LTE中伪随机序列生成算法的设计与实现*

余子寒,姜永广,隋天宇,刘 文

(1.中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041;2.信息化部档案馆,北京100000)

LTE中伪随机序列生成算法的设计与实现*

余子寒1,姜永广1,隋天宇1,刘 文2

(1.中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041;2.信息化部档案馆,北京100000)

加扰是LTE物理层过程的一个重要环节,而扰码序列产生的快慢会对系统的整体性能产生重要的影响。由于产生伪随机序列的比特型生成算法存在耗时长、占用存储空间大的缺点,针对此问题提出了一种新型的紧凑型生成算法。在CCS5.2平台对该算法进行了实现之后,基于TMS320C6670型号DSP进行了功能和性能测试,测试结果表明,该算法功能正确,且性能较比特型生成算法提高了10倍左右。

长期演进 伪随机序列 数字信号处理器

0 引 言

伪随机序列在通信系统中应用广泛,可应用于OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统的峰均比抑制[1],也可应用于通信系统同步[2]、信息系统加密[3]、信道估计[4]、抗干扰等领域。LTE中用到的伪随机序列是由31位比特长度的Gold序列来定义,主要用于对数据进行加扰,该Gold序列是通过两个m序列移位后再做模二相加得到[5],见式(1)、式(2)、式(3):

式中,Nc=1 600,c(n)的长度为MPN,第一个m序列用x1(0)=1,x1(n)=0,n=1,2,3,…30来初始化,第二个m序列则需要根据不同的应用场景进行初始化,如在控制信道中用cinit=NcellID来初始化,而业务信道中则用+来初始化。基于DSP(Digital Signal Processor)的C语言编程产生c(n)序列时,由于序列的每一位都是二进制比特1或者0,开发者可以选择将每一位比特数据存进8位无符号整型数据中,也就是将每一个比特序列值存进一个8位比特长度的DSP最小数据类型里面,然后根据协议中的公式设计出比特型算法。这种算法虽然实现简单,但当需要生成较长的扰码序列时,不仅会占用大量的存储空间,而且运算量也会相应的增加,不利于进行实时的数据处理。针对LTE用到的Gold序列的特点,文中提出了一种紧凑型的伪随机序列生成算法,该算法将序列的每32个比特放到一个32位无符号整形数据中,通过提高每次运算处理的数据量,不仅可以大大降低数据存储空间,同时也可以有效改善数据处理速率。

1 紧凑型生成算法

紧凑型生成算法的思路是:定义两个32位无符号整形数组x1[n]和x2[n]用于存放两个m序列,先将初始化的31个比特放到x1[0]和x2[0]的低31位,再根据公式中的递推关系求出序列的第32个比特位,并将其分别放到x1[0]和x2[0]的最高有效位。此时相当于已经求出m序列的前32位,那么下一步需要做的就是找出x1[n+1]和x1[n]及x2[n+1]和x2[n]的递推关系,根据递推关系最终就可以得到两个m序列值。最后对两个m序列移位后进行模二相加即可得到紧凑型的Gold序列c(n)。当计算x1[n]时,初始化x1[0]的计算过程如图1所示,图1中方框内的0、1、2…代表m序列的比特位号,计算x1[1]的过程如图2所示,其中x1(60)、x1(61)、x1(62)、x1(63)可以根据式(2)计算得到,即:

x1[0]作为一个32位无符号整形数据,载入的是第一个m序列的第0号到第31号比特位的对应值。此时得出x1[1]和x1[0]之间的关系:

其中,temp1用于求出x1[1]的低28位,即从第32到第59比特位,temp2为求出的第29到第60比特位对应值,temp1^temp2运算可得到第60、61、62、63比特位对应的值,基于以上运算可得到x1[1]对应的从第32号到第63号位比特序列值。从x1[1]和x1[0]之间的关系中,同理可归纳出x1[n+1]和 x1[n]的递推关系如下:

图1 初始化x1[0]Fig.1 Initializingx1[0]

图2 计算x1[1]Fig.2 Calculating x1[1]

当计算x2[n]时,初始化x2[0]的过程如图3所示。计算x2[1]的过程如图4所示,其中x2(60)、x2(61)、x2(62)、x2(63)可以根据式(3)计算得到,原理和求x1[n]相同,这样就可以从中找出x2[1]和x2[0]的递推关系,并归纳出x2[n+1]和x2[n]之间的递推关系,只是x2[n+1]和x2[n]之间的递推关系比x1[n+1]和x1[n]之间的递推关系相对复杂,详细情况可参考后续对算法的实现过程。

图3 初始化x2[0]Fig.3 Initializing x2[0]

图4 计算x2[1]Fig.4 Calculating x2[1]

2 算法的实现过程

2.1 CCS5.2简介

CCS5.2是TI嵌入式处理器较新的集成开发环境IDE(Integrated Development Environment),包含编辑器、编译器、调试器、操作系统等开发组件。CCSv5相对于CCSv4体积更小、速度更快、界面更简单。目前的CCS5.2使用动态下载,用户只需下载一个小的初始安装包,然后根据需要选择相应的软件包进行下载并自动安装,以后还可以添加其它功能。CCS5.2还对常用的任务如CCS的启动、调试会话的启动、新工程的创建进行了提速,同时也加快了单步运行、存储目标配置等过程的响应速度。关于CCS5.2的使用,开发者可以从帮助文档中获得有益的提示。

2.2 紧凑型算法的实现

基于DSP的C语言编程实现的程序可读性好,也便于在不同的DSP平台之间进行移植[6]。建立新工程并对工程进行适当的配置后,就可以编写函数模块并加载所需要的头文件。编译运行通过后就可以进行在线调试,在线调试之前需要将开发板与主机进行连接,然后配置.ccxml文件,并测试主机和开发板的连通性,连接成功后即可将.out文件下载到开发板上,之后就可进行单步调试。

对函数进行封装的关键代码如下:

3 功能验证和性能测试

文中对比特型生成算法和紧凑型生成算法分别做了实现,比特型生成算法的关键代码如下:

基于CCS5.2软件开发环境和自带仿真器的TMDXEVM6670L评估板对两种算法进行在线调试后,令M_pn=86 400,并开通O2级别优化,循环测试1 000次,记录平均耗时,得到性能比较结果见表1,可以发现新算法较比特型算法可以节省87.5%的内存空间,所耗费的cycle数也可以降低90.3%。

表1 上述两种算法的性能比较Table 1 Performance comparison of the abovetwo types of algorithm

4 结 语

为满足LTE物理层的高速率数据处理要求,工程师们不仅要根据开发平台对算法做出选择,而且需要做大量的优化工作。伪随机序列的产生模块是LTE系统开发中的一个重要模块,几乎所有物理信道的加扰模块都会用到,还有其它一些物理层过程也会用到,比如用于UE(User Equipment)端专用参考信号的产生[7]。当然文中提到的新算法可以通过使用dsplib.h中的一些汇编函数指令,或者使用一些SIMD(Single Instruction Multiple Data)进行优化,这样可以使新算法达到更优的性能。另外,根据项目的需要,开发者也可以选择在FPGA(Field Programmable Gate Array)上实现伪随机序列的产生算法[8]。

[1] ZELENKOV A V,LITVINENKO A.OFDM PAPR reduction by pre-scrambling and clipping[C]//Electronics Conference(BEC),2012 13th Biennial Baltic.IEEE, 2012:141-144.

[2] 段永颢,孙宇明,赵鹏.跳频OFDM通信系统同步算法及实现[J].通信技术,2012,45(06):76-79.

DUAN Yong-hao,SUN Yu-ming,ZHAO Peng.FHOFDM Receiving Synchronization Algorithm and Implementation[J].Communications Technology,2012,45 (06):76-79.

[3] 刘栩,石乃轩,王健,等.多重加密通信系统的设计与实现[J].通信技术,2010,43(05).

LIU Xu,SHI Nai-xuan,WANG Jian,et al.Design and Implementation of Multiple-Encryption Communication System[J].Communications Technology,2010,43(05).

[4] KIM J,KIM S,KIM N Y,et al.A Novel Location Finding System for 3GPP LTE[C]//Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,2009 IEEE 20th International Symposium on.[s.l.]:IEEE,2009:3213-3217.

[5] 3GPP.TS 36.211(Version 11.3.0 Release 11).Access EUTR:Physical Channels and Modulation[S].Europe: ETSI,2013:103-104.

[6] 郭勇,邵凝宁.Viterbi译码算法在55系列DSP上的C语言实现[J].无线电通信技术,2013,39(02):79-82.

GUO Yong,SHAO Ning-ning.C Language Implementation of Viterbi Decoding Algorithm of Viterbi Decoding in 55x DSP[J].Radio Communications Technology,2013, 39(02):79-82.

[7] 陈贝,陈发堂.LTE-A中UE专用参考信号的DSP实现[J].光通信研究,2013,39(04):65.

CHEN Bei,CHEN Fa-tang.DSP Realization of UE-Specific Reference Signals in LTE-A Systems[J],2013,39 (04):65.

[8] JEONG C B,LEE Y H,BAE H D.High-speed J-delayed&K-dimensional LFSR Architecture in VLSI [C]//Circuits and Systems(MWSCAS),2013 IEEE 56th International Midwest Symposium.[s.l.]:IEEE, 2013:433-436.

YU Zi-han(1987-),male,M.Sci.,majoring in communication and information system.

姜永广(1973—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为通信与系统工程;

JIANG Yong-guang(1973-),male,M.Sci.,senior engineer,mainly specialized in communication and systems engineering.

隋天宇(1983-),男,博士,工程师,主要研究方向为通信与网络系统设计;

SUI Tian-yu(1983-),male,Ph.D.,engineer,mainly engaged in the design of communications and networks.

刘 文(1982—),女,硕士,工程师,主要研究方向为指挥自动化。

LIU Wen(1982-),female,M.Sci.,engineer,majoring in command automation.

Design and Realization of Pseudo-Random Sequence Generating Algorithm in LTE

YU Zi-han1,JIANG Yong-guang1,SUI Tian-yu1,LIU Wen2
(1.No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China; 2.General Archive of Information Department,Beijing 100000,China)

Scrambling is an important link to physical-layer procedure in LTE,and the generating speed of scrambling sequence has a significant influence on the overall performance of the system.Aiming at the disadvantages of long time-consuming and large storage occupation for bit-generation algorithm of pseudorandom sequence,a novel type of compact generation algorithm is proposed.Function and performance tests are carried out on the basis of TMS320C6670 DSP after the realization of this algorithm on CCS5.2 platform.The test result indicates the validity of this algorithm,and that the performance of new algorithm is better than that of the bit-generation algorithm by about 10 times.

LTE;pseudo-random sequence;DSP

TP393

A

1002-0802(2014)02-0150-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.006

余子寒(1987—),男,硕士研究生,主要研究方向为通信与信息系统开发;

国家自然科学基金(No.61171501)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61171501)