NI LabVIEW Communications LTE應用架構以及程序測試結果和分析

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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系統設計套件(簡稱LabVIEW Communications)中。

NI LabVIEW Communications LTE應用架構

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標準主要規范，方便開發人員進行修改。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議的特定部分、輕松修改設計以及將其創新與現有標準進行比較。

1. LTE兼容規范

LTE應用架構包含了符合3GPP-LTE版本10的下行鏈路發射器與下行鏈路接收機。下行鏈路發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)

常規循環前綴

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的按字節填充狀態。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循環也會根據小區專用參考信號(CRS)與UE專用參考信號(UERS)執行信道估算與均衡。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循環數據可以使用FIFO傳輸至同步(Synchronization)循環。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值設為靜態值。

連續檢測到多個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 FFT循環。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至FFT循環。

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傳輸至FFT變換循環，所以進行FFT變換之前已經完成同步。此循環會執行快速傅立葉變換(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，如圖10所示。

剛開始的時候，Throttle Control模塊會連續檢查輸入采樣點FIFO的填充狀態，并且在達到所需的最小值時觸發Read Strobe。此過程可確保連續處理每個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前綴。剩下2,048個采樣點會發送至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規格所述的固定幀結構配置來實現。所有后續模塊都會結合每個LTE信道的元素使用這個布爾簇來判斷采樣點是否相關。

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