點(diǎn)擊學(xué)習(xí)>>《龍哥手把手教你學(xué)LabVIEW視覺設(shè)計(jì)》視頻教程

LTE應(yīng)用架構(gòu)(Application Framework)根據(jù)LTE無線標(biāo)準(zhǔn)提供了立即可用、方便修改的實(shí)時(shí)物理層(PHY)和底層的媒體訪問控制層(MAC)參考設(shè)計(jì)。 LTE應(yīng)用架構(gòu)隨附于LabVIEW Communications系統(tǒng)設(shè)計(jì)套件(簡(jiǎn)稱LabVIEW Communications)中。

這個(gè)架構(gòu)提供了良好的起點(diǎn)，可幫助研究人員探索全新的算法和架構(gòu)來支持大幅增長的端點(diǎn)數(shù)量、發(fā)明全新的波形來完成信號(hào)調(diào)制/解調(diào)或者尋找全新的多天線架構(gòu)以充分利用無線媒介的自由度，從而找到改良LTE標(biāo)準(zhǔn)的方式。

LTE應(yīng)用架構(gòu)包含了使用 LabVIEW Communications開發(fā)而成的模塊化PHY和MAC塊。 此外經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可搭載強(qiáng)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(gè)架構(gòu)從底層開始設(shè)計(jì)，遵循LTE標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范，方便開發(fā)人員進(jìn)行修改。這個(gè)設(shè)計(jì)可讓無線研究人員根據(jù)LTE標(biāo)準(zhǔn)快速搭建實(shí)時(shí)原型開發(fā)實(shí)驗(yàn)室并根據(jù)LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)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(shè)計(jì)以及將其創(chuàng)新與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

1. LTE兼容規(guī)范

LTE應(yīng)用架構(gòu)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(jī)。 下行鏈路發(fā)射器與接收機(jī)各包含一個(gè)下列通道的FPGA實(shí)現(xiàn)：

主同步信號(hào)(PSS)

特定小區(qū)參考信號(hào)(CRS)

UE(用戶終端)用參考信號(hào)(UERS)

物理下行控制信道(PDCCH)

物理下行共享數(shù)據(jù)信道(PDSCH)

幀結(jié)構(gòu)具有以下固定配置：

20 MHz帶寬(100 PRBs)

常規(guī)循環(huán)前綴

幀結(jié)構(gòu)： TDD

TDD UL/DL配置： 5

特殊子幀配置： 5

Tx天線端口數(shù)量： 2個(gè)(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(hào)(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(hào)(PSS)僅于子幀1中傳輸。Cell-ID固定為0。

一旦啟用UERS，就會(huì)使用兩個(gè)可能的導(dǎo)頻位置(AP 7、8、11、13和AP 9、10、12、14)。 這樣一來編碼速率就會(huì)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(gè)比特代表了4個(gè)PRB。 0~28的MCS兼容LTE定義標(biāo)準(zhǔn)。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(huì)發(fā)射TPC值，而且不會(huì)應(yīng)用于接收機(jī)端。

根據(jù)此配置產(chǎn)生的資源網(wǎng)格如圖2所示。

圖1. PDCCH DCI格式

圖2. 使用的LTE資源網(wǎng)格

使用的自定義MAC數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖3所示。PDSCH傳輸塊大小是根據(jù)LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義。 主要取決于MCS和PRB Allocation參數(shù)。 用戶數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(n)取決于PDSCH傳輸塊大小的最小值(因數(shù)據(jù)包頭大小而減小)和payload主機(jī)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(bǔ)零)。

圖3: MAC數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

2. FPGA實(shí)現(xiàn)概述

這個(gè)LTE應(yīng)用架構(gòu)是以NI USRP-RIO數(shù)據(jù)流項(xiàng)目范例模板(NI USRP-RIO Streaming Sample Project Template)為基礎(chǔ)，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(shù)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(jī)和LTE eNB下行發(fā)射機(jī)的基帶物理層處理功能就會(huì)獨(dú)立地連接至數(shù)據(jù)流項(xiàng)目范例，成為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)物理層的基礎(chǔ)。 以下部分將詳細(xì)描述所有這些組件。

圖 4為LTE應(yīng)用架構(gòu)的架構(gòu)。 陰影模塊代表 FIFO。 藍(lán)色模塊代表終端范圍的FIFO，綠色模塊是直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)FIFO，能夠在FPGA和主機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。

圖4: NI USRP-RIO的LTE應(yīng)用架構(gòu)架構(gòu)

2.1. 下行鏈路接收機(jī)
下行鏈路接收機(jī)的功能分散在五個(gè)循環(huán)內(nèi)，如圖5所示。ADC對(duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行采樣，然后信號(hào)通過數(shù)字下變頻(Digital Downconversion)模塊傳輸，以進(jìn)行修正和采樣率轉(zhuǎn)換。 接著無線幀同步(Radio Frame Synchronization)模塊負(fù)責(zé)LTE幀結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和時(shí)序校準(zhǔn)。 FFT循環(huán)包含F(xiàn)FT變換(FFT Conversion)模塊，可將采樣點(diǎn)從時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域。 FFT循環(huán)也會(huì)根據(jù)小區(qū)專用參考信號(hào)(CRS)與UE專用參考信號(hào)(UERS)執(zhí)行信道估算與均衡。 除此之外，資源逆映射器會(huì)從1200個(gè)已用的載波中提取頻域載波數(shù)據(jù)。 并且使用物理通道標(biāo)志來標(biāo)示載波數(shù)據(jù)。 標(biāo)記為PDCCH且經(jīng)過CRS均衡的QA符號(hào)會(huì)傳輸?shù)絇DCCH接收機(jī)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(huì)根據(jù)根據(jù)接收機(jī)的設(shè)置，采用CRS或UERS均衡數(shù)據(jù)來解碼用戶數(shù)據(jù)。 以下部分進(jìn)一步介紹了圖5的每個(gè)模塊。

圖5: 下行鏈路接收機(jī)的程序框圖

2.1.1. 數(shù)字下變頻和RF減損修正
LTE應(yīng)用架構(gòu)中的數(shù)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(hào)中的I/Q減損，從而允許中心頻率微調(diào)，使得ADC滿足LTE標(biāo)準(zhǔn)采樣率要求，即30.72 MS/s。DDC可通過主機(jī)進(jìn)行配置。 I/Q失衡修正采用的系數(shù)來自于制造過程，并且儲(chǔ)存于設(shè)備的EEPROM內(nèi)。 DDC不會(huì)根據(jù)溫度進(jìn)行調(diào)整。

LTE應(yīng)用架構(gòu)內(nèi)的DDC還包含一個(gè)直流抑制(DC Suppression)模塊，可補(bǔ)償直流偏置。 該模塊采用一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)塊來消除平均直流偏置。

該數(shù)據(jù)塊平均有32,768個(gè)采樣點(diǎn)，以定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型1.15進(jìn)行計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果會(huì)和當(dāng)前修正值進(jìn)行比較。 根據(jù)比較結(jié)果，每次計(jì)算平均值后LSB修正值就會(huì)增加或減少。絕對(duì) 修正值范圍為±0.2。

圖6: 數(shù)字下變頻程序框圖

2.1.2. 無線幀同步
DDC循環(huán)數(shù)據(jù)可以使用FIFO傳輸至同步(Synchronization)循環(huán)。 這個(gè)模塊的主要目的在于對(duì)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?shù)男畔ⅰ?/p>

同步是通過連續(xù)測(cè)量自動(dòng)校正與互相關(guān)來實(shí)現(xiàn)。 LTE信號(hào)包含主同步信號(hào)(PSS)，使用兩個(gè)FIR濾波器計(jì)算互相關(guān)即可檢測(cè)到此信號(hào)。 該運(yùn)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(cè)到峰值。 通過一個(gè)校驗(yàn)單元來檢查峰值振幅比互相關(guān)平均能量高出8倍。 此外，峰值距離必須少于5個(gè)采樣點(diǎn)。

同時(shí)，自動(dòng)校正會(huì)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(dòng)校正值。 將該值除以能量值即可得到歸一化的值。 如果32個(gè)以上的采樣點(diǎn)超過特定的閾值，而且距離上一個(gè)峰值超過2,160個(gè)采樣點(diǎn)，就會(huì)在最高振幅檢測(cè)到峰值。

無線幀同步模塊的執(zhí)行另一個(gè)功能是測(cè)量與補(bǔ)償載波頻率偏置(CFO)。 整數(shù)頻偏(IFO)估計(jì)模塊可以比較兩項(xiàng)相關(guān)性的峰值位置，估算載波頻偏(CFO)的整數(shù)部分。 所需的頻率漂移總量取決于CFO的整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分，這兩個(gè)部分根據(jù)自動(dòng)校正峰值的相位計(jì)算而得。 進(jìn)行同步時(shí)，頻率漂移量僅會(huì)應(yīng)用在無線幀的起始部分。 分?jǐn)?shù)部分乘以主機(jī)設(shè)置的ff_CFO值可避免漂移過多而導(dǎo)致的帶噪估算。 也可通過主機(jī)將CFO值設(shè)為靜態(tài)值。

連續(xù)檢測(cè)到多個(gè)PSS信號(hào)并完成IFO估算后，時(shí)序校準(zhǔn)(Timing Adjustment)模塊就會(huì)計(jì)算無線幀的起始位置。 無線幀校準(zhǔn)(Radio Frame Alignment)模塊會(huì)使用此位置將經(jīng)過時(shí)序校準(zhǔn)的整個(gè)無線幀傳送至后續(xù) FFT循環(huán)。 可使用時(shí)序高級(jí)控制功能來設(shè)置采樣點(diǎn)的數(shù)量，接收機(jī)會(huì)將該設(shè)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(huì)確認(rèn)采樣點(diǎn)的至少一個(gè)無線幀無效，這些無效幀不會(huì)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)會(huì)從無線幀同步循環(huán)傳輸至FFT變換循環(huán)，所以進(jìn)行FFT變換之前已經(jīng)完成同步。 此循環(huán)會(huì)執(zhí)行快速傅立葉變換(FFT)，把數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，并且會(huì)根據(jù)LTE資源網(wǎng)格標(biāo)記采樣點(diǎn)，并將采樣點(diǎn)分布至信道接收機(jī)循環(huán)， 如圖10所示。

剛開始的時(shí)候，Throttle Control模塊會(huì)連續(xù)檢查輸入采樣點(diǎn)FIFO的填充狀態(tài)，并且在達(dá)到所需的最小值時(shí)觸發(fā)Read Strobe。 此過程可確保連續(xù)處理每個(gè)OFDM碼元的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。 之后，通過確認(rèn)第一個(gè)輸入采樣點(diǎn)無效來去除采樣點(diǎn)的循環(huán)前綴。 剩下2,048個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)發(fā)送至Xilinx FFT。 之后資源映射器就會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)的通道來標(biāo)記采樣點(diǎn)，從而生成每個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)序信息和資源網(wǎng)格。 資源映射主要是根據(jù)LTE規(guī)格所述的固定幀結(jié)構(gòu)配置來實(shí)現(xiàn)。 所有后續(xù)模塊都會(huì)結(jié)合每個(gè)LTE信道的元素使用這個(gè)布爾簇來判斷采樣點(diǎn)是否相關(guān)。