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LTE應用架構(Application Framework)根據(jù)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(shù)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(jīng)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(jù)LTE標準快速搭建實時原型開發(fā)實驗室并根據(jù)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(xiàn)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(xiàn)：

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(shù)據(jù)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(shù)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(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)包結構如圖3所示。PDSCH傳輸塊大小是根據(jù)LTE標準進行定義。 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(shù)據(jù)包結構

2. FPGA實現(xiàn)概述

這個LTE應用架構是以NI USRP-RIO數(shù)據(jù)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(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(shù)據(jù)流項目范例，成為實現(xiàn)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(shù)據(jù)。

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(shù)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F(xiàn)FT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(jù)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(shù)據(jù)。 并且使用物理通道標志來標示載波數(shù)據(jù)。 標記為PDCCH且經(jīng)過CRS均衡的QA符號會傳輸?shù)絇DCCH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(jù)根據(jù)接收機的設置，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(shù)字下變頻和RF減損修正
LTE應用架構中的數(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(shù)來自于制造過程，并且儲存于設備的EEPROM內。 DDC不會根據(jù)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(shù)據(jù)塊來消除平均直流偏置。

該數(shù)據(jù)塊平均有32,768個采樣點，以定點數(shù)據(jù)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(jù)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(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?shù)男畔ⅰ?/p>

同步是通過連續(xù)測量自動校正與互相關來實現(xiàn)。 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(shù)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(shù)部分。 所需的頻率漂移總量取決于CFO的整數(shù)部分和分數(shù)部分，這兩個部分根據(jù)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(shù)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(jīng)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(shù)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(shù)據(jù)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(jīng)完成同步。 此循環(huán)會執(zhí)行快速傅立葉變換(FFT)，把數(shù)據(jù)從時域轉換成頻域，并且會根據(jù)LTE資源網(wǎng)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(shù)據(jù)。 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(jù)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(wǎng)格。 資源映射主要是根據(jù)LTE規(guī)格所述的固定幀結構配置來實現(xiàn)。 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。