LTE 基站中PDSCH 预映射算法的FPGA 实现

杜东振,朱宇霞,陈印锋

（1.武汉邮电科学研究院,武汉,430074；2.北京北方烽火科技有限公司,北京,100085）

0 引言

在LTE（Long Term Evolution，长期演进）基站系统中，使用FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）完成上行、下行基带算法的数据处理过程，已被大多数设备商所采用。FPGA 具有良好的时序控制能力，但由于FPGA 资源的有限性和基带算法时间要求的及时性，对FPGA 在数据处理过程中提出了越来越高的时间（速度）要求、空间（面积）要求。下文将详细介绍一种新的PDSCH（Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道）资源粒子映射算法的实现过程，这种算法可以在实现资源粒子映射时，节省大量的FPGA 硬件资源。

1 预映射算法

PDSCH 算法处理分为比特级算法处理和符号级算法处理，其中，符号级算法处理的依次步骤为加扰、调制、层映射、预编码和RE（Resource Element，资源粒子）映射。调制是采用n 位二进制数作为输入，产生复值调制符号x=I+jQ 作为输出，IQ 两路数据在FPGA 中分别使用16 位的二进制数表示。PDSCH 算法使用到QPSK（2bits 映射为1 个复值调制符号）、16QAM（4bits 映射为1个复值调制符号）、64QAM（6bits 映射为1 个复值调制符号）三种调制格式。复值调制符号在层映射、预编码和RE 映射过程，映射完成后生成OFDM 符号时，根据时序要求需要对符号的复值调制符号32bits 数据进行缓存。

本文提出了预映射的概念，即在调制之前，完成部分RE 映射的工作，实现对比特数据存储代替符号数据存储。预映射根据PRB（Physical Resouce Block，物理资源块）索引值，将预映射数据以为PRB 单位进行预映射数据的存储，同时将与PRB 对应的调制格式、预编码格式及功控系数等符号级参数对应存储。存储完成后，当收到需要进行符号级算法处理的指令，以RE 为单位读取预映射数据，以PRB 为单位读取符号级参数，经过调制、层映射和预编码后进行RE 映射，生成OFDM 符号。预映射在PDSCH 符号级算法处理中的位置如下图：

图1 预映射在符号级处理过程中的位置

以64QAM 调制方式为例，调制前预映射数据占用6bits 存储资源，映射为复值调制符号后，需要存储32bits 的IQ 数据，因此此方法理论上可以减少81%左右的存储资源。

整个设计实现的过程，重点在于：1.预映射数据和符号级参数的同步；2.根据PRB 索引等参数确定数据和符号级参数的存储地址。下文将详细介绍预映射算法的设计过程。

2 模块设计

2.1 参数存储

参数存储模块完成PRB 索引值和符号级参数两部分的参数存储和读写操作。所需参数都由上层传送过来，首先需要使用分布式RAM 消除异步时钟域问题和输入输出位宽不一致问题。

图2 子帧内PRB 索引值和符号级参数到来时刻

PRB 索引值在每个子帧的帧头时刻由上层传送过来，它指示每个PDSCH 所占用的PRB 资源等。根据PRB 索引值和PDSCH 参数，生成预映射数据和符号级参数的存储地址。

符号级参数在请求时刻到来，而进行符号级处理调制时刻将会受到比特级处理时刻影响，开始时刻不定。符号级处理时刻有可能与新的符号级参数到来时刻产生冲突，因此需要对符号级参数进行存储。对于一个子帧来说，PDSCH 数目不变，通过PDSCH数目和PRB 索引值来控制符号级参数的存储和读取。读取指令到来时刻，以PRB 为单位取出符号级参数，以完成数据的后续调制、层映射、预编码等处理。

2.2 预映射数据存储

PDSCH 的符号级处理调制算法存在QPSK、16QAM、64QAM 三种调制方式，分别需要将2、4、6 个预映射数据映射为复值调制符号。为了程序的流畅性，统一以6bits 预映射数据表示一个符号，QPSK 调制方式时，高4bits 添加0，低2bits 为有效数据；16QAM 调制方式时，高2bits 添加0，低4bits 为有效数据；64QAM 调制方式时，6bits 都为有效数据。

PDSCH 的预映射数据以PRB 为单位进行存储，首先，根据OFDM 符号个数开辟存储空间，将一个PRB 时域上的数据存储在相应的OFDM 符号对应的地址，然后在相应的地址内，将该PRB 下一个时域的数据按照一定时序存储，同一个PRB 在不同OFDM 符号上的预映射数据对应的存储地址不同。简化说明，我们假设现在需要生成OFDM 符号3、OFDM 符号4、OFDM 符号5，进行资源粒子映射时对应的PRB 的个数为4 个，索引号分别为1、5、9、13。存储预映射数据时，先存储PRB-1在OFDM-3上的预映射数据，然后存储PRB-1 在OFDM-4 上的预映射数据，然后存储PRB-1 在OFDM-5 上的预映射数据，PRB-1 上的预映射数据存储完毕。依此类推，然后存储PRB-5、PRB-9、PRB-13 上的预映射数据。

读取指令到来时刻，以RE 为单位，依次取出预映射数据即可。

2.3 RE 映射

类似于PDSCH 预映射数据存储和符号级参数存储，LTE 基站下行基带算法的其他物理信道/物理信号也完成相应的预映射处理。当需要执行RE 映射处理时，RE 映射模块计算出相应RE的属性值，即此RE 是用于哪一种物理信道/物理信号的映射，然后根据属性值输出读取指令，取出相应存储中的预映射数据和参数。

各个物理信道/物理信号的数据的比特级处理和符号级处理需要不同的时间，RE 模块发出的读取指令可以对齐，传输到各个物理信道/物理信号后，各延后N 个时钟周期再执行预映射数据和参数读取，使得各个物理信道/物理信号的复值调制符号到达RE 映射模块的时刻对齐的，也就可以无缝合并成为完整的OFDM 天线端口信号。这样，最大限度地提高了FPGA 处理效率，从使用上看，其占用的各种FPGA 资源相对来说会节省很多。

3 设计综合和仿真

使用VHDL 硬件描述语言编写程序，FPGA 芯片选用Xilinx Kintex-7 系列下的xc7k325t-1ffg900，在Xilinx ISE Design Suite 13.4 中选用122.88MHz 主时钟频率编译成功。采用Modelsim6.5 完成电路仿真，采用Matlab 完成数据分析。

仿真采用的是16QAM 的调制方式，将输出的数据使用用MATLAB 做出16QAM 的星座图，如下图3 所示：

图3 16QAM 调制星座图

将生成的OFDM 符号取出，画出IQ 两路的时域图形，如图4所示：

由图3 可知，数据较为集中，可以看出结果具有良好的16 点的16QAM 调制效果；由图4 可知，时域图形具有良好的TD LTE信号特征，证明预映射算法是正确可行的。

预映射算法占用的FPGA 资源如表1 所示：

表1 预映射算法占用FPGA 芯片资源表

由表1 可知，在寄存器和查找表资源表几乎没有增加的情况下，节省75%的RAM 资源，大大节省了FPGA 的存储资源。

4 总结

本文在现有的PDSCH 下行基带算法的基础上，提出关于PDSCH 资源粒子映射处理时更节省FPGA 资源的设计方法。这种思路也可以推广到其他物理信道/物理信号的资源粒子映射的实现，在FPGA 资源节省方面具有一定的借鉴意义。

图4 子帧0 的I 路和Q 路时域图

[1] 北京北方烽火科技有限公司.LTE 系统中资源粒子的映射方法和装置:中国，201310359326.9

[2] 3GPP TS 36.211,Physical Channels and Modulation (Release 8)[S]

[3] 3GPP TS 36.213,Physical layer procedures(Release 8)[S]

[4] 王映民，孙韶辉等.TD-LTE 技术原理与系统设计.人民邮电出版社,2010.