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LTE應用架構(Application Framework)根據LTE無線標準提供了立即可用、方便修改的實時物理層(PHY)和底層的媒體訪問控制層(MAC)參考設計。 LTE應用架構隨附于LabVIEW Communications系統(tǒng)設計套件(簡稱LabVIEW Communications)中。

這個架構提供了良好的起點，可幫助研究人員探索全新的算法和架構來支持大幅增長的端點數量、發(fā)明全新的波形來完成信號調制/解調或者尋找全新的多天線架構以充分利用無線媒介的自由度，從而找到改良LTE標準的方式。

LTE應用架構包含了使用 LabVIEW Communications開發(fā)而成的模塊化PHY和MAC塊。 此外經過特殊設計，可搭載強大的Xilinx Kintex-7 FPGA與Intel x64通用處理器，這兩者均緊密集成了NI軟件無線電(SDR)硬件的RF與模擬前端裝置。

這個架構從底層開始設計，遵循LTE標準主要規(guī)范，方便開發(fā)人員進行修改。這個設計可讓無線研究人員根據LTE標準快速搭建實時原型開發(fā)實驗室并根據LTE標準進行運行。 他們還可以按照自己的想法專注于協(xié)議的特定部分、輕松修改設計以及將其創(chuàng)新與現有標準進行比較。

1. LTE兼容規(guī)范

LTE應用架構包含了符合3GPP-LTE版本10的下行鏈路發(fā)射器與下行鏈路接收機。 下行鏈路發(fā)射器與接收機各包含一個下列通道的FPGA實現：

主同步信號(PSS)

特定小區(qū)參考信號(CRS)

UE(用戶終端)用參考信號(UERS)

物理下行控制信道(PDCCH)

物理下行共享數據信道(PDSCH)

幀結構具有以下固定配置：

20 MHz帶寬(100 PRBs)

常規(guī)循環(huán)前綴

幀結構： TDD

TDD UL/DL配置： 5

特殊子幀配置： 5

Tx天線端口數量： 2個(僅Antenna Port 1用于信道估算與均衡)

不提供下列信道：

輔同步信號(SSS)

物理控制格式指示信道(PHICH)

物理混合ARQ指示信道(PCFICH)

物理廣播信道(PBCH)

主同步信號(PSS)僅于子幀1中傳輸。Cell-ID固定為0。

一旦啟用UERS，就會使用兩個可能的導頻位置(AP 7、8、11、13和AP 9、10、12、14)。 這樣一來編碼速率就會大于1，無法使用MCS 28。

只能使用PDCCH格式1 (CFI = 1)。 DCI是專用格式，如圖1所示。PRB Allocation字段的每個比特代表了4個PRB。 0~28的MCS兼容LTE定義標準。由于不包含HARQ處理功能，所以不支持MCS 29、30、31。 由于目前版本沒有反饋信道，因此僅會發(fā)射TPC值，而且不會應用于接收機端。

根據此配置產生的資源網格如圖2所示。

圖1. PDCCH DCI格式

圖2. 使用的LTE資源網格

使用的自定義MAC數據包結構如圖3所示。PDSCH傳輸塊大小是根據LTE標準進行定義。 主要取決于MCS和PRB Allocation參數。 用戶數據字節(jié)數(n)取決于PDSCH傳輸塊大小的最小值(因數據包頭大小而減小)和payload主機到終端FIFO的按字節(jié)填充狀態(tài)。 剩下的傳輸塊比特由0填充(補零)。

圖3: MAC數據包結構

2. FPGA實現概述

這個LTE應用架構是以NI USRP-RIO數據流項目范例模板(NI USRP-RIO Streaming Sample Project Template)為基礎，該模板包含了ADC和DAC接口的基本邏輯，可執(zhí)行必要的RF減損修正、數字上/下變頻以及前端裝置的配置。 隨后用于LTE UE下行接收機和LTE eNB下行發(fā)射機的基帶物理層處理功能就會獨立地連接至數據流項目范例，成為實現實時物理層的基礎。 以下部分將詳細描述所有這些組件。

圖 4為LTE應用架構的架構。 陰影模塊代表 FIFO。 藍色模塊代表終端范圍的FIFO，綠色模塊是直接存儲器訪問(DMA)FIFO，能夠在FPGA和主機之間傳輸數據。

圖4: NI USRP-RIO的LTE應用架構架構

2.1. 下行鏈路接收機
下行鏈路接收機的功能分散在五個循環(huán)內，如圖5所示。ADC對接收到的射頻信號進行采樣，然后信號通過數字下變頻(Digital Downconversion)模塊傳輸，以進行修正和采樣率轉換。 接著無線幀同步(Radio Frame Synchronization)模塊負責LTE幀結構的檢測和時序校準。 FFT循環(huán)包含FFT變換(FFT Conversion)模塊，可將采樣點從時域轉換至頻域。 FFT循環(huán)也會根據小區(qū)專用參考信號(CRS)與UE專用參考信號(UERS)執(zhí)行信道估算與均衡。 除此之外，資源逆映射器會從1200個已用的載波中提取頻域載波數據。 并且使用物理通道標志來標示載波數據。 標記為PDCCH且經過CRS均衡的QA符號會傳輸到PDCCH接收機中， 并且解碼下行控制信息(DCI)，其中包含了解碼物理下行共享信道(PDSCH)所需的必要信息。 PDSCH解碼器最后會根據根據接收機的設置，采用CRS或UERS均衡數據來解碼用戶數據。 以下部分進一步介紹了圖5的每個模塊。

圖5: 下行鏈路接收機的程序框圖

2.1.1. 數字下變頻和RF減損修正
LTE應用架構中的數字下變頻(Digital Downconversion，DDC)模塊和NI USRP-RIO Streaming Project Template的DDC模塊很相似。 如圖6所示，此模塊可修正基頻信號中的I/Q減損，從而允許中心頻率微調，使得ADC滿足LTE標準采樣率要求，即30.72 MS/s。DDC可通過主機進行配置。 I/Q失衡修正采用的系數來自于制造過程，并且儲存于設備的EEPROM內。 DDC不會根據溫度進行調整。

LTE應用架構內的DDC還包含一個直流抑制(DC Suppression)模塊，可補償直流偏置。 該模塊采用一個采樣點數據塊來消除平均直流偏置。

該數據塊平均有32,768個采樣點，以定點數據類型1.15進行計算。 計算結果會和當前修正值進行比較。 根據比較結果，每次計算平均值后LSB修正值就會增加或減少。絕對 修正值范圍為±0.2。

圖6: 數字下變頻程序框圖

2.1.2. 無線幀同步
DDC循環(huán)數據可以使用FIFO傳輸至同步(Synchronization)循環(huán)。 這個模塊的主要目的在于對齊LTE無線幀的幀頭。 此外該模塊也可確保僅提供完整的無線幀給后面的處理塊。 無線幀同步(Radio Frame Synchronization)模塊的組成如圖7所示。窄箭頭代表控制流，長方形則代表所傳輸的信息。

同步是通過連續(xù)測量自動校正與互相關來實現。 LTE信號包含主同步信號(PSS)，使用兩個FIR濾波器計算互相關即可檢測到此信號。 該運算在采樣率降至1.92 MS/s的情況下執(zhí)行。 在最高振幅即可檢測到峰值。 通過一個校驗單元來檢查峰值振幅比互相關平均能量高出8倍。 此外，峰值距離必須少于5個采樣點。

同時，自動校正會以完整的采樣率執(zhí)行，位于OFDM碼元邊界。 只要把延遲共軛乘以累積值，即可算出自動校正值。 將該值除以能量值即可得到歸一化的值。 如果32個以上的采樣點超過特定的閾值，而且距離上一個峰值超過2,160個采樣點，就會在最高振幅檢測到峰值。

無線幀同步模塊的執(zhí)行另一個功能是測量與補償載波頻率偏置(CFO)。 整數頻偏(IFO)估計模塊可以比較兩項相關性的峰值位置，估算載波頻偏(CFO)的整數部分。 所需的頻率漂移總量取決于CFO的整數部分和分數部分，這兩個部分根據自動校正峰值的相位計算而得。 進行同步時，頻率漂移量僅會應用在無線幀的起始部分。 分數部分乘以主機設置的ff_CFO值可避免漂移過多而導致的帶噪估算。 也可通過主機將CFO值設為靜態(tài)值。

連續(xù)檢測到多個PSS信號并完成IFO估算后，時序校準(Timing Adjustment)模塊就會計算無線幀的起始位置。 無線幀校準(Radio Frame Alignment)模塊會使用此位置將經過時序校準的整個無線幀傳送至后續(xù) FFT循環(huán)。 可使用時序高級控制功能來設置采樣點的數量，接收機會將該設置值切分為循環(huán)前綴。

如果PSS或OFDM峰值丟失，IFO估算(IFO Estimation)模塊就會確認采樣點的至少一個無線幀無效，這些無效幀不會轉發(fā)至FFT循環(huán)。

圖7: 無線幀同步的程序框圖

2.1.3. FFT變換
數據會從無線幀同步循環(huán)傳輸至FFT變換循環(huán)，所以進行FFT變換之前已經完成同步。 此循環(huán)會執(zhí)行快速傅立葉變換(FFT)，把數據從時域轉換成頻域，并且會根據LTE資源網格標記采樣點，并將采樣點分布至信道接收機循環(huán)， 如圖10所示。

剛開始的時候，Throttle Control模塊會連續(xù)檢查輸入采樣點FIFO的填充狀態(tài)，并且在達到所需的最小值時觸發(fā)Read Strobe。 此過程可確保連續(xù)處理每個OFDM碼元的采樣點數據。 之后，通過確認第一個輸入采樣點無效來去除采樣點的循環(huán)前綴。 剩下2,048個采樣點會發(fā)送至Xilinx FFT。 之后資源映射器就會根據對應的通道來標記采樣點，從而生成每個采樣點的時序信息和資源網格。 資源映射主要是根據LTE規(guī)格所述的固定幀結構配置來實現。 所有后續(xù)模塊都會結合每個LTE信道的元素使用這個布爾簇來判斷采樣點是否相關。

FFT輸出數據會進入兩個并行運行的獨立信道估算模塊。 第一種信道估算基于CRS。 根據復共軛乘法即可算出信道估算值。 鄰近參考碼元之間的頻域使用線性插值進行計算，如圖8所示。 最接近的估算值會復制于碼元邊緣(零階保持)。 沒有包含CRS序列的OFDM碼元必須依賴最后的信道估算(準時的零階保持；如圖9所示)。

圖8: 信道估算隨頻率的變化

圖9: 信道估算隨時間的變化

第二種信道估算基于UERS。 這些導頻信號會在每個物理資源塊(PRB)傳輸，并分匹配給UE的PDSCH地址。 此時我們無從得知PRB分配的相關信息。 因此信道估算會針對每一個PRB進行。 相同的資源元素可使用多個UERS，因此子幀的求平均值會在時域上進行，從而消除其他可能的序列(多用戶干擾消除)。 在頻域中，線性插值會用于PRB，同時在邊緣應用零階保持。

信道估算值會逐個采樣點傳送至與數據并行的信道均衡模塊。 信道均衡的值使用下列等式得出，其中d為數據采樣點，e為信道估算值：

圖10: FFT循環(huán)的程序框圖

2.1.4. PDCCH接收機
PDCCH接收機位于基于CRS的信道均衡的輸出端，用于每個子幀的第一個OFDM碼元(CFI固定為1)。 接收機負責解碼PDCCH信道所提供的UE的下行控制信息(DCI)。 程序框圖如圖11所示。

就像FFT循環(huán)一樣，Throttle Control模塊控制可確保所有均衡的PDCCH QAM碼元會得到連續(xù)處理。 LLR逆映射器會把碼元轉換為軟性碼元，并且使用特定小區(qū)和時序參數進行去交錯和解密處理。 完成此階段之后，DCI信號分離器會根據CCE偏置參數來提取必要的采樣點范圍，以便解碼所有可能的DCI信息位置。 DCI解碼器采用Xilinx Viterbi Decoder Core來解碼特定軟性碼元的DCI傳輸塊比特。 接著會傳輸模塊上會計算循環(huán)冗余校驗(CRC)的校驗碼。 如果該值匹配所設置的無線網絡臨時標識(RNTI)，消息就會根據DCI格式進行解譯(見圖 1)。 如果是無法支持的內容，例如MCS > 28，或是無法用于LTE無線幀內的當前位置，例如特殊子幀的DL分配，則檢驗模塊會驗證消息無效。

圖11: PDCCH接收機的程序框圖

2.1.5. PDSCH接收機
最后一個接收機循環(huán)負責對所傳送的PDSCH傳輸塊比特(也就是實際的用戶負載數據)進行解碼。 PDSCH接收機的程序框圖如圖12所示。

第一個模塊可處理兩個經過FFT循環(huán)信道均衡后進入的FIFO。 根據系統(tǒng)配置可能會使用CRS或UERS均衡的QAM碼元。 一接收到來自PDCCH接收機的有效配置，便會從選定的FIFO讀取碼元。 另一個資源逆映射器會根據已解碼的DCI消息的PRB分配將PDSCH QAM碼元標記為有效或無效。 LLR逆映射器會把有效碼元解讀為軟性碼元。 接著使用小區(qū)參數和RNTI對這些軟性碼元進行解密。 接著會使用Xilinx Turbo Decoder(屬于Xilinx LTE UL信道解碼器的一部分)來執(zhí)行PDSCH傳輸塊解碼。 來自解碼器的硬比特則會使用專用FIFO傳輸至主機。 另一個FIFO則會把解碼狀態(tài)信息寫入主機。

圖12: PDSCH接收機的程序框圖

2.2. 下行鏈路發(fā)射機
簡化的下行鏈路發(fā)射機程序框圖如圖13所示。

圖13: 下行鏈路發(fā)射機程序框圖

一旦接收到DAC循環(huán)的脈沖，碼元開始發(fā)生器(Symbol Start Generator)便會針對無線幀中的每個OFDM碼元生成脈沖。 接著索引發(fā)生器(Index Generator)會針對當前OFDM碼元的每個采樣點生成時序信息，例如副載波、資源塊、OFDM碼元和子幀索引。 PDCCH和PDSCH發(fā)射器根據系統(tǒng)配置與用戶數據使用該信息來生成QAM碼元。 脈沖會延遲，直到兩個發(fā)射器執(zhí)行結束為止。 之后資源映射器（Resource Mapper）會為類似于接收機鏈的每個物理信道生成布爾簇。 現在每個信道皆可填充由資源網格生成的QAM碼元。 如果當前采樣點和該信道無關，則所有信道都必須能夠以零填充。 這個行為可使用簡易的“或”門邏輯來組合所有信道。

組合所有信道之后，就會插入DC間隔，接著通過IFFT把頻域信號轉換從時域信號。 信號前綴會附加至IFFT輸出端，并且使用FIFO把數據傳輸至DUC和DAC時鐘域。 最后一步就是數字下變頻(DUC)，這與NI USRP-RIO數據流項目范例模板所使用的DUC一樣， 如圖14所示。 此功能會執(zhí)行數字增益、I/Q失衡修正、頻移以及將標準LTE速度(30.72 MS/s)轉換成DAC采樣率。

圖14: 數字上變頻程序框圖

2.2.1. PDCCH發(fā)射器
PDCCH發(fā)射器會創(chuàng)建用于PDCCH信道的所有QAM碼元。 所包含的模塊如圖15所示。

一旦接收到碼元觸發(fā)，就會根據主機配置生成DCI消息。 接著執(zhí)行消息編碼并附加CRC。 DCI多路復用器模塊會把生成的碼元轉換為PDCCH信道的正確位置。 接著會對整個信道數據進行加密和交錯處理。 將QPSK-Modulation機制應用于碼元之后，PDCCH I/Q采樣點就會儲存在FIFO中，直到通過資源網格生成操作提取出來。

圖15: PDCCH發(fā)射器程序框圖

2.2.2 PDSCH發(fā)射器
PDSCH發(fā)射器會把主機的用戶數據轉換成PDSCH信道所需的QAM碼元。 這個處理鏈的程序框圖如圖16所示。

小型的MAC實現會把專用MAC層頭幀添加到每個PDSCH傳輸塊的開頭。 剩下的傳輸塊會盡可能使用來自主機FIFO的用戶數據進行填充。 必要時還會加入補零位來填滿傳輸塊的剩余部分。 PDSCH編碼器使用的是Xilinx的LTE DL Channel Encoder。 核心的輸出端會根據LTE規(guī)格進行加密。 之后再應用QAM調制。 主機的MCS值決定了調制機制。 完成調制之后，PDSCH QAM碼元就會進入FIFO并儲存在FIFO中，直到被資源網格調用。

圖16: PDSCH發(fā)射器程序框圖

2.3. 時鐘考慮
FPGA使用三個主要時鐘域： 40MHz、120MHz和192MHz。

配置循環(huán)均連接至40MHz時鐘域。 配置信息會在執(zhí)行之前設置好，并在設計的其他地方用作為常數。

所有的LTE基帶處理信號都會在192 MHz的時鐘速率下運行。 NI USRP-RIO ADC和DAC界面則是在120MHz下運行，此外采樣率轉換器會創(chuàng)建30.72 MS/s的I/Q數據。 192MHz處理時鐘和120MHz數據時鐘不會彼此同步，設計時就已經考慮到這兩個時鐘的差異。在192MHz時鐘域中完成的處理操作具有足夠的裕量來容許192MHz時鐘和120MHz時鐘之間的頻率差。

下行鏈路發(fā)射機鏈路使用同步機制來校準基帶處理，同時避免在兩個時鐘域之間傳輸數據的FIFO下溢或上溢。 120MHz數據時鐘用作為絕對時間參考。 每隔10毫秒，120 MHz時鐘域就會生成一個觸發(fā)(針對每一個無線幀)。 這個觸發(fā)會發(fā)送至192MHz處理域，啟動新無線幀的創(chuàng)建。 兩個時鐘域之間的FIFO可確保數字上變頻模塊保持恒定的數據傳輸率。

如果用于測試目的，FPGA上有個內部環(huán)回FIFO，可繞過RF處理直接將采樣點從TX傳輸至RX進行基帶處理。 這個內部環(huán)回默認為禁用狀態(tài)，如有需要可通過主機啟用。

3. 主機實現概述

LTE應用架構包含了一個頂層主機VI，用于配置FPGA以及與FPGA交換負載數據。

左上方的指示控件和輸入控件均已初始化。 之后就會生成一個會話簇，其中包含所有必要處理的參考信息。 所有While循環(huán)在執(zhí)行期間都會使用這個會話簇來交換數據或訪問FPGA資源。 只要按下Stop按鈕或出現錯誤，所有的While循環(huán)都會停止運行，會話中的所有處理操作都會關閉。

可能的參數設置請查看項目的文檔，只要在LabVIEW Communications中創(chuàng)建一個LTE應用架構例程，即可獲得該文檔。 主機VI包含了七個主要的獨立循環(huán)，接下來會逐一說明。

圖17: Host Top-Level VI程序框圖

4. 結論

LabVIEW Communications LTE應用架構1.0提供了兩個在NI SDR硬件上運行的站點之間的實時802.11鏈路。此應用架構通過利用現有鏈路和只需修改或添加所需部分，可幫助用戶專心于特定領域的研究。

基于LabVIEW的靈活性和該框架的模塊化特性，用戶可輕松互換設計的某些部分，以便針對未來的無線系統(tǒng)開發(fā)新的算法除此之外，由于LabVIEW固有地連接了主機和FPGA，設計還可進行分區(qū)，以便充分利用FPGA的并行執(zhí)行功能和主機的計算性能。

此設計隨附的FPGA位文件提供了完整功能，并且可支持有或者無RF的測試模式。 此外，還可以使用外部RF設備，例如NI 5644R矢量信號收發(fā)器來仿真干擾現象和各種信道條件。

這個應用架構為無線研究和原型開發(fā)提供了豐富的起點。 立即下載LabVIEW Communications評估版： ，開始您的開發(fā)。

如有問題， 請發(fā)送電子郵件至 [email protected] 。

5. 縮略詞表3GPP?3rd?Generation Partnership Projects（第三代合作伙伴項目）?

ADC?Analog to digital converter（模數轉換器）?
AGC?Automatic Gain Control（自動增益控制）?
AP?Acess port（無線訪問節(jié)點）?
BLER?Block error rate(塊誤碼率)?
CFI?Control format indicator（控制格式指示）?
CFO?Carrier frequency offset（載波頻率偏置）?
CRC?Cyclic Redundancy Check（循環(huán)冗余校驗碼）?
CRS?Cell specific reference signals（小區(qū)專用參考信號）?
DAC?Digital to analog converter（數模轉換器）?
DC?Direct current（直流）?
DCI?Downlink control information（下行控制信息）?
DDC?Digital down conversion（數字下變頻）?
DL?Downlink（下行鏈路）?
DMA?Direct memory access（直接內存訪問）?
DUC?Digital up conversion（數字上變頻）?
EEPROM?Electrically erasable programmable read only memory（電可擦寫可編程只讀存儲器）?
FFT?fast Fourier transform（快速傅立葉變換）?
FIFO?First In First Out（先進先出）?
FIR?Finite impulse response（有限沖激響應）?
FPGA?Field Programmable Gate Arrays（現場可編程門陣列）?
HARQ?Hybrid automatic repeat request（混合自動重傳請求）?
IFFT?Inverse Fast Fourier Transform（快速傅立葉逆變換）?
IFO?Integer frequency offset（整數頻偏）?
I/Q?In phase / quadrature（同相/正交）?
LLR?Log-likelihood ratio（對數似然比）?
LSB?Least significant bit（最低有效位）?
LTE?Long term evolution（長期演進）?
MAC?Medium access control layer（媒體訪問控制層）?
MCS?Modulation and Coding Scheme（調制和編碼機制）?
MSB?Most significant bit（最高有效位）?
OFDM?Orthogonal Frequency Division Multiplexing（正交頻分復用）?
PBCH?Physical broadcast channel（物理廣播信道）?
PCFICH?Physical control format indicator channel（物理控制格式指示信道）?
PDCCH?Physical downlink control channel（物理下行控制信道）?
PDSCH?Physical downlink shared channel（物理下行共享信道）?
PHICH?Physical hybrid-ARQ indicator channel（物理混合ARQ指示信道）?
PHY?Physical Layer（物理層）?
PRB?Physical resource block（物理資源塊）?
PSS?Primary synchronization signal（主同步信號）?
QAM?Quadrature Amplitude Modulation（正交振幅調制）?
QPSK?Quadrature phase-shift keying（正交相移鍵控）?
RF?Radio frequency（射頻）?
RIO?Reconfigurable input / ouput（可重配置輸入輸出）?
RNTI?Radio network temporary identifier（無線網絡臨時標識）?
RX?Receive（接收）?
SDR?Software defined radio（軟件無線電）?
SSS?Secondary synchronization signal（輔同步信號）?
TB?Transport block（傳輸塊）?
TDD?Time division duplex（時分雙工）?
TPC?Transmit power control（發(fā)射功率控制）?
TX?Transmit（發(fā)射）?
UDP?User Datagram Protocol（用戶數據報協(xié)議）?
UE?User equipment（用戶終端）?
UERS?UEspecific reference signals（UE專用參考信號）?
UL?Uplink（上行鏈路）?
USRP?Universal software radio peripheral（通用軟件無線電外設）

6. 下一步

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