下行发射机系统及工作方法与流程

本发明涉及宽带移动通信领域，具体涉及下行发射机系统及工作方法。
背景技术：
：LTE(长期演进)系统包含两种双工方式，分别是FDD(频分双工)和TDD(时分双工)。频分双工的收发系统工作于不同频率，而时分双工的收发系统则工作于不同时间。其中，TD-LTE(时分双工长期演进)是目前移动通信领域最为热门的研究和应用方向之一，而TD-LTE物理层下行发射机系统是eNodeB(基站)到UE(终端)通信方向的基带信号处理过程，是TD-LTE基带系统的重要组成部分。现阶段，TD-LTE下行基带发射机系统复杂，成本高，因此对其结构进行优化以降低系统复杂度并节省硬件资源开销显得很有必要。根据3GPP(第三代合作伙伴计划)R9相关协议，对于两路码字、双天线的传统实现方案来说，两路码字首先分别进行加循环冗余校验和信道编码，再分别通过加扰和调制的处理，两根天线上的数据需要在预编码之后分别经过资源映射、OFDM(正交频分复用技术)信号产生模块的处理，因此两路码字双天线的下行发射机处理过程相当于两倍的一路码字单天线的下行开销。这种传统的并行结构资源开销大，并且并行处理两路码字在控制层非常复杂，在完成一路码字单天线传输时有较多浪费的空闲资源，尤其是在本发明所应用的项目开发中，其巨大的资源开销为FPGA(现场可编程门阵列)验证和VLSI(超大规模集成电路)实现带来一定挑战。因此，针对TD-LTE下行基带发射机VLSI实现的结构优化以降低链路复杂度并节省硬件资源开销显得很有必要。技术实现要素：(一)要解决的技术问题本发明的目的在于提供一种下行发射机系统及工作方法，以解决上述的至少一项技术问题。(二)技术方案本发明的一方面，提供了一种下行发射机系统，用于支持两路码字在双天线信道中的传输，包括：处理模块，用于对输入的两路码字进行一路码字方向的分时串行处理，得到码字串行数据流；层映射模块，用于对所述码字串行数据流进行分层处理，输出两层数据流；预编码模块，用于将所述两层数据流进行预处理并分配至不同天线端口；资源映射模块，用于将所述两层数据流进行存储、读取以及相加操作。进一步地，所述处理模块包含频率加倍的时钟模块；优选地，所述一路码字方向的分时串行处理为信道编码、加扰、调制和扩频复用。进一步地，所述层映射模块包括选择器和第一控制单元；所述处理模块输出的码字串行数据流通过所述选择器后，在所述第一控制单元的控制下，根据层映射的工作模式，进行分层处理，得到并输出两层数据流。进一步地，所述层映射模块有一个输入端和三种工作模式：一路码字单天线的单天线透传层映射、两路码字双天线的空间复用层映射、和一路码字双天线的发射分集层映射；其中，空间复用层映射和单天线透传层映射都为透传模式。进一步地，所述预编码模块包括：第二控制单元，用于根据预编码的三种模式进行预编码处理；SFBC编码器，用于完成SFBC编码的空间分集处理；两层数据流经过所述选择器和乘法器组后，通过两个天线输出。进一步地，所述预编码模块包括三种工作模式：一路码字单天线的单天线透传预编码、两路码字双天线的空间复用预编码和一路码字双天线的发射分集预编码，且分别与单天线透传层映射、空间复用层映射和发射分集层映射对应。进一步地，当层映射模块和预编码模块处于单天线透传模式和空间复用模式时，所述两层数据流为两层串行数据流；当层映射模块和预编码模块处于发射分集模式时，所述两层数据流为经过层映射模块串并转换的两层并行数据流。进一步地，所述资源映射模块包括：第三控制单元，用于控制所述资源映射模块内部的其他单元；存储器为时频资源的实体，用于按要求写入存储物理信道和物理信号的复值调制符号并读取输出；交织器在PDCCH进行资源映射前对PDCCH的QPSK复值调制符号做交织和循环移位，以降低复值调制符号的相关性；加法器组用于对输入天线端口的数据进行相加操作；读地址生成模块用于根据第三控制单元的请求生成读地址供存储器进行读出操作；写地址生成模块由一系列写地址生成子模块组成，用于产生各物理信道和物理信号的映射地址，供存储器进行写入操作。基于同一发明构思，本发明还提供了一种下行发射机系统的工作方法，用于支持两路码字在双天线信道中的传输，其特征在于，包括：S1、对输入的两路码字进行一路码字方向的分时串行处理，得到码字串行数据流；S2、对所述码字串行数据流进行分层处理，输出两层数据流；S3、将所述两层数据流进行预处理并分配至不同天线端口；S4、将所述两层数据流进行存储、读取以及相加操作。进一步地，当所述下行发射机系统处于发射分集模式时，所述两层数据流为经过串并转换的两层并行数据流；当所述下行发射机系统处于空间复用和透传模式时，所述两层数据流为两层串行数据流。(三)有益效果与传统下行发射机系统相比，本发明提供的下行发射机系统及工作方法具有以下有益效果：1、资源开销小、逻辑控制简单、通用性好且可扩展性强，支持下行所有信道传输，支持多种两路码字传输模式，同时兼容单天线传输模式，可广泛适用于两路码字双天线下行发射机系统。2、对相关模块进行改进和重新设计，使得并在实际电路中实现的方案，为LTE下行的实现提供了一种更为快捷有效准确的实现方式，有效的降低了下行系统的处理复杂度。3、从实现角度考虑了系统开销和实时性，具备很好的实用价值。4、本发明目前支持双天线，支持3GPPR9相关协议规定的全部两路码字传输模式，兼容单天线传输模式，可以扩展至四天线和多种传输模式，以实现针对特定系统应用场景的多种应用。附图说明图1为本发明实施例的下行发射机系统结构图；图2为本发明实施例的层映射模块硬件实现结构框图；图3为本发明实施例的预编码模块硬件实现结构框图；图4为本发明实施例的资源映射模块硬件实现结构框图；图5为本发明实施例的步骤流程图。具体实施方式针对现有下行发射机系统的问题，本发明提出并具体描述了一种下行发射机系统及其工作方法，并对其涉及的下行关键模块进行改进和重新设计，提出的方案资源开销小、逻辑控制简单、通用性好且可扩展性强，并在FPGA上得到实现，对基带芯片开发具有借鉴意义。本发明实施例提供了一种下行发射机系统，用于支持两路码字在双天线信道中的传输，包括处理模块、层映射模块、预编码模块和资源远射模块。处理模块，用于对输入的两路码字进行一路码字方向的分时串行处理，得到码字串行数据流；更进一步地，所述处理模块可以包含频率加倍的时钟模块，从而加倍处理模块的工作时钟频率。处理模块还可以包含编码、加扰、调制和扩频复用处理。层映射模块，用于对所述码字串行数据流进行分层处理，输出两层数据流；具体地，所述层映射模块包括选择器和第一控制单元；所述处理模块输出的码字串行数据流通过所述选择器后，在所述第一控制单元的控制下，根据层映射的工作模式，进行分层处理，得到并输出两层数据流。所述层映射模块有一个输入端和三种工作模式：一路码字单天线的单天线透传层映射、两路码字双天线的空间复用层映射、和一路码字双天线的发射分集层映射；其中，空间复用层映射和单天线透传层映射都为透传模式，输入数据透传给输出数据。预编码模块，用于将所述两层数据流进行预处理并分配至不同天线端口。具体地，所述预编码模块包括：第二控制单元，用于根据预编码的三种模式进行预编码处理；SFBC编码器，用于完成SFBC编码的空间分集处理；两层数据流经过所述选择器和乘法器组后，通过两个天线输出。所述预编码模块包括三种工作模式：一路码字单天线的单天线透传预编码、两路码字双天线的空间复用预编码和一路码字双天线的发射分集预编码，且分别与单天线透传层映射、空间复用层映射和发射分集层映射对应。资源映射模块，用于将所述两层数据流进行存储、读取以及相加操作。其中，当层映射模块和预编码模块处于单天线透传模式和空间复用模式，即两种透传模式时，所述两层数据流为两层串行数据流；当层映射模块和预编码模块处于发射分集模式时，所述两层数据流为经过层映射模块串并转换的两层并行数据流。具体地，所述资源映射模块包括：第三控制单元，用于控制所述资源映射模块内部的其他单元；存储器为时频资源的实体，用于按要求写入存储物理信道和物理信号的复值调制符号并读取输出；交织器在PDCCH进行资源映射前对PDCCH的QPSK复值调制符号做交织和循环移位，以降低复值调制符号的相关性；加法器组用于对输入天线端口的数据进行相加操作；读地址生成模块用于根据第三控制单元的请求生成读地址供存储器进行读出操作；写地址生成模块由一系列写地址生成子模块组成，用于产生各物理信道和物理信号的映射地址，供存储器进行写入操作。基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种下行发射机系统的工作方法，用于支持两路码字在双天线信道中的传输，包括：S1、对输入的两路码字进行一路码字方向的分时串行处理，得到码字串行数据流；S2、对所述码字串行数据流进行分层处理，输出两层数据流；S3、将所述两层数据流进行预处理并分配至不同天线端口；S4、将所述两层数据流进行存储、读取以及相加操作。更具体地，当所述下行发射机系统处于发射分集模式时，所述两层数据流为经过串并转换的两层并行数据流；当所述下行发射机系统处于空间复用和透传模式时，所述两层数据流为两层串行数据流。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。图1为本发明实施例的下行发射机系统结构图，如图1所示，该下行发射机系统主要包括处理模块、层映射模块、预编码模块和资源映射模块。处理模块，用于对输入的两路码字进行一路码字方向的分时串行处理，得到码字串行数据流；层映射模块，用于对所述码字串行数据流进行分层处理，输出两层数据流；预编码模块，用于将所述两层数据流进行预处理并分配至不同天线端口；资源映射模块，用于将所述两层数据流进行存储、读取以及相加操作，最终实现将物理信号与预编码模块输出的物理信道映射在对应天线段接口的时频资源上。其中，处理模块对两路码字先后经过信道编码、加扰、调制和扩频复用处理，得到码字串行数据流。下行发射机系统定义了四种信道编码方式：PBCH(物理广播信道)和PDCCH(物理下行控制信道)采用了咬尾卷积编码方式，即卷积编码器的初始状态和结束状态相同；PDSCH(物理下行共享信道)采用了Turbo编码；PHICH(物理HARQ指示信道)采用了重复编码，PCFICH(物理控制格式指示信道)采用了加扰编码的方式。加扰是为了降低不同小区之间的信号干扰，通过将干扰信号随机化，基站对发送的下行信号加扰后，终端只能对本小区的有用信号进行解扰和处理，从而降低临近小区信号间的干扰。在每个子帧上最多可以传输2个码字，对码字q∈{0，1}的每一个比特(其中为一个子帧中码字q所包含的二进制信息比特个数)通过下式生成加扰二进制数据位其中，cq(i)为伪随机序列，通过伪随机种子cinit进行初始化，各个物理信道和物理信号的伪随机种子从表1中选取。表1在双天线下行发射机中使用的调制方式有BPSK(二进制相移键控)，QPSK(四相相移键控)，16QAM(正交幅度调制)，64QAM。对于通过加扰模块之后的码字q二进制信息比特根据不同的物理信道和物理信号选择不同的调制方式，对应关系如表2所示。表2物理信道/信号调制方式PDSCHQPSK，16QAM，64QAMPDCCHQPSKPCFICHQPSKPBCHQPSKPHICHBPSKCRSQPSK根据下行系统结构，PHICH经过加扰、调制之后形成的3个BPSK符号通过正交沃什序列码进行扩频处理，进而获得频率分集增益；为了增加资源的利用率，TD-LTE中将多个PHICH组成一个PHICH组，同组内的PHICH使用相同的时频资源传输。因此，针对PHICH信道需要进行扩频和复用的操作，这便是扩频复用模块的功能。扩频操作所需要的正交沃什序列码字在表3中给出。复用操作可以将同组内的PHICH信道用加法操作实现。表3在不同信道的质量和用户数据业务量情况下，下行发射机系统最多可支持两个码字传输，码字数目不能超过层数。层映射可以将每个码字串行数据流转化为两层传输数据流，以便于进行预编码，然后再映射到不同天线端口p上。层映射实现了码字数据流的再次分配和重塑，以适应预编码模块所采用的预编码技术。具体实现中，层映射将各个码字的复值调制符号分配到层x(i)＝[x(0)(i)...x(υ-1)(i)]T上，其中q为码字号。由于下行发射机系统最多支持两个码字，所以q∈{0，1}；为码字q的复值调制符号个数；为层数据个数，v为层数，有0、1两层数据层。层映射模块的工作模式有三种，一路码字单天线的单天线透传层映射、两路码字双天线的空间复用层映射、和一路码字双天线的发射分集层映射；其中，空间复用层映射和单天线透传层映射都为透传模式。表4为两路码字、双天线层映射模式，如表4所示，表4对于串行结构，两路码字分时串行处理，因此层映射模块的输入仅有一个，因此上表中的前两种情况可以合并成一种透传模式，而对于第三种模式做串并转换的单独处理。具体地，当输入模式为一路码字单天线和两路码字双天线时，输入数据透传给输出数据，串行的一路码字转换成串行的两路数据层0和数据层1；当输入模式为一路码字双天线时，输入数据经过串并转换由串行的一路码字转换成并行的两路数据层0和数据层1。图2为本发明实施例的层映射模块硬件实现结构框图，如图2所示，层映射模块主要包括选择器、控制单元，码字串行数据流通过选择器后，在控制单元的控制下，根据层映射的三种模式，进行分层处理，得到两层数据流，最后两层输出层输出两层数据流。在下行发射机系统中，根据下行MIMO(多输入多输出)的传输方式，预编码模块可选择的方式包括单天线预编码、空间分集预编码和空间复用预编码。下行发射机系统的预编码模块对传输用户业务数据的信道使用空间复用方式的预编码方案。通过空间复用技术结合信道的状态保证发射机发射信号的空间特性和当前信道相匹配，从而有效的提高下行峰值数据，增大数据吞吐量。预编码模块对控制信道使用发射分集方式的预编码方案。发射分集是利用空间信道的弱相关性，结合时间/频率上的选择性，为信号的传递提供更多的副本，提高信号传输的可靠性，从而改善接收信号的信噪比。预编码模块的输入来自于层映射模块输出的各个层数据x(i)＝[x(0)(i)...x(υ-1)(i)]T，其输出为y(i)＝[...y(p)(i)...]T，y(p)(i)为天线端口p上的数据，为层数据的个数，为天线端口上数据的个数。预编码模块包括三种模式：一路码字单天线的单天线透传预编码、两路码字双天线的空间复用预编码和一路码字双天线的发射分集预编码，且分别与单天线透传层映射、空间复用层映射和发射分集层映射对应。发射分集预编码的实现：预编码采用SFBC编码方式，如下式所示，其中，y(0)(i)和y(1)(i)表示预编码处理后天线端口0和1上的数据，x(0)(i)和x(1)(i)表示层映射输出的层0和1上经过层映射模块串并转换的两层并行数据。空间复用预编码的实现：空间复用预编码包含闭环空间复用和开环空间复用。闭环空间复用预编码可以定义为下式。其中，W(i)为2×2的预编码矩阵，从2天线码本中选取。y(0)(i)和y(1)(i)表示预编码处理后天线端口0和1上的数据，x(0)(i)和x(1)(i)表示层映射输出的层0和1上的数据。开环空间复用预编码可以定义为下式。其中，W(i)是预编码矩阵，大小为2×2，从2天线码本中选取索引号为0的矩阵。D(i)表示循环延迟分集，为2×2的对角阵，U的大小也是2×2。D(i)和U从大延迟CDD的延迟矩阵中选取。统一式(3)和式(4)，空间复用预编码算法可以表示为下式。其中，N为2×2的矩阵，当表示开环空间复用时，N＝W(i)D(i)U；当表示闭环空间复用时，N＝W(i)。由于W(i)、D(i)和U根据与编码模块的输入模式均可提前获取，因此，N相当于已知量。此时，层映射模块处理为透传模式。因此，经过层映射模块处理后的数据与码字对应的关系表示如(6)和式(7)。x(0)(i)＝d(0)(i)(6)x(1)(i)＝d(1)(i)(7)其中，d(0)为码字0的数据，d(1)为码字1的数据。整理可得：令代入得：进一步计算得到：通过变换后，预编码得两层串行数据流，将码字0与码字1的处理分开，剥离出两者的加法操作，这样便不需要两个码字的数据同时到达，可以实现对两个码字的分时串行处理。接下来，令代入得到：图3为本发明实施例的预编码模块硬件实现结构框图，如图3所示，预编码模块主要由控制单元、SFBC编码器、乘法器组、加法器组和缓存等模块组成。控制单元用于控制整个预编码模块功能的正常运行。控制单元根据输入的预编码模式，将经过层映射模块处理的输入数据分情况进行预编码处理。当控制信息为透传模式时，预编码模块直接将输入透传给输出；当控制信息为空间复用预编码时，将输入的数据进行空间复用预编码处理；当控制信息为发射分集预编码时，将输入的数据进行发射分集预编码处理。SFBC编码器完成SFBC编码的空间分集处理。乘法器组、加法器组和缓存一起组成了预编码模块的空间复用预编码处理模式。在传统模式下，预编码模块将经过层映射之后串行而来的码字通过选择器进行分配，如果是码字0，则将其存入缓存中；如果是码字1，则直接将其送入乘法器与系数b和e相乘，同时将缓存中的码字0取出送入乘法器与系数a和c相乘。最后将结果分别送入加法器0和1进行加法操作，最终输出得到天线端口0和1上的数据。本发明的预编码模块去掉了缓存单元和最终的加法器，结构得到简化。码字0、码字1经过选择器分别乘以系数a、c和b、e，得到天线端口0和1上的中间变量和然后再经过选择器输出。码字间的加法操作将会被移植在随后的资源映射模块进行。下行发射机系统采用OFDMA(正交频分多址)。多址接入是指在远端共享固定的通信资源。对无线通信来说，共享的资源包括频率、时间和空间。在多用户通信系统中，有许多用户要同时通过一个基站和其他用户进行通信，这就需要一种技术既能够使基站从众多用户的信号中区分出是哪一个用户发来的信号，又能使用户识别出基站发出的信号中哪一个是发给自己的信号，解决这一问题的办法称为多址方式，它是无线通信的关键技术之一。下行发射机系统中的资源映射模块便是实现OFDMA的关键环节。资源映射将物理信号和预编码输出的物理信道按照各自的规则及时有效地映射在对应天线端接口的OFDM时、频二维资源(k，1)上。每个子帧内的第一个时隙作为起始位置，在一个可以使用的资源块内，按照时域优先的原则，即先在k方向映射，然后在l方向映射。下行发射机中资源映射模块需要处理的信号和信道包括CRS(小区专用参考信号)、PSS(主同步信号)、SSS(辅同步信号)、PHICH(物理HARQ指示信道)、PCFICH(物理控制格式指示信道)、PDCCH(物理下行控制信道)、PBCH(物理广播信道)、PDSCH(物理下行共享信道)。资源映射模块的主要功能是将各个物理信道和信号的复值调制符号映射到时频资源上。因此，用一块存储器作为时频资源的实体，这样资源映射模块的功能就抽象成对该存储器的写入/读出操作。由于需要支持八种数据映射模式，而各个数据映射地址之前又存在相互制约的关系，因此设计各个数据映射模式的地址生成模块和整个资源映射模块的控制单元成为该模块的难点。资源映射模块中特有的存储器资源可以作为分时串行处理两个码字所需的缓存。图4为本发明实施例的资源映射模块硬件实现结构框图，如图4所示，资源映射模块主要划分为五个部分，分别是交织器、存储器、控制单元、读地址生成模块以及写地址生成模块，各个模块相互独立，这种层次化的划分条理清晰，便于功能实现和协同管理。交织器的作用是在PDCCH进行资源映射前对PDCCH的QPSK复值调制符号做交织和循环移位，以降低复值调制符号的相关性。存储器作为TD-LTE时频资源的实体，按要求写入存储各个物理信道和物理信号的复值调制符号，并按要求进行读出输出。控制单元作为整个资源映射模块的总控制单元，其他几个独立的模块在此模块的协调下共同完成资源映射的过程。读地址生成模块接收控制单元的控制，当控制单元发出读请求时，按要求生成读地址供存储器做读出操作。写地址生成模块是一系列写地址生成子模块的集合，包括CRS、PSS、SSS、PBCH、PHICH、PCFICH、PDCCH和PDSCH的写地址生成子模块。各个子模块根据控制单元产生各物理信道和物理信号的映射地址，供存储器做写入操作。鉴于各个物理信道和物理信号的映射规则相互制约以及存储器写地址的获取具有实时性要求，写地址生成模块的设计是整个资源映射模块的难点所在。当层映射模块和预编码模块工作在发射分集模式时，资源映射模块的输入是预编码模块输出并行的天线端口0和1上的中间变量。当中间变量是由码字0产生时，将其写入对应天线的缓存；当中间变量为码字1时，将缓存中码字0的中间变量取出，与码字1的中间变量对应相加，此时的相加结果即为预编码的完整输出，完成预编码的操作，最后将此结果写入对应缓存，完成资源映射操作。由于需要处理两根天线上的并行数据，因此写地址生成模块、交织器、存储器中的缓存模块需要加倍以保证两根天线上的数据的并行处理。当层映射模块和预编码模块工作在空间复用或透传模式时，预编码模块输出串行的两层数据流至资源映射模块，进行存储、读取和相加，完成资源映射的操作。其中，预编码模块不仅实现了对两个码字的分时处理，同时节省了传统预编码模块的额外存储器开销以及一半的交织器开销。图5为本发明实施例的步骤流程图，用于支持两路码字在双天线信道中的传输，如图5所示，所述下行发射机系统的工作方法包括以下步骤：S1、对输入的两路码字进行一路码字方向的分时串行处理，得到码字串行数据流；S2、对所述码字串行数据流进行分层处理，输出两层数据流；S3、将所述两层数据流进行预处理并分配至不同天线端口；S4、将所述两层数据流进行存储、读取以及相加操作。其中，当所述下行发射机系统处于发射分集模式时，所述两层数据流为经过串并转换的两层并行数据流；当所述下行发射机系统处于空间复用和透传模式时，所述两层数据流为两层串行数据流。本设计采用基于AlteraStratixIV系列的EP4SGX530KH40C3FPGA芯片平台进行综合。系统采用的工作时钟频率为122.88MHz，调制符号位宽为16位，分别对传统和的空间复用预编码、资源映射模块进行综合并将其资源开销进行比较。结果如表5所示，表5从表中可以看出，改进后的实现结构相较传统实现结构在组合逻辑和寄存器逻辑开销上有略微减小，而存储器开销显著降低了16.4％。为验证设计的功能与性能，搭建了硬件验证平台，采用了Altera公司StratixIV系列的FPGA芯片EP4SGX230KF40C3，同时为下行发射机系统设计了基于AD9361芯片的射频系统，并设计了整体系统的测试软件，通过TD-LTE协议框架下多种业务层面的系统级测试项，完成了对该下行发射机系统的功能和性能的验证，系统指标完全满足协议36.141的测试指标要求。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3