NI LabVIEW Communications LTE应用架构以及程序测试结果和分析

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LTE应用架构(ApplicaTIon Framework)根据LTE无线标准提供了立即可用、方便修改的实时物理层(PHY)和底层的媒体访问控制层(MAC)参考设计。 LTE应用架构随附于LabVIEW CommunicaTIons系统设计套件(简称LabVIEW CommunicaTIons)中。

这个架构提供了良好的起点，可帮助研究人员探索全新的算法和架构来支持大幅增长的端点数量、发明全新的波形来完成信号调制/解调或者寻找全新的多天线架构以充分利用无线媒介的自由度，从而找到改良LTE标准的方式。

LTE应用架构包含了使用 LabVIEW CommunicaTIons开发而成的模块化PHY和MAC块。 此外经过特殊设计，可搭载强大的Xilinx Kintex-7 FPGA与Intel x64通用处理器，这两者均紧密集成了NI软件无线电(SDR)硬件的RF与模拟前端装置。

这个架构从底层开始设计，遵循LTE标准主要规范，方便开发人员进行修改。这个设计可让无线研究人员根据LTE标准快速搭建实时原型开发实验室并根据LTE标准进行运行。 他们还可以按照自己的想法专注于协议的特定部分、轻松修改设计以及将其创新与现有标准进行比较。

1. LTE兼容规范

LTE应用架构包含了符合3GPP-LTE版本10的下行链路发射器与下行链路接收机。 下行链路发射器与接收机各包含一个下列通道的FPGA实现：

主同步信号(PSS)

特定小区参考信号(CRS)

UE(用户终端)用参考信号(UERS)

物理下行控制信道(PDCCH)

物理下行共享数据信道(PDSCH)

帧结构具有以下固定配置：

20 MHz带宽(100 PRBs)

常规循环前缀

帧结构： TDD

TDD UL/DL配置： 5

特殊子帧配置： 5

Tx天线端口数量： 2个(仅Antenna Port 1用于信道估算与均衡)

不提供下列信道：

辅同步信号(SSS)

物理控制格式指示信道(PHICH)

物理混合ARQ指示信道(PCFICH)

物理广播信道(PBCH)

主同步信号(PSS)仅于子帧1中传输。Cell-ID固定为0。

一旦启用UERS，就会使用两个可能的导频位置(AP 7、8、11、13和AP 9、10、12、14)。 这样一来编码速率就会大于1，无法使用MCS 28。

只能使用PDCCH格式1 (CFI = 1)。 DCI是专用格式，如图1所示。PRB Allocation字段的每个比特代表了4个PRB。 0~28的MCS兼容LTE定义标准。由于不包含HARQ处理功能，所以不支持MCS 29、30、31。 由于目前版本没有反馈信道，因此仅会发射TPC值，而且不会应用于接收机端。

根据此配置产生的资源网格如图2所示。

图1. PDCCH DCI格式

图2. 使用的LTE资源网格

使用的自定义MAC数据包结构如图3所示。PDSCH传输块大小是根据LTE标准进行定义。 主要取决于MCS和PRB Allocation参数。 用户数据字节数(n)取决于PDSCH传输块大小的最小值(因数据包头大小而减小)和payload主机到终端FIFO的按字节填充状态。 剩下的传输块比特由0填充(补零)。

图3: MAC数据包结构

2. FPGA实现概述

这个LTE应用架构是以NI USRP-RIO数据流项目范例模板(NI USRP-RIO Streaming Sample Project Template)为基础，该模板包含了ADC和DAC接口的基本逻辑，可执行必要的RF减损修正、数字上/下变频以及前端装置的配置。 随后用于LTE UE下行接收机和LTE eNB下行发射机的基带物理层处理功能就会独立地连接至数据流项目范例，成为实现实时物理层的基础。 以下部分将详细描述所有这些组件。

图 4为LTE应用架构的架构。 阴影模块代表 FIFO。 蓝色模块代表终端范围的FIFO，绿色模块是直接存储器访问(DMA)FIFO，能够在FPGA和主机之间传输数据。

图4: NI USRP-RIO的LTE应用架构架构

2.1. 下行链路接收机
下行链路接收机的功能分散在五个循环内，如图5所示。ADC对接收到的射频信号进行采样，然后信号通过数字下变频(Digital Downconversion)模块传输，以进行修正和采样率转换。 接著无线帧同步(Radio Frame Synchronization)模块负责LTE帧结构的检测和时序校准。 FFT循环包含FFT变换(FFT Conversion)模块，可将采样点从时域转换至频域。 FFT循环也会根据小区专用参考信号(CRS)与UE专用参考信号(UERS)执行信道估算与均衡。 除此之外，资源逆映射器会从1200个已用的载波中提取频域载波数据。 并且使用物理通道标志来标示载波数据。 标记为PDCCH且经过CRS均衡的QA符号会传输到PDCCH接收机中， 并且解码下行控制信息(DCI)，其中包含了解码物理下行共享信道(PDSCH)所需的必要信息。 PDSCH解码器最后会根据根据接收机的设置，采用CRS或UERS均衡数据来解码用户数据。 以下部分进一步介绍了图5的每个模块。

图5: 下行链路接收机的程序框图

2.1.1. 数字下变频和RF减损修正
LTE应用架构中的数字下变频(Digital Downconversion，DDC)模块和NI USRP-RIO Streaming Project Template的DDC模块很相似。 如图6所示，此模块可修正基频信号中的I/Q减损，从而允许中心频率微调，使得ADC满足LTE标准采样率要求，即30.72 MS/s。DDC可通过主机进行配置。 I/Q失衡修正采用的系数来自于制造过程，并且储存于设备的EEPROM内。 DDC不会根据温度进行调整。

LTE应用架构内的DDC还包含一个直流抑制(DC Suppression)模块，可补偿直流偏置。 该模块采用一个采样点数据块来消除平均直流偏置。

该数据块平均有32,768个采样点，以定点数据类型1.15进行计算。 计算结果会和当前修正值进行比较。 根据比较结果，每次计算平均值后LSB修正值就会增加或减少。绝对 修正值范围为±0.2。

图6: 数字下变频程序框图

2.1.2. 无线帧同步
DDC循环数据可以使用FIFO传输至同步(Synchronization)循环。 这个模块的主要目的在于对齐LTE无线帧的帧头。 此外该模块也可确保仅提供完整的无线帧给后面的处理块。 无线帧同步(Radio Frame Synchronization)模块的组成如图7所示。窄箭头代表控制流，长方形则代表所传输的信息。

同步是通过连续测量自动校正与互相关来实现。 LTE信号包含主同步信号(PSS)，使用两个FIR滤波器计算互相关即可检测到此信号。 该运算在采样率降至1.92 MS/s的情况下执行。 在最高振幅即可检测到峰值。 通过一个校验单元来检查峰值振幅比互相关平均能量高出8倍。 此外，峰值距离必须少于5个采样点。

同时，自动校正会以完整的采样率执行，位于OFDM码元边界。 只要把延迟共轭乘以累积值，即可算出自动校正值。 将该值除以能量值即可得到归一化的值。 如果32个以上的采样点超过特定的阈值，而且距离上一个峰值超过2,160个采样点，就会在最高振幅检测到峰值。

无线帧同步模块的执行另一个功能是测量与补偿载波频率偏置(CFO)。 整数频偏(IFO)估计模块可以比较两项相关性的峰值位置，估算载波频偏(CFO)的整数部分。 所需的频率漂移总量取决于CFO的整数部分和分数部分，这两个部分根据自动校正峰值的相位计算而得。 进行同步时，频率漂移量仅会应用在无线帧的起始部分。 分数部分乘以主机设置的ff_CFO值可避免漂移过多而导致的带噪估算。 也可通过主机将CFO值设为静态值。

连续检测到多个PSS信号并完成IFO估算后，时序校准(Timing Adjustment)模块就会计算无线帧的起始位置。 无线帧校准(Radio Frame Alignment)模块会使用此位置将经过时序校准的整个无线帧传送至后续 FFT循环。 可使用时序高级控制功能来设置采样点的数量，接收机会将该设置值切分为循环前缀。

如果PSS或OFDM峰值丢失，IFO估算(IFO Estimation)模块就会确认采样点的至少一个无线帧无效，这些无效帧不会转发至FFT循环。

图7: 无线帧同步的程序框图

2.1.3. FFT变换
数据会从无线帧同步循环传输至FFT变换循环，所以进行FFT变换之前已经完成同步。 此循环会执行快速傅立叶变换(FFT)，把数据从时域转换成频域，并且会根据LTE资源网格标记采样点，并将采样点分布至信道接收机循环， 如图10所示。

刚开始的时候，Throttle Control模块会连续检查输入采样点FIFO的填充状态，并且在达到所需的最小值时触发Read Strobe。 此过程可确保连续处理每个OFDM码元的采样点数据。 之后，通过确认第一个输入采样点无效来去除采样点的循环前缀。 剩下2,048个采样点会发送至Xilinx FFT。 之后资源映射器就会根据对应的通道来标记采样点，从而生成每个采样点的时序信息和资源网格。 资源映射主要是根据LTE规格所述的固定帧结构配置来实现。 所有后续模块都会结合每个LTE信道的元素使用这个布尔簇来判断采样点是否相关。