LTE上行鏈解速率匹配和HARQ合并實(shí)現(xiàn)方案

1、LTE上行鏈解速率匹配和HARQ合并實(shí)現(xiàn)方案來(lái)源:摘 要：HARQ 是LTE 系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它是一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，通過(guò)結(jié)合ARQ（自動(dòng)重傳請(qǐng)求）和FEC（前向糾錯(cuò)）技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)傳輸能力。接收端在超出自身糾錯(cuò)能力時(shí)快速請(qǐng)求發(fā)端重發(fā)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)塊，因此能自動(dòng)適應(yīng)信道條件的變化，且對(duì)測(cè)量誤差和時(shí)延不敏感。本文通過(guò)對(duì)物理層HARQ 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行分析，根據(jù)速率匹配循環(huán)緩沖的特點(diǎn)提出了兩種物理層上行接收端HARQ 合并的實(shí)現(xiàn)方法，比較得出解速率匹配和HARQ 合并時(shí)在時(shí)延、性能、硬件資源上均較優(yōu)的方案。關(guān)鍵詞：3GPP 長(zhǎng)期演進(jìn)；混合自動(dòng)重傳；解速率匹配；解子塊交織；HARQ 合并引言LTE

2、要求LTE 要求支持100Mb/s 以上的峰值數(shù)據(jù)速率（20MHz 頻譜帶寬下），碼的內(nèi)交織器較Rel6 作了相應(yīng)的變化，為了能達(dá)到比較高的速度，LTE 中的速率匹配變得相對(duì)簡(jiǎn)單，而Rel6 中的碼率匹配機(jī)制將不再適用于LTE 中的Turbo 碼，3GPP 中將采用基于循環(huán)緩存器（Circular Buffer）的速率匹配機(jī)制，該機(jī)制的性能在低碼率的時(shí)候與Rel6 的速率匹配機(jī)制性能相當(dāng)，隨著碼率的增加，其性能漸漸優(yōu)于Rel6 的速率匹配機(jī)制。LTE系統(tǒng)中采用HARQ 作為鏈路的差錯(cuò)控制技術(shù)，保證QoS 要求。通信系統(tǒng)，是在一個(gè)ARQ 系統(tǒng)中包含一個(gè)FEC 子系統(tǒng)。FEC 部分用于糾正信道中經(jīng)

3、常出現(xiàn)的錯(cuò)誤以減少重傳次數(shù)而提高系統(tǒng)通過(guò)效率。ARQ 部分的作用是糾正那些不常出現(xiàn)的、不能糾正的錯(cuò)誤，以提高系統(tǒng)的可靠性。這樣HARQ 方式可以實(shí)現(xiàn)比FEC 高得多的可靠性和比ARQ 更高的傳輸效率。本文根據(jù)子塊交織、比特合并及比特選擇的特點(diǎn)，提出兩種上行接收機(jī)解速率匹配、解子塊交織和HARQ 合并方案，經(jīng)比較得出一種邏輯運(yùn)輸簡(jiǎn)單、時(shí)延較小、硬件開(kāi)銷(xiāo)較低的方案。LTE 上行物理層速率匹配簡(jiǎn)介速率匹配目的 由于物理信道的容量是有限的，而傳輸信道的數(shù)據(jù)量卻是一個(gè)變化的，為了保證傳輸信道的數(shù)據(jù)能夠被物理信道所承載在空口發(fā)射出去，就需要一個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸信道到物理信道容量的轉(zhuǎn)化?？傊俾势ヅ渚褪菫榱水a(chǎn)

4、生不同碼率的數(shù)據(jù)。中速率匹配選擇 要求支持100Mb/s 以上的峰值數(shù)據(jù)速率（20MHz 頻譜帶寬下），Turbo 碼的內(nèi)交織器較Rel6 作了相應(yīng)的變化，為了能達(dá)到比較高的速度，LTE 中的速率匹配變得相對(duì)簡(jiǎn)單，而Rel6 中的碼率匹配機(jī)制將不再適用于LTE 中的Turbo 碼，3GPP 中將采用基于循環(huán)緩存器（Circular Buffer）的速率匹配機(jī)制，該機(jī)制的性能在低碼率的時(shí)候與Rel6 的速率匹配機(jī)制性能相當(dāng)，隨之碼率的增加，其性能漸漸優(yōu)于Rel6的速率匹配機(jī)制2。一種好的打孔模式可以提供0.2-1.3db 的性能增益，傳統(tǒng)的打孔只是打掉冗余比特,而保留系統(tǒng)比特,在高碼率的情況下,

5、自由距和誤碼性能會(huì)下降。而同時(shí)打掉系統(tǒng)比特和較驗(yàn)比特更有利于保持自由距3?；贑B的RM較Rel-6提供一種簡(jiǎn)單的打孔模式并有較好的性能.基于CB 的RM 具有靈活性和保證自由距的優(yōu)勢(shì),對(duì)于基于IR 的HARQ 能很容易地保證正交重傳只要配置根據(jù)冗余版本號(hào)設(shè)置不同的起始位置4。中上行速率匹配方案由于 LTE 的Turbo 編碼的內(nèi)交織器采用QPP，因此LTE 中速率匹配和R6 中的也不同，為了能達(dá)到比較高的速度，LTE 中的速率匹配變得相對(duì)簡(jiǎn)單。LTE 上行速率匹配過(guò)程各碼塊分別進(jìn)行速率匹配，3GPP LTE 通信系統(tǒng)中發(fā)送端的速率匹配模塊由子塊交織、比特收集、最后是循環(huán)緩沖器生成、比特選擇和

6、修剪。LTE 的速率匹配不像Rel6 用固定或有規(guī)律的打孔模式(puncture pattern)，只是按照分配的子載波、符號(hào)數(shù)、調(diào)制模式等決定的傳輸比特?cái)?shù)取出經(jīng)過(guò)編碼后的冗余信息，所以不管前面冗余信息多少，速率匹配只取所需的特定比特?cái)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)速率調(diào)整，沒(méi)有真正有規(guī)律的打孔。各小模塊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖所下。1.3.1 子塊交織各子塊（S、P1、P2）采用深度為32 的“行入列出”塊交織器獨(dú)立進(jìn)行交織，如果各子塊的數(shù)據(jù)大小不能填滿(mǎn)交織矩陣，則在各子塊輸入數(shù)據(jù)前端添加Null 比特，再進(jìn)行子塊交織。對(duì)于P2 數(shù)據(jù)流，交織之前，先將最后一個(gè)比特放在數(shù)據(jù)流最前面，再進(jìn)行與S、無(wú)差異的子塊交織。設(shè) T

7、urbo 編碼器輸出的S、P1 及P2 比特的個(gè)數(shù)均為D，對(duì)Turbo 編碼器輸出的S、及P2 比特分別進(jìn)行交織。交織器輸出的比特個(gè)數(shù)分別為K（K = R C ），其中R 為交織器行數(shù)，C（C=32）為交織器列數(shù)， p N （ N K D p = ? ）為交織器加入的填充比特個(gè)數(shù)。交織方法為按行寫(xiě)入，經(jīng)列變換，再按列讀出，其中列變換方式如下所示：子塊交織列變換圖案忍睪喜宰涌榻恢魘涑齙腟、P1 和P2 比特進(jìn)行比特收集，形成一個(gè)編碼塊。收集原則為：所有S 比特位于編碼塊的前RC 位置，后2RC 位置間隔放置P1 和P2 比特。比特選擇與發(fā)送由比特收集的結(jié)果形成大小為3RC 的循環(huán)緩沖（Circu

8、lar Buffer）。根據(jù)重傳序號(hào)和餃子矩陣行數(shù)R 決定此次傳送的比特的其實(shí)位置。的計(jì)算方法為：的輸出，設(shè)碼塊傳送的比特個(gè)數(shù)為E5。其發(fā)送端速率匹配有如下特點(diǎn)針對(duì)每個(gè)碼塊做速率匹配，可同時(shí)并行處理多個(gè)碼塊為每個(gè)碼塊配備一個(gè)循環(huán)緩存器可以大大減低處理的復(fù)雜度和時(shí)延低碼率時(shí)性能和Rel6 的速率匹配器性能相當(dāng)；碼率增加性能漸漸優(yōu)于Rel6 的性能。設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)增量冗余（IR）HARQ 傳輸，每個(gè)RV 定義一個(gè)傳輸開(kāi)始點(diǎn)，首次傳輸和各次HARQ 分別使用不同的RV，以實(shí)現(xiàn)冗余比特的逐步積累，完成增量冗余HARQ 操作。解速率匹配和HARQ 合并設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析是基于TB 重傳的，而速率匹配是基于CB

9、處理的，LTE 中HARQ 采用增量冗余（IR: Incremental Redundancy）發(fā)送方式，即使接收端不能正確譯碼，也保留接收數(shù)據(jù)，以備與重傳數(shù)據(jù)合并形成譯碼能力更強(qiáng)的數(shù)據(jù)流再進(jìn)行譯碼。因此，在收到ACK 之前需緩存接收到的數(shù)據(jù)。由于發(fā)送端 Turbo 編碼的碼率是1/3，具有較大冗余，速率匹配又對(duì)碼率做了調(diào)整，因而解速率匹配時(shí)也需要對(duì)碼率進(jìn)行調(diào)整，尤其是當(dāng)碼率大于1/3 的編碼，輸入輸出吞吐發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)較困難。 填充比特不僅在碼塊分割時(shí)引入，而且在子塊交織時(shí)也有引入，因此接收端解子塊交織時(shí)必須綜合考慮這兩種填充比特的影響?？紤]LTE 系統(tǒng)支持帶寬和數(shù)據(jù)處理能力，采用外部存儲(chǔ)器

10、SDRAM 緩沖待合并數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)時(shí)以所考慮的極限碼率作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以支持碼率最大時(shí)的吞吐要求。解速率匹配實(shí)現(xiàn)方案合并有兩種處理方法：一是將接收到的數(shù)據(jù)先作合并，再解子塊交織，最后重新存入緩沖器中，同時(shí)發(fā)給Turbo 譯碼器；二是將接收到的數(shù)據(jù)補(bǔ)充成完整的如圖4 合并后的數(shù)據(jù)（發(fā)送端未發(fā)送部分用0 填充），再進(jìn)行解子塊交織，新舊數(shù)據(jù)進(jìn)行HARQ 合并后存入緩沖器，同時(shí)發(fā)給Turbo 譯碼器。合并再解速率匹配整個(gè)功能模塊劃分為兩部分：重傳數(shù)據(jù)合并和解速率匹配。數(shù)據(jù)緩存采用片外存儲(chǔ)器SDRAM，解交織采用片內(nèi)存儲(chǔ)器SRAM。主要數(shù)據(jù)處理模塊包括：Null 比特填充、軟比特?cái)?shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)完整性填充和打

11、包、解交織等。其中，Null 比特填充用于補(bǔ)充發(fā)送端打掉的Null，包括在碼塊分割時(shí)引入的Null 和子塊交織時(shí)引入的Null。隨后數(shù)據(jù)存入SDRAM，如果新數(shù)據(jù)和舊數(shù)據(jù)有重疊，則用新數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)，這樣雖然合并增益比有所下降，但是這樣可以省去SDRAM 的抹零操作。SDRAM 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不一定是完整的碼塊，因此需將從SDRAM 中讀出的數(shù)據(jù)用0 補(bǔ)成完整的碼塊，以便進(jìn)行解碼塊交織。由于S、P1、P2 的交織方法一樣，僅P2 稍有不同，因此可以將1 個(gè)S 數(shù)據(jù)、1 個(gè)數(shù)據(jù)和1 個(gè)P2 數(shù)據(jù)打包成一個(gè)整體，再進(jìn)行解子塊交織，以此提高數(shù)據(jù)處理速度、節(jié)省硬件資源。最后再處理P2 與S、P1 的差異

12、，同時(shí)調(diào)整尾比特順序以適應(yīng)Turbo 譯碼器對(duì)輸入數(shù)據(jù)的格式要求。注意事項(xiàng)：標(biāo)志生成器按發(fā)端速率匹配算法產(chǎn)生數(shù)據(jù)和Null 的指示，指示數(shù)據(jù)流中位置需填充0；為了提高 SDRAM 的吞吐，對(duì)SDRAM 的存儲(chǔ)空間進(jìn)行塊操作，即一個(gè)地址連續(xù)讀出或?qū)懭攵鄠€(gè)數(shù)據(jù)，此處為16 個(gè)數(shù)據(jù)；由于解交織先輸入所有數(shù)據(jù)才有輸出，因此 SRAM 開(kāi)辟兩塊存儲(chǔ)空間進(jìn)行乒乓操作。Null 標(biāo)志生成時(shí)，模擬發(fā)端速率匹配，因此也需要進(jìn)行乒乓操作。解速率匹配再 HARQ 合并如圖 6 所示，此方案先將數(shù)據(jù)分流成S、P1 和P2，分別進(jìn)行解子塊交織，同方案1 類(lèi)似，需設(shè)計(jì)乒乓操作。隨后分別對(duì)S、P1、P2 進(jìn)行HARQ 合并

13、。合并后送回SDRAM 中緩存，同時(shí)尾比特處理后發(fā)給Turbo 譯碼器譯碼。SDRAM 僅有一個(gè)入口和一個(gè)出口，因此需要平衡S、P1、P2 之間對(duì)SDRAM 的競(jìng)爭(zhēng)，設(shè)計(jì)時(shí)序關(guān)系如圖3-3 所示。2.3 兩種方案比較從吞吐、時(shí)延、性能和硬件需求的角度比較這兩種方案。兩種方案吞吐壓力基本相同；方案2 具有較小時(shí)延，從圖xx 可以看出，數(shù)據(jù)輸出前有兩處緩存和時(shí)延，而圖xx 僅一處存在時(shí)延；方案1 的性能不如方案2 的性能，因?yàn)榉桨赣胁糠植捎酶采w形式，合并性能有所降低；從硬件消耗來(lái)看，方案1 消耗1 個(gè)SRAM、1 個(gè)、5 個(gè)MEM2 和若干個(gè)STAN2，方案2 消耗1 個(gè)SDRAM、8 個(gè)MEM2，若干個(gè)STAN，其中 SDRAM 為外部存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)能力最大，SRAM 為片內(nèi)存儲(chǔ)