相同，如圖1所示。

圖1 TD－SCDMA無線子幀結構

圖中Ts0固定用于下行，Ts1固定用于上行，其他時隙可靈活分配上下行方向，從而適合開發非對稱數據業務。除7個常規時隙外的3個特殊時隙分別為：DwPTS（下行導頻時隙）、GP（保護間隔）和 UpPTS（上行導頻時隙）［3］。HS－PDSCH 信道的突發格式如圖2 （a）所示，HSSCCH與HS－SICH信道額外包含TPC和SS符號，突發格式如圖2 （b）所示［3］。

圖2 突發格式

HS－PDSCH承載傳輸信道 HS－DSCH，用于傳輸業務數據。HS－DSCH承載的傳輸塊 （transport block）通過編碼復用后映射到物理信道HS－PDSCH。其中包含HARQ功能實體和星座重排兩個較特殊的模塊。HARQ功能實體的作用是通過速率匹配的方式產生不同的數據版本，以實現HARQ的傳輸機制。星座重排模塊作為高階調制情況下特有的操作，通過改變比特所映射的星座點位置，使得重傳時信號能量在各符號上的分布發生變化，從而提高重傳合并后比特的可靠性。HS－SCCH為下行物理信道，用戶根據其承載的HS－DSCH高層控制信令及物理信道配置信息接收HS－PDSCH信道上的業務數據。HS－SCCH中包含的HARQ進程指示 （HARQ＿ID）指示當前數據包所屬的HARQ進程。RV （Redundancy version）參數則用于計算HARQ功能實體的速率匹配參數，控制傳輸的數據版本。HS－SICH為上行物理信道，用于UE反饋ACK/NACK和信道質量指示CQI。ACK/NACK指示接收數據譯碼是否正確，使用重復編碼方式。CQI包含推薦調制方式 （RMF）和推薦傳輸塊大小 （RTBS）兩個內容，RTBS采用 （32，6）一階Reed－Muller編碼，RMF為重復編碼。

HS－PDSCH采用QPSK、16QAM、64QAM這3種調制方式，可根據信道條件靈活選擇，擴頻因子可為16或1。HS－SCCH與HS－SICH信道用于傳輸重要的配置和反饋信息，因此固定使用QPSK調制，擴頻因子為16。HSDPA三條信道的數據傳輸流程如圖3所示。

圖3 HSDPA數據傳輸流程

2 高速物理信道軟件設計

本文基于GPP－SDR平臺在 Microsoft Visual Studio開發環境下利用C＋＋語言設計實現了TD－HSDPA物理層協議棧，內容包括 HS－PDSCH、HS－SCCH、HS－SICH 三條物理信道的編碼、調制、擴頻等模塊及其逆過程的軟件實現。

2.1 接收機關鍵模塊

接收端采用了若干接收機關鍵技術以增強系統的接收性能。圖4為接收機功能模塊流程圖，關鍵模塊由紅框標出。下文分別介紹了各關鍵模塊的特點及程序接口。

圖4 接收機功能模塊流程

（1）聯合檢測：在TD－SCDMA系統中，由于擴頻碼不嚴格正交，其非零互相關系數會引起各用戶之間的相互干擾，稱為多址干擾 （MAI）［4］。MAI極大的影響了系統容量和性能，而聯合檢測技術則能充分利用造成MAI干擾的用戶互信息及多徑的先驗信息，把多用戶信號分離當成統一的相互關聯的聯合檢測過程完成。在相同BER的情況下，聯合檢測所需的信號SNR大大降低，極大地提高了系統性能。因此本設計使用聯合檢測來處理收到的碼片信息。模塊采用迫零線性塊均衡算法 （ZF－BLE）實現聯合檢測功能，并通過塊傅里葉算法降低矩陣求逆計算復雜度。模塊根據信道估計的結果，利用時隙內所有用戶的互信息，一次將一個時隙內的所有碼道碼片解出，解出的符號 （symbol）輸入解調模塊。

（2）16QAM解調：HSDPA技術中加入了高階調制，旨在提高頻譜利用率。在本文設計中，16QAM解調模塊采用了軟解調方式。軟解調模塊中解調器估計出每個比特的軟判決信息 （對數似然比LLR）并將其輸入到譯碼模塊。這些軟判決輸出可以保留部分譯碼需要信息，同時軟判決輸出符號與硬判決相同，保證了判決的可靠性。3GPP協議中16QAM調制的星座圖如圖5所示，收端軟解調模塊先將星座圖順時針旋轉45°再進行解調［5］。如系統模型所示，模塊輸出為帶符號的定點數據。程序中的解調模塊接口為DeModulation＿16QAM （Complex＊input＿symbols，char＊output＿bits，int length，float noise＿power），分別為輸入符號 （symbol）、輸出比特、輸出比特長度和噪聲功率。

圖5 HSDPA 16QAM星座

（3）信道編譯碼：傳輸業務的HS－PDSCH信道采用1/3碼率Turbo編譯碼。Turbo碼編碼器在兩個遞歸系統卷積碼編碼器之間插入一個交織器，這種結構能在低信噪比的情況下獲得接近理想的性能。1/3碼率Turbo編碼器輸出序列由一位信息位和兩位校驗位組成。設計中的Turbo譯碼器模塊接口為TurboDecoderPerform （char＊c，char＊rec＿llr），分別是輸出比特，輸入比特軟信息。下行控制信道HS－SCCH信道編碼方式為1/3碼率卷積碼。卷積碼是一種非分組碼，適用于前向糾錯。收端譯碼采用維特比譯碼算法，利用了編碼網格圖的特殊結構，從而大大降低了計算的復雜性。程序中的維特比譯碼模塊接口為viterbi＿13 （char＊decoded＿bits，char＊input＿llr，int K）。HSSICH信道中RTBS采用的 （32，6）一階Reed－Muller碼是一種線性分組碼。編碼模塊根據3GPP文檔［6］中給出的6個基本序列M0～M5，按照下式

計算出32個輸出比特。譯碼方法是先將收到的32個比特進行快速哈達瑪變換，找出輸出矩陣中的絕對值最大的數的列號作為譯碼結果的低5位，然后判斷這個數的符號，為正則譯碼最高位為0，反之為1。譯碼模塊接口為Decode＿32＿6 （char＊ RTBS＿bits，int＊ RTBS），輸出為6比特數據的十進制形式，即RTBS的值。

2.2 軟件實現

基于上述功能模塊的描述以及3GPP的協議規定 （文獻 ［6－8］），本文針對 TD－SCDMA系統的特點設計了 TDHSDPA基帶高速物理信道的軟件處理流程。設計發端處理類TD＿TX＿Subframe和收端處理類TD＿RX＿Subframe作為物理層信道程序的公共接口。兩者內部都定義了模塊接口函數以描述物理層過程，同時定義了物理層功能模塊函數。發端的代碼結構如圖6所示，主要分為初始化，信道編碼及物理信道映射、生成物理信道數據三部分。類TD＿TX＿Subframe的成員函數Initialize用于初始化 HSDSCH、HSSCCH、HSSICH的配置，物理信道配置及時隙格式配置等等。三條信道的編碼映射由3個類m＿HSDSCH，m＿HSSCCH，m＿HSSICH分別獨立完成。每個類的成員函數按照協議中的流程編寫，映射后的數據交由類TD＿TX＿Subframe成員函數GenPhyCH統一進行調制、擴頻和加擾。調制和擴頻均以碼道為單位實現，因此歸入物理信道類m＿PhyCH中，Initialize作為類m＿PhyCH與外部程序的接口傳入數據和配置。完成調制及擴頻的多碼道數據經過合并后，以時隙為單位統一對數據進行加擾和添加midamble的操作。

圖6 發端代碼結構

收端的流程為初始化——解物理信道——解信道映射及信道譯碼。其中各信道解信道映射及信道譯碼為發端的逆過程，仍由3個獨立的類實現。解物理信道的代碼結構如圖7所示。圖中所示的相關程序接口均為收端類TD＿RX＿Subframe的成員函數。其處理過程為：信道估計模塊利用接收到的midamble序列和本地midamble序列估計出信道特征，包括各徑的時延和增益；信道估計的結果和收端數據輸入聯合檢測模塊中，一次解出一個時隙的符號；最后符號經過解調模塊的處理可得到比特級數據。SS/TPC譯碼模塊輸出 HS－SCCH、HS－SICH信道中的功控和時序調整信息。

圖7 收端解物理信道代碼結構

考慮到CPU在運行實時通信系統上的效率問題，本設計對系統代碼指令進行了優化，即使用SSE指令集。SSE指令集是Intel在Pentium III系列中推出的，包括單指令多數據浮點計算、整數計算和高速緩存控制指令。SSE中的單指令多數據計算指令可在一個指令周期同時對128比特數據進行操作，所以設計中主要采用SSE指令來優化包含大量乘法和加法的模塊，進而提高運行效率。以解擴模塊為例，在優化前，假設SF＝16，那么解一個符號 （symbol）需要對16個碼片進行32次實數乘法。SSE指令一次可對128個比特進行操作，即兩個碼片數據 （4個float型數據），這樣解一個符號的運算量可減少為8次實數乘法，效率提高了75%。其他例如比特加擾，16QAM解調模塊都存在大量乘加運算，因此模塊中均利用SSE指令集優化了算法。

2.3 運行效率

為測試系統的運行效率以驗證代碼的優化效果，本文選取3GPP協議25.102v9.1.0中具有最大速率的TD－HSDPA參考配置，測試了HS－PDSCH收端各模塊的運行耗時。運行環境：處理器主頻2.8GHz，物理內存2048MB，操作系統Windows XP。信道參數配置見表1。此配置最大數據吞吐率接近1.28Mbps，分配的物理信道資源達到12＊5個碼道。

表2為收端接收一個子幀時各個模塊運行的耗時，統計了解物理信道和HS－DSCH信道編碼復用兩大部分各自的總耗時，以及HS－DSCH編碼復用中各子模塊的耗時。測試結果表明解物理信道映射與信道譯碼耗時較大。解信道映射時，每個比特都需要進行條件判斷并計算所在碼道中的具體位置，因此解映射模塊無法使用SSE指令進行并行計算。譯碼模塊則因配置的數據量較大，使得譯碼時間相對較長。總體來看，經過代碼優化后，相較于5ms的TTI長度，0.855ms的處理時間能夠滿足基于GPP－SDR的TD－HSDPA實時接收要求。

表1 HSDPA參考配置

表2 收端程序運行耗時

3 時變信道中的HARQ仿真

本文基于上述物理層軟件設計，仿真了使用關鍵技術HARQ的數據吞吐率，進一步驗證系統的可行性。HARQ技術具有快速自適應控制的特點，其N通道的停等機制提高了信道利用率。結合了自動請求重傳 （ARQ）與前向糾錯 （FEC）技術的特點，收端在譯碼錯誤的情況下，把比特軟信息保存下來，通過上行鏈路HS－SICH發送NACK要求重傳數據，收到重傳數據后與原軟信息合并，再送去譯碼。HS－SCCH信道中傳遞了與HARQ機制有關的參數，包括RV，HARQ＿ID，新數據指示nd。

根據上述思想，HARQ功能實體內部有3種重傳機制，其不同點在于重傳數據的版本不同。因此物理層HARQ實體可以合入為速率匹配模塊。此模塊中有兩次速率匹配過程，兩次速率匹配之間插入一個虛擬緩存，第一次速率匹配的數據保存在此緩存中。第二次速率匹配是產生不同數據版本的關鍵。若收端要求重傳，發端跳過第一次速率匹配，直接從緩存中取出數據，根據HS－SCCH信道傳遞的RV信息控制第二次速率匹配的參數從而產生不同版本的重傳數據。軟件設計中根據N進程HARQ的思想設置了4個虛擬緩存 （3GPP協議中規定最大HARQ進程數為4），分別存儲不同進程的數據。同時每個進程也有與之相對應的配置緩存，存放RV，新數據指示，數據包CRC校驗結果，將不同進程的處理分離。收端根據HSSCCH信道收到的HARQ＿ID確定當前HARQ進程進而調用相應緩存。

HARQ性能仿真的發端流程如圖8所示。其中配置了4個HARQ進程，一次流程執行過程只處理一個HARQ進程的數據，因此每個進程的訪問周期是4個子幀。設每個進程最大傳輸次數為4次，相應的，RV參數也有4種配置。收端需先接收配置信息才能在相應鏈路資源上接收數據包，所以測試中在初始0號子幀不產生HS－PDSCH數據包，只發送配置信息。下一子幀時，HS－PDSCH根據前一子幀的 HS－SCCH配置產生和接收數據。每個子幀的流程為：①HS－PDSCH信道數據包生成 （0號子幀時跳過）。②處理HARQ機制，在當前HARQ進程工作時，如果上一次數據包正確接收或已經傳輸4次，那么發送新數據包，HARQ速率匹配模塊緩存更新，新數據指示位加1，RV參數為初始0號配置；若收端譯碼錯誤，則HARQ速率匹配模塊中緩存數據再次進行第二次速率匹配，重發數據包，新數據指示位不變，RV配置改變。③HS－SCCH控制信息生成。④生成物理信道。收端為發端的逆過程，根據新數據指示位判定接收數據的類型，流程如圖9所示。收端HARQ處理機制為：在當前HARQ進程，若是第一子幀，則默認收到的新數據包，否則比較收到的新數據指示位與本地新數據指示位，如果不同表示是新數據包，且本地新數據指示位被替換，如果相同則表示是重傳數據，新數據指示位保持。收發端由一個時變信道連接起來。程序在上述時變信道環境下，測試了3GPP協議25.201［10］中兩種不同的配置，見表3。兩者的調制方式、TB塊大小以及物理資源均不相同。

表3 25.201中的兩種參考配置

圖8 發端流程

通過改變信噪比 （SNR）的大小，變化范圍為－5dB～15dB，步進值為2.5dB，統計了啟用HARQ機制的系統性能。圖10顯示了系統在不同信噪比條件下的吞吐率變化（縱軸為對數坐標。圖中顯示在低信噪比的條件下，高階調制的吞吐率較低。因為相較QPSK調制，16QAM的星座點較密集，信道條件不理想時，信號點漂移到其他星座點的概率較大，容易造成誤判。HARQ性能仿真結果進而證明了AMC技術的重要性。AMC技術可根據信道條件的變化，靈活的選擇調制和編碼方式，提供了大動態范圍的慢速自適應控制。HSDPA先通過AMC提供粗略的數據率選擇方案，然后再使用HARQ技術來對數據速率進行較準確的調整，從而可以極大的提高下行的數據傳輸速率［9］。

因此AMC技術可作為本設計下一步的努力方向，進一步改善系統的數據速率。由圖10可見，在信噪比為15dB時，系統的吞吐率已接近協議3GPP TS25.201［10］范例中的最大值，系統的運行效率與數據速率均符合協議要求。

4 結束語

本文研究了基于GPP－SDR平臺的TD－HSDPA系統高速物理信道的軟件實現。利用C＋＋語言分別設計了發送端和接收端處理類，并通過SSE指令集優化代碼，實現了上下行鏈路的數據傳輸。通過對3GPP協議中最大速率參考配置的CPU運行效率的測試，以及在不同信噪比條件下的HARQ吞吐率性能仿真，證明了本文提出的基于GPPSDR平臺的軟件設計能夠滿足TD－HSDPA系統實時通信的需求，進而為基于GPP－SDR平臺實現寬帶無線通信協議提供了參考。

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