查表法實現LTE中Turbo碼解速率匹配

郭 杰

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

查表法實現LTE中Turbo碼解速率匹配

郭 杰

（重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065）

針對現有TD-LTE基帶處理模塊因信道解碼速度慢導致達不到理論峰值速率的問題，本文在深入研究了3GPP協議中的速率匹配算法的基礎上，提出了一種基于查表法快速實現解速率匹配的算法。優化后的時延表明該算法有良好的執行效率，此方案推動了TD-LTE基帶處理模塊上行理論峰值速率，為加快超級基站發展提供了動力。

LTE；速率匹配；查表法；處理時延

1 引言

長期演進（LTE）采用正交頻分復用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）等關鍵技術，極大地提高了無線通信系統的傳輸速率。LTE業務信道比特級處理流程包括傳輸塊循環冗余校驗（CRC）、碼塊分割與碼塊CRC、速率匹配、Turbo編碼、碼塊級聯等。速率匹配是其中的重要步驟，它是將傳輸信道上的比特打孔或重發，以匹配物理信道的承載能力。當輸入的比特數超過物理信道的承載能力時，就將輸入序列打孔，反之則對輸入序列重發。通過速率匹配控制產生不同的傳輸碼率，平衡了傳輸有效性和可靠性之間的關系。在硬件上實現LTE系統的基帶處理單元時，常采用DSP芯片。但是，如果直接按照3GPP協議進行編程，處理延時將會很大，現有TD-LTE基站為了保證連續發送數據，且不出現資源沖突，每個子幀的處理必須在1ms內完成。但現有的儀表不能達到此要求，也就不能實現上行全速率。在此背景下，為了實現上行的峰值速率，必須對上行信道的譯碼進行優化，而其中解速率匹配又是關鍵的一步。本文通過深入研究3GPP協議中的速率匹配算法，提出了一種基于查表法快速實現解速率匹配的算法。優化前后處理時間對比結果表明，該算法能夠大大提高解速率匹配的速度。

2 速率匹配算法

LTE采用Turbo編碼的傳輸信道的速率匹配是以碼塊（CB）為單位進行的，主要分為子塊交織，比特收集，比特選擇和刪減三個子過程。如圖1所示。

圖1 Turbo編碼速率匹配流程圖

2.1 子塊交織處理

（1）令交織矩陣的列數，矩陣的行數為滿足的最小的整數，的最大值是193。

0列位置開始逐行寫入比特序列yk。

表1 子塊交織器列間置換模式

2.2 比特收集，選擇和裁剪

用Ncb表示第r個碼塊軟緩存的比特長度。用E表示第r個碼塊的速率匹配的輸出序列長度，速率匹配的輸出序列表示為ek，k=0,1,...,E-1。

令

式中，rvidx表示該傳輸的冗余版本號（rvidx=0, 1, 2, 3）。從開始從虛擬循環緩存器中取出數據；在取數據時，若是填充比特則跳過，否則輸出到ek序列中；若到虛擬循環緩存器的邊界Ncb，則又回到0處；直到輸出數據個數等于E為止。

3 查表法實現解速率匹配

速率匹配是一個對發送比特打孔或重發的過程，解速率匹配是速率匹配的逆過程，也即是由ek得到的過程。令ek的數據索引號為k，與ek相對應的wk的數據索引號為j，與ek相對應的的數據索引號為i，如果能夠找到k與j，j與i的對應關系，那么就能夠得到k和i的對應關系，也即是解速率匹配輸入與輸出數據的對應關系。

為方便描述，令解子塊交織器的三路輸出從上至下分別為子塊0，子塊1，子塊2。k與j，j與i的對應關系不僅適用于解速率匹配過程，也適用于速率匹配過程，推導以速率匹配過程進行。

圖2 Turbo編碼解速率匹配流程圖

3.1 索引號i和j對應關系推導

對于子塊1，和子塊0的區別在于比特收集后，子塊0占據虛擬循環緩存前1/3位置，子塊1和子塊2從虛擬循環緩存的1/3位置開始奇偶交替擺放；對于子塊2，觀察子塊2的交織函數知，子塊2和子塊1的區別在與子塊2在子塊交織過程中有一個向后的偏移。

由上述分析可得到與各子塊對應的輸入數據索引i和其在虛擬循環緩存中的索引j對應關系如下：

3.2 索引號k和j對應關系推導

由2.2小節知，比特選擇和刪除是一個循環讀虛擬循環緩存中數據，如果遇到尾比特就跳過，不是尾比特就輸出的過程，因此可得出虛擬循環緩存數據索引j和輸出數據索引k對應關系如下：

N表示虛擬循環緩存中第j個數據到k0之間的尾比特數量。N值的推導過程為：將虛擬循環緩存中任意位置j到k0之間的尾比特數量存成表，令q0表表示子塊0對應的表，令q12表表示子塊1和子塊2對應的表。表的推導如下：

對LT E協議規定的所有可能的碼塊長度分析知，子塊交織過程中填充的尾比特數量有4,12,20,28四種情況，并且當碼塊長度大于1024后填充的尾比特數量必定是28。尾比特數量不同，表也不同，考慮到碼塊長度大于1024的碼塊種類最多，因此，以尾比特數量為28為例進行推導。因為尾比特數量為28，所以列變換后p表的后4個數據所對應的列將沒有尾比特，即7,23,15,31列，所以可以根據數據在虛擬循環緩存中的位置計算出該數據距離虛擬循環緩存首元素有多少個尾比特，由于數據落在一個范圍內尾比特數量是固定的（對于子塊0，該范圍是；對于子塊1和子塊2，該范圍是2），所以可以得到關于尾比特數量的q表，即在虛擬循環緩存中，第0個子塊尾比特位置為*i(0<=i<32,且i!=7,23,15,31)；第1個子塊尾比特位置為2*i+K(0<=i<32，且Πi!=7,23,25,31)，第2個子塊尾比特位置即為2*i+KΠ+1(0<=i<32，且i!=27,7,23,15,31)。

子塊0對應虛擬循環緩存前1/3區間，該段區間內尾比特間隔是以為單位的，所以j/即表示子塊0對應的j落在哪一段區間內，子塊1和子塊2落在虛擬循環緩存后2/3位置，且尾比特間隔為2，所以(j-*32)/(2) =P[(i+D1)&31](P[(i+D1-1)&31])即表示子塊1（子塊2）對應的j落在那一段R區間內。

00素間的尾比特數量。由此推導出N的計算公式如下：

將3.1節推導的i和j以及3.2小節推導的k和j對應關系合并，便可得到各子塊輸出數據索引i和其對應的輸入數據索引k的對應關系。

4 性能分析

基于TI公司的TMS320TCI6618DSP芯片編程，采用CCS軟件模擬仿真，以驗證優化代碼的正確性，并在DSP上運行以比較優化前后代碼的性能。以上行PUSCH信道為例，在最大TBS配置下，一個子幀內解速率匹配處理13個碼塊，總處理時延為1.17ms，在4個核并行處理的情況下，一個核最多處理4個碼塊，處理時延降到了0.36ms。

5 結束語

由于大量不必要的數據搬移以及不能充分發揮DSP芯片的特點，導致解速率匹配處理時延過長。基于查表法的解速率匹配算法盡可能地減少了不必要的數據搬移，并通過將尾比特數量信息存在預先計算好的表中，省去了很多協議中的步驟，大大減小了處理時延，保證了基帶模塊的整體處理效率。

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

[2] 牛金海．TMS320C66x KeyStone架構多核DSP入門與實例精解[M]．上海：上海交通大學出版社，2014

[3] 王映民，孫韶輝等．TD-LTE技術原理與系統設計[M]．北京：人民郵電出版社，2010

[4] 李小文，王振宇．TD-LTE系統Turbo速率匹配算法及DSP實現．電子技術應用，2012;38(5):52-55

助力青少年航天科普 護航“八一·少年行”衛星

2016年12月28日，科普小衛星“八一·少年行”星在太原衛星發射中心成功發射。受北京八一學校和中國航天科技集團委托，中心積極協調處理，在極短時間內圓滿完成了該星發射前的衛星網絡資料編制、國際申報、國內頻率協調以及空間電臺執照申請等工作。

今年9月，習近平總書記在參觀北京八一學校科普小衛星課堂時，聽取了學生們對模擬衛星研制相關情況的介紹，贊揚了學生們的創新精神，鼓勵師生們繼續開展科學探索，并對未來發射科普小衛星寄予希望。此次“八一·少年行”星的成功發射，對于帶動我國青少年航天知識教育、廣泛普及航天知識具有重要意義。

“八一·少年行”星是長約12厘米、寬約11厘米、高20厘米的立方星，星上搭載了相機、通信、對地傳輸、測控等載荷，是我國首顆由中學生全程參與研制并主導載荷設計的衛星。

中心承擔《無線電臺站創新管理研究》課題通過評審

近日，工信部無線電管理局在京召開評審會，對中心承擔的《無線電臺站創新管理研究》課題進行評審。工信部無線電管理局副局長宋起柱出席會議并講話，地面業務處負責同志與會。

會上，評審專家聽取了課題組關于無線電臺站創新管理的研究情況，觀看了基站電子執照管理系統的現場演示，審閱了課題研究報告。評審組經討論一致認為，課題研究報告緊貼當前無線電管理的實際和需求，內容全面、邏輯清晰、建議可行，具有實際可操作性，同意通過結題評審。

宋起柱副局長總結說，該課題做的很實，提出了多項建設性、創新性舉措建議，希望中心繼續做好相關技術標準研究，進一步提升我國無線電臺站管理科學化水平。

《無線電臺站創新管理研究》從公眾移動通信基站和大功率無線電發射臺站管理存在的問題和不足入手，研究分階段實施基站分類管理、建立定期會商制度、推行電子執照等基站管理創新舉措，提出了綜合運用監測網系和傳感網技術提升大功率無線電臺站管理水平的思路建議，為優化我國無線電臺站管理模式、提升無線電臺站事中事后監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文獻標示碼：A

1672-7274（2017）01-0019-04