论文研究-LTE中空频检测算法研究及多核DSP实现 .pdf

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LTE中空频检测算法研究及多核DSP实现,肖帅,,本文通过研究后3G标准之一的LTE系统中的空频编码接收算法,即空频检测算法,包括对来自各接收天线的数据符号对应的频域值进行空频�
中国利技论文在线 简单而形象地来看,可以认为 芯片是·种和相结合的架构,就单 个处理器核而言,每个处理器核都是功能强大的位处理器,处理能力大约相当于控制任 务的或角色的 ;而从整体上看, 芯片是一个由高速总线连接的 并行的处理器阵列,合成的运算速度超过亿次每秒 .空频检测算法研究 的关键技术包括时分双工方式,基于 的多址接入技术,基于 的多天线技术等。均衡和空频检测是其物理层接收侧十分重要的组成鄙分。这是 由无线移动信道的特点以及系统本身的特点共同决定的。 的主要思想是在频域 内把给定的信道分成许多个正交子信道,每个子信道用一个子载波进行调制,各个子载波并 行传输。 最人的优势之一,就是可以利用结构相对简单的频域均衡消除多径信道的 影响。在快变信道条件下,各子载波间将会产生干扰(),需要相应的消除技术。但 对于静态或者准静态的无线信道而言,可以仅用简单的频域单抽头均衡器来实现均衡 系统物理层 采用了与不同的空中接冂技术,即基于 技术的空中接∏设计。在系统 中采用了基于分组交换的设计思想,即使用共享信道。系统支持和两种双工方 式。同时,对传统的网络架构进行了优化,采用扁平化的网络结构。 采用 作为下行多址方式,采用 作为上行多址方式。之所以选择 作为上行多址方式,是因为与 相比 具有单载波的特性,因而 其发送信号峰均比较低,在上行功放要求相同的情况下,可以提高上行的功放效率。 上下行传输以无线帧为单位进行,一个无线帧时长为,协议支持两种无线帧,应 用于模式的类型和应用于模式的类型。类的帧结构可以应用于全双工和 半双上。每个无线帧时长 包含个吋隙,每付隙长度 编号 个了帧定义为两个连续的时隙,了帧包括时隙和时隙 对于模式,每 中,上下行链路都有个可用子帧,上下行链路在频域分开 帧结构类型应用于。每个无线帧由两个长度为半帧组成。每个半帧包括 个长度为 的常规时隙以及个特殊 和 组成 和 总持续时间为,而且 和 的长度可调。只有子帧和由特殊 时隙 和 组成,其余子帧定义为两个常规时隙,子帧由时隙和 组成。以下为帧结构类型小意图: One radio frame, r= 307200=10 ms One half-frame, 153600T. 5 ms One sle 7st=153007 Subframe荆 Subframe#2 Subframe有 Subframe #4 Subframe #5 Subframe #7 Subframe #9 397207 DWPTS GP PT DwPTS GF 图 (类型)帧结构 在 通信系统中,导频符号是系统的公共资源,下行链路接收机依据此符号完 成信道佔计功能,以实现接收符号的相干解调。 在普通的情况下,每个的时隙中包含个 符号( ),其中 中国利技论文在线 在第个 符号()和第 符号 )内插入导频,导频了载波间隔 为,且第个导频 符号和第个导频 符号的导频子载波交错放置。对于 系统,为了让所有发射天线上的导频信号能够同时发射,并且接收端能够利用这些 导频信号分别估计得到各个不同信道的信道传递函数,要求每个发射天线发送的导频信号只 占用整个频带中的一部分导频子载波,并且不同发射天线的导频信号占用的子载波集各自独 立、互不重叠。 系统下行链路的导频图案如下图所示: □『■■■■■■ □■■■■■■ □■■■■■ ■ □■■■■■ 首□ “邳中日 K□■ 图 下行导频图案 空频检测算法分析 空频检测需要完成的功能包括对数据符号对应的频域值进行频域线性均衡(或者 算法),同时计算每个子载波的符号信噪比,以提供给后级的解调和译码功能单元。 已知 的配置为2×2。构造接收信号矢量如下式: Y1(k Y2(k) Y Y1(k+1) (1 Y"2(k+1) 其中Y1(k)表小解子载波映射之后来自天线,序列号为的接收符号。 同时根据信道估计的结果,构造信道传输矩阼如下式 H1(k) H21(k) H H12(k H H21(k+1)一H1(k+1) 2 H2(k+1)-H12(k+1 其中H1(k)表示发送天线至接牧天线之间,序列号为的信道估计结果 中国利技论文在线 信号检测使用迫零或最小均方误差检测算法,如卜式: X=HtY 其中 HH1HH H ZF ((HHH+O2D1HH MMSE (4) 式中G为噪声方差 而检测所得的符号向量为 (5 又表示序列号为的发送信号的软比特信息。因此对检测所得向量进行相应变换即可得 到原始发送信号的软信息。 对于发送端两天线,空频检测后得到的符号噪声方差为: W本 (6 其中噪声加权系数的计算公式为: H+(1,:川 N|H+(2,:川 对式取倒数即得到符号信噪比如下: SNR 基于平台的算法流程优化 从前述算法分析可以看出,空频检测部分计算量密集,特别是由于 天线配置引 入的矩阵运算,以及矩阵求逆运算,如果按照理论算法顺序计算,模块延迟将会很大,同时 也会因一些因子的重复计算而造成资源利用浪费 而根据第节中所阐述的多核 台的特点 芯片的阵列系统是一个高度 并行的结构,与这样的多核硬件相对应的,在 平台上的应用是由一系列相互 通信的并发的进程来完成的。如何使理论算法流程并行性增大,分离并复用相同的部分因子, 成为空频检测算法面向多核平台优化的关键。 算法与算法相近,可以通过是否将G置零而统两者的实现方式。因此以 下以 算法说眀空频检测理论模型的流程优化。 分以下几个步骤求解空频检测结果: 并行计算HY和HH+G2I 计算det(HH+I)和(HH+G2I)(HHY) 计算 1 dct(HHH+oD) 计算 dct (HHtonD (H"H+GD’(HY) 对于检测后符号信噪比部分,易知: H+(1,:)2=H+(H+)(1,1) 中国利技论文在线 H+(2,)2=H+(H+)(2,2) (10 也即计算H(H)的第行,第列和第行,第列元素,可分别得到式中W的 第行和第行元素。 对于算法,将式定义的H代入H+(H+),并进行推导可得 H(H HHH 11) 这表示,算法下,HH矩阵的逆矩阵的维和维对应着式中W的第行和 第行元素,也即噪声加权系数。 对于 算法,将式定义的H+代入H(H+),并进行推导可得: H+(H*H=(hH+o2D-HH(HH+oZD-l (12 这表示 算法下,个矩阵(HH+G)1,HH和(HH+a3I)1的连乘所得 矩阵的维和维对应着式中W的第行和第行元素,也即噪声加权系数 为求进一步简化,继续对 算法下的噪声加权系数进行推导。 由HH矩阵的特性,令 HH z b 其中为实数,为复数,Z为的共轭。 今 (HHD2÷、1/b+0 Z det(a a+σ 其中A=HH+GaIe 将和式代入式,并进行推导可得: 1 H+(H*H (b+a)2-(b+2)ZZ det'(a b(a+G2)2-(a+22)ZZ (15) 至此,对于检测后符号信噪比,由J以上推导结果的各项因子凵经在空频检测功能中进 行了计算,故而可以将这些因子引出,按照求信噪比的需求附加相应的后处理即可。 模块设计与算法实现 接收端物理层的数据处理包括符号级处理和比特级处理。只体处理流程是接收空口来的 天线数据后,先进 预处理,频偏纠正,移除和 解调,之后进行解子载波 怏射、信道估计、空频检测、銍调解扰、解速率匹配、 合并、信道译码和检测, 生成数据后发送给单元。以下为物理层处理流程功能模块图 中国利技论文在线 信道 估计 方差 测量 频偏 FFT 纠正 CP 载波 映射 符号 天线数GC 频偏佔计值 SFBC 检测 解调 解扰 信噪L 频偏 去 纠正 FFT 载波 CP 射 信道 方差 估 测量 传输块CRC 码块 检测和移除 级联 CRC检测 信道下,HARQ下.解速率下码块 和移除 合并 儿配 图物坦层处理流程功能模块图 图中深色模块即为空频检测功能模块,从该模块在链路中所处位置叮知,通过利用信 道估计和噪声方差结果,对接收的解了载波呋射后的符号进行检测,从而为后级解调模块提 供均衡后符号和检测后信噪比。 空频检测模块的核心功能在于线性均衡运算和信噪比计算,这些功能的完成是数据驱动 的,可以流水走行的。这也意味着核心计算功能单元可以屏蔽配置格式信息,而逐个地对数 据进行相同的处理。因此计算功能单元将被独立出来。 但是经解子载波映射来的输入数据流是包含数据的配置格式的,同时信道估计结果一经 前级信道估计单元计算完成,就顺序传给空频检测模块,这些结果只是本次信道估计间隔中 均衡可能用到的信道估计结果的最大集合,这个信道估计结果的集合与隐含着不同配置格式 信息的解子载波映射数据之问并不存在顺序对应的关系,这对」前面描述的独立出来的顺序 执行相同计算的核心单元来说是个矛盾。 另一个矛盾来自于帧格式的特性。如前节所述,例如在普通情况下,用于信道 估计的 导频在时隙的第个符号和第个符号内插入,而同一个时隙的其他 符号的均衡都依赖于处理这两个个符号所含导频所得的信道估计结果。这意味着在信道佔计 结果产生之前,即使已绎有一些符号到来,也必须等待直到信道估计结果产生。 本设计方案中解决第一个矛盾的方法是增加一个专门的信道估计结果存储单元,该单元 负责完成接收前级信道估计结果,存储,并棖据控制信息进行转发。解决第二个矛盾的方法 是增加一个单元,对」先J信道估计结果产生到来的数据进行缓冲。 以上这些模块或者由数据驱动而无需控制,或者给以尽量简化的控制。对于恢格式和 置信息的解析被提取到空频检测模块的内部控制单元中。 中国利技论文在线 CtrS SfdContro ChanEstRosult(0.3I hanEstStore Symbol SfdCalc SfdFormatter DeMapData[0∴.11 DataFifo buffer NoiseR Noise Transfer I SNR Sncac 4 Snr Formaller 图空频检测模块结构图 图为空频检测模块结构图。内部虚线表小控制流,用于根据上层控制信号指示完成空 频检测模块内部的相关配置。各了模块对应的功能依次是, 负责控制解析和配置; 为信道估计结果存储单元 为数据缓冲单元; 为噪声 方差转发单元,目的是将按信道估计周期广生的噪声方差结果匹配到数据符号的速率,从而 保持后级对噪声方差使用的一致性; 为空频检测核心计算单元: 为检测后符 号信噪比计算单元 用于暂存 提供给 的中间结果因子,从而同步 和 用于按端口需求格式化输出。 表示发 收天线间的信道估计结果, 表示来自个天线的解子载波映射后的数据。 从设计指标看,空频检测模块支持前级样值速率约为 ,延迟约为个样值。通 过单儿级和链路级验证和测试,空频检测模块功能完整正确,运行性能稳定,完全满足设计 需求。 总结 本文通过研究系统中空频编码接收算法,即空频检测算法,以及分析多核平 台特点,即高度并行的多核件平台上的通过一系列相互通信的并发的进程来完成的应用, 在合理地分配进程负荷的前提卜,以增大并行性,分离并复用相同的部分因子为原则,面向 多核平台优化了理论算法的实现沇程,并最终在 芯片这·多核平台上 较好地实现了空频检测算法 中国利技论文在线 參考文献 叶淦华等.基于并行计算的数字信号处理器.现代电子技术, 第期

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