基于FPGA的分时长期演进能量扩散模块实现

　　*基金项目：国家科技重大专项(编号：2016ZX03002010)

　　引言

　　我国移动通信的发展经历了从模拟到数字的过程，包括TACS、GSM、CDMA等2G移动通信系统以及WCDMA和TD-SCDMA等3G移动通信系统。3G及其以后的移动通信系统追求的主要目标是高速率数据、广覆盖和大容量。我国已从3G逐步过渡到4G无线技术，随着4G技术的大量普及，其峰值速率要求越来越高，比如4G中低速移动性时峰值传输速率能超过100Mbit/s甚至更高。鉴于4G TD-LTE标准下传输速率要求过高，本文在无线传播方式下，提出了分组长期演进标准下能量扩散模块的Verilog-HDL设计方法，在Xilinx ISE开发软件上实现软件仿真并在fpga开发板上设计出能量扩散模块电路。能量扩散的目的就是使数据信号的能量不至于过分的集中在连续“0”或“1”所对应的频率上，从而得以减小对其他通信设备的损害，也就不会对接收效果造成影响。

　　1 TD-LTE标准传输码流数据包帧结构

　　TD-LTE标准下，上下行数据在同一频率内传输，使用非成对频谱。

图1 TDD帧结构类型(5 ms切换周期)

　　TDD下，每个系统帧长达10 ms，由2个长达5 ms的半帧(half-frame)组成。每个半帧由5个长达1 ms的子帧组成。TDD中的子帧包括正常子帧和特殊子帧。对于TDD而言，上下行传输是通过时域区分开的。TDD支持7种不同的上下行配置(uplink-downlink configuration)，对应不同的上下行配比，具体见表1。其中“D”对应一个下行子帧，“U”对应一个上行子帧，“S”对应一个特殊子帧。我们将“D”和“U”对应的子帧称为正常子帧，以此与特殊子帧“S”区分开来。

　　TDD上下行配置是通过RRC消息中的TDD-Config->subframeAssignment字段来设置的。

       表1 上下行配置

　　从表1可以看出，TDD上下行配置支持5 ms和10 ms的下行到上行的切换周期。在5 ms的切换周期中，在2个半帧都存在特殊子帧;在10 ms的切换周期中，只有第一个半帧存在特殊子帧。在此论文中，将TDD的7种不同的上下行配置简称为TDD 0~6。TDD下的正常子帧结构与FDD下的子帧结构是相同。

　　特殊子帧包含3个域：DwPTS、GP和UpPTS，这3个域的时长相加等于1 ms。特殊子帧有9种不同的配置，对应不同的DwPTS和UpPTS长度，见表2。特殊子帧配置是通过RRC消息中的TDD-Config-> specialSubframePatterns字段来设置的。

　　表2 特殊子帧( DwPTS/GP/UpPTS的时长).

　　与FDD类似，TDD下的每个子帧(包括特殊子帧)长达1 ms，由2个连续的slot组成，每个slot长达0.5 ms( )。子帧0、5以及DwPTS总是用于下行传输;UpPTS以及紧随特殊子帧之后的子帧总是用于上行传输。

　　图2 LTE时域结构

　　一个slot由多个符号(symbol)组成，每个符号(用L表示)由循环前缀(Cyclic Prefix，简称CP)和可用的符号时间组成。上行使用SC-FDMA符号(SC-FDMA symbol)，下行使用OFDM符号(OFDM symbol)。

　　图3 能量分散后数据格式

　　TD-LTE传输码流帧结构中偶尔集中出现连续“0”或连续“1”状态，这会对硬件板的发射功率造成很大的损耗，降低了传输效率，假如在发射环节突发此种状况，就会对系统其他通信设备造成不可忽略的损害，同时，也会对接收效果造成一定影响，最终导致数据码流传输速率大大的降低。而能量扩散的目的就是使这些数据信号的能量不至于过分的集中在“0”或“1”所对应的频率上，从而得以减小对其他通信设备的损害，也就不会对接收效果造成影响。具体实施上，就是将传输码流二进制数据依次与伪随机二进制序列进行异或运算，以达到使能量集中的连续“0”或连续“1”分散开来，图3为处理过后的数据。这样，便使“0”和“1”对应的功率谱密度分布相对合理，数据码流中从“1”到“0”或从“0”到“1”的跳跃变动频率更大，大大提升了接收数据的稳定性。为了保证原始码流的完整恢复，发射机、接收机需同步实现扰码过程，实际上，扰码过程是能量扩散的中心环节。

　　 伪随机二进制序列

　　扰码过程中，能量分散就是采用伪随机二进制序列 (Pseudo-Random Binary Sequence，简称PRBS)与传输码流中的传输数据进行异或运算得到，PRBS生成多项式为：

　　其中，g(x)是PRBS生成多项式;x14 ，x15分别为寄存器的14级，15级状态。

　　经过验证筛选，把PRBS的初始序列定为“100101010000000”，同时每隔8个传输数据包对PRBS重新进行初始化，并将第一个传输数据包的同步字节取反作为一个完整周期的起始标志。伪随机二进制序列的变化及参与能量扩散过程原理图如图4所示。

图4 能量分散原理图

　　从能量分散原理图(见图4)可知，伪随机二进制序列发生器中的移存器的反馈线从第14级和第15级取出，经模二加后送入移存器的第一级，这样便实现了伪随机二进制序列的循环往复。

　　二进制传输码流与伪随机二进制序列进行异或过程，即能量分散过程详细图解如图5所示：

图5 能量分散过程图

　　能量扩散的实质是扰码，扰码器实质上是一个反馈移位寄存器，其输出为一个m序列。它能最有效的将输入数据码流搅乱，使输出数据码元之间的相关性最小。传输数据时，扰码器的初始状态应该被设置为非零的伪随机序列，正如上述定义的初始序列为“100101010000000”，为了使扰码过后形成“0”与“1”之间的频繁跳变，初始状态的设置尤为重要。在接收端接收时，可以用同样的扰码器进行相应地解扰。

　　由前面所述可知，能量扩散是通过伪随机二进制序列来完成的。伪随机序列码有很多种，其中用多级移位寄存器产生的m序列即最长线性移存器序列是最常用的一种，这不仅仅是因为其性能可靠，电路易于实现，更重要的是m序列码具有以下特性：

　　1)均衡特性。也称为平衡性，由n级移位寄存器产生的m序列中，n位二进制数字去掉无意义的全零外，共有p=2n-1，故其长度为2n-1，即周期为2n-1比特。在每一周期内，“0”出现2n-1-1次，“1”出现2n-1次，“0”比“1”只少出现一次，“0”和“1”出现的次数认为是均衡的。

　　2)m序列的自相关函数。就是m序列与其移位过后的序列之间的相关程度。若m序列的周期为p，R(k)记为m序列与其移位k位过后新序列的相关函数，它只有两种取值，

　　R(k)是一个周期函数，即R(k)=R(k+cp) ，同时R(k)还是偶函数，即R(k)=R(-k), k为整数。m序列的自相关函数示意图如图6所示：

　　3)移位相加特性。即线性叠加性，m序列与它的位移序列经过模二相加后，所得到的新序列仍是该m序列地某个位移序列，这样，就实现了伪随机序列的依次顺序移位。

　　4)伪噪声特性。假设对任一服从正态分布的高斯白噪声取样，若取样值为正，则记为+1，取样值为负，则记为-1，将每次取样所得到的结果排成序列，可写成···+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，-1，-1，···这是一个随机的数据序列，具有如下特性：一，序列中出现-1和+1的概率相等;二，一般地，长度为k的序列的游程约占2-k，同时-1和+1游程的数目也各占一半;三，由于白噪声的功率谱为常数c，因此其自相关函数为一冲击函数δ(τ)。从以上特性可知，m序列码是一个很好的伪随机二进制序列。

　　 能量扩散实现过程及仿真结果

　　依据前文介绍，现把能量扩散(扰码)实现过程原理转化成示意图，如图7所示。

　　仿真软件采用ISE软件(XILINX公司)。TD-LTE的输入码流以字节为单位且并行传输，但能量扩散扰码过程处理的是串行数据，因此，必须先处理以字节为单位的并行数据，把其转换成以bit为单位的串行数据，本文通过DATA-BUFFER缓存模块来完成输入数据帧码流中的并转串过程。实验结果如图8所示，完全符合扰码(能量扩散)过程的前期要求。

　　 结论

　　本文充分利用了 序列的伪随机特性，在ISE软件工具上，实践了TD-LTE标准下基于FPGA的能量扩散方法，仿真结果以及在线硬件测试结果表明，本文提供的方法实现了项目中涉及到的无线通信TD-LTE标准下能量扩散的功能。