面向3G LTE基站设计的预处理解决方案

作者：温得敏、Jorg Kohlschmidt　　单位：赛灵思　　转载： 　　发布时间：2008-11-27

1. 引言

长期演进(LTE) [1]蜂窝标准是3GPP 3G演进的两个组成部分之一，另外一个是HSPA演进。如图1.0所示。LTE无线接入网络(RAN)规范被安排在 2008年初完成，随后，一致性测试规范预计在2008年8月准备就绪。图1.0 3GPP向 UMTS的演化路线
LTE有许多目标[2]，LTE的重点是在整个10年期间内超越UMTS而满足无线用户的各种需要。这包括降低无线用户以及网络运营商的成本；另一方面，以服务差异化的形式提供更佳的各种服务，同时提供更低的延时并提高数据速率。

以服务差异化的形式所提供的各种更佳服务可以通过基于QOS概念的链路自适应来实现。在LTE中，链路自适应超越HSDPA能够提供什么，尽管HSDPA能够在时域上提供链路自适应以响应不断变化的信道条件，但是，LTE也能够提供频率自适应。

在数据速率领域，LTE预期提供100Mbps的峰值下行链路(DL)速率以及50Mbps的峰值上行链路(UL)速率，分别提供5bit/s/Hz和2.5bit/s/Hz的频谱效率，这可以利用OFDM与补充的MIMO技术来实现。较低的延时通过扁平的网络架构来实现。所采用的网络架构基于IP(Internet Protocol)以及更短的PHY处理时间，如图2.0所示，另外还具有在LTE的eNodeB(eNB)中实现的各种更高层功能。与UMTS相比，LTE网络架构把沿着数据路径的节点数量从4减少至2。
 图2.0 经演化的UTRAN 概观
2. LTE的关键要素

对于上行链路来说，LTE无线接入将基于单载波频分多址(SC-FDMA)[5]。SC-FDMA波形所具有的良好的峰值与平均功率比(PAPR)推动上行链路采用SC-FDMA。利用较低的PAPR，射频功率放大器（RFPA）的操作可以获得更高的效率，从而使手机的电池寿命更长。对于下行链路来说，可以采用经典的OFDMA方案。

除了调制之外，另外一个关键要素就是依赖于调度的信道条件的可用性。这容许在共享信道中的时频资源在用户之间动态共享。调度间隔—正如间接提到的—是基于1ms的时分以及180KHz的频分。同样地，在MAC层的调度器的实现是确保下行链路性能的关键要素，因为它决定每一个链路所采用的速率。像存在于MAC层的HSDPA混合ARQ一样，要以多个并行停止和等待ARQ处理的形式采用软组合。混合ARQ方案是基于针对再次发射的增量冗余(IR)，除了上述关键要素之外，LTE将把多天线支持作为该规范不可分割的组成部分。接收和发射分集方案、波束形成以及空间复用都将得到支持。

LTE系统的目标之一就是，它需要允许从2G/3G向LTE的灵活升级。正因为如此，跨越1.25 MHz至20MHz的灵活的频谱分配要可用，且LTE系统应该能够在450 MHz到2.6GHz之间工作。换言之，LTE规范的带宽是不可知的(Bandwidth agnostic) 。

另一点值得一提的是，与UMTS不同，LTE提供FDD/TDD组合和TDD方案、基于单一OFDMA无线接入技术的。TDD方案被称为帧结构2，支持与TD-SCDMA的共存。

3. LTE 物理层的关键要素

LTE在利用通用无线接入技术的10ms无线帧的基础上提供两类帧结构。这两类帧结构分别是被称为类型1的FDD/半FDD以及被称为类型2的TDD，它们均基于10ms的无线帧，每一无线帧具有20个时隙，每个时隙占用0.5ms。类型2帧结构被提供为与TD-SCDMA共存，如图3.0所示。注意，TD-SCDMA帧结构在5ms的子帧内具有10个时隙。这10个时隙当中的3个—DwPTS、GP和UpPTS—是专用时隙，它们在LTE帧结构类型2中被复制。

图3.0 TDD 类型 2 帧结构
在时域和频域中提供链路自适应的LTE系统的核心能力就是针对下行链路采用OFDMA方案。这意味着下行链路物理资源是根据一个OFDM子载波以及一个OFDM符号周期来定义的，这就被称为资源要素(RE)。总数84个RE构成一个资源模块(RB)，这个资源模块由具有7个OFDM符号的一个时隙(0.5ms)周期上的12个子载波组成。正因为如此，下行链路传输信号根据如图4.0所描绘的资源栅格(RG)被定义为每一个用户拥有对应于两个时隙(1ms)的两个RE。
图4.0用于LTE的下行链路资源栅格
表1.0所描述的关键物理层参数是所分配的频率带宽的函数。表1.0 DL物理层关键参数
 4. LTE基带处理的重要特征

针对Tx和Rx的下行链路物理层如图3.0所示。注意，它可以被分解为两类处理，即符号率处理和采样率处理。从图3.0可见，与基于WCDMA的UMTS标准相比，符号率处理比较简单。

 图5.0 3GPP LTE 下行链路处理
正如在UMTS中一样，LTE基站设计所面临的挑战在于上行链路的处理。在LTE的情形下，这进一步结合了短的处理时间要求，以实现较低的延时，与此同时，在Node B具有较之于RNC更高层的功能。

在这一节我们将从微观和宏观两个方面回顾各种挑战以及解决方案。

在微观层面，特别是对于如图6.0所示的上行链路信号链来说，LTE延迟预算主要由HARQ往返的8ms延时来定义，也就是说，最初传输与再次传输之间的时间。要考虑两倍1ms的一次传输时间，刚好把6ms留给发送和接收数据。那意味着LTE上行链路处理必须在3ms以内满足由下列功能提出的延迟预算。它们分别是：

• 信道估计延迟；

• 解调；

• 速率匹配和IR组合；

• 透平(Turbo)解码；

• MAC/RLC处理；

• UL/DL时间偏移量。
 图 6.0 LTE 上行链路信号链
假定需要短的处理时间，因此，至关重要的是诸如iDFT这样的、在SC-FDMA解调中所使用的重要模块，以及透平解码必须在尽可能最短的时间内完成。赛灵思提供IP核解决方案，使基站设计工程师能够达到iDFT以及透平解码(Turbo Decoding)应用的目标。

以如图7.0所示的iDFT处理为例，经过信道估值，在最坏情形下iDFT处理可用的最大处理时间是40us。赛灵思的iDFT解决方案使所有12的倍数的点长具有由2、3和5构成的素因子，能够满足处理时间的要求。除了FFT/iFFT之外—两个处理用DSP或FPGA均有效，在FPGA中做iDFT有明显的优势，因为DSP的比特反向寻址仅仅适合于基数2。类似地，为了有效地并行实现解码，赛灵思面向具有QPP交织器的LTE的透平解码IP核，利用400MHz的时钟速度对如图8.0所示的最大代码模块长度进行8次迭代的情形仅仅花40us的解码时间。
  图7.0 LTE 上行链路 iDFT处理要求


 图8.0赛灵思透平解码器的性能与模块大小及处理单元数量的比较
因为对满足上行链路处理要求有着更大的影响，你必须考虑宏观层面的基站设计，也就是说，如何对基站的基带设计进行划分。目前，基站供应商可以采用FPGA作为协处理器以执行透平编码来满足吞吐量要求。作为iDFT或RACH预检测的其它相关模块如图9.0所示。
  图9.0 FPGA 作为用于LTE的协处理器
然而，在这里存在的挑战在于因FPGA和DSP之间的互连引起的延迟。我们将采用一个基于常用的SRIO接口的上行链路例子来证明，这个例子具有下列参数：

• 10 MHz带宽、短CP、单一扇；

• 无重发；

• 4 HARQ处理；

• 无空间复用；

• 基于估计的透平解码持续时间；

• SRIO: 3.125 Gb、1x通道、8/10编码、每个拾取器25比特开销；

• 针对DDR2存储器、200 MHz、32比特只读的传输时间。

如表2.0中所示为对不同服务—远远好于最坏的情形—进行计算的例子，其中，包括必须不超过1000us总时间的编码时间以及sRIO传输的延迟。
 表2.0 上行链路处理时间例子
从上表我们可以总结如下：

• 在SRIO传输中发生了重大的延迟；

• 需要并行实现透平编码。

这里的主要问题在于，延时和数据速率要求特别地给利用单一SRIO链路的协处理方法带来了挑战，因为对于20MHz带宽的情形它招致高达400us的延迟，这已经是可用处理时间的40%。

为了解决延迟问题，最好采用基于FPGA的预处理方法来取代FPGA作为协处理器方法。这意味着需要在FPGA中实现完整的PHY层处理，而DSP处理器担当控制器并完成更高层的各种功能。如图10.0所示。利用对DSP处理器的预处理方法，DSP处理器会取代网络处理器或把网络处理器功能减少至仅仅做集中的PDCP处理以及回程接口。采用这一方法的另一个优势就是FPGA可以被用于MAC加速功能以补偿在DSP上存在的低控制代码性能。另外的方法就是采用FPGA作为对网络处理器的预处理器，如图11.0所示。
  图10.0 利用DSP架构实现的FPGA预处理

 图11.0 利用网络处理器架构实现的FPGA预处理
总而言之，这两种方法除了克服延迟问题之外，具有若干优势，如为将来规范的各种变化做好准备。

5. Xilinx LTE基带参考解决方案

赛灵思最近在巴塞罗纳举行的Mobile World Congress 2008上演示了面向PDSCH的、符合3GPP LTE 标准的LTE基带下行链路解决方案。

该参考解决方案由各种相关的赛灵思LTEIP核组成，包括透平编码/解码、速率匹配、具有循环前缀插入以及QAM映射器和去映射器的FFT/iFFT。该参考解决方案的下行发送和接收链如图5.0所示。这一参考解决方案也适合对面向LTE的、业已开发完成的各种IP核[3]提供系统级验证。

在高于10MHz的带宽上，赛灵思成功地演示了远远高于100Mbps的视频流。这一成功的演示所采用的面向视频流的参考应用，是基于运行在一台个人电脑主机上的开放源视频局域网服务器(VideoLanServer)。LTE基带参考解决方案位于两个最近发布的ML507板上。每一块板通过千兆位以太网链路与主PC通信。由主PC发出的UDP数据包首先由三态以太网MAC模块(TEMAC)处理，随后经过轻量IP堆栈(LWIP)，才进入LTE基站参考解决方案的发射(TX)模块。来自TX模块的I/Q数据通过用于处理的Aurora链路，被输出至具有LTE接收(RX)功能链的另一块ML507板上。

图12.0显示了在MWC 2008上的设置，而图13.0描绘了赛灵思LTE基带参考设计演示平台的各个模块。
 图12.0 赛灵思LTE基带参考设计演示
随着LTE基带参考设计的发布，赛灵思再次证明了在无线解决方案领域的领导地位，并进一步致力于支持基站供应商开发满足更高比特率、更低延迟以及更高灵活性（由于目前LTE标准的不断演进，这一点特别重要）的LTE解决方案。
  图13.0 赛灵思LTE基带参考设计系统结构图
参考文献

[1] 3GPP TS 36.104 V8.0.0 (2007-12), E-UTRA Basestation Radio Transmission and Reception
[2] “Technical Solutions for the 3G Long-Term Evolutions”, Hannes Ekstrom et al., IEEE Communication Magazine, March 2006
[3] “Implementing the Next Generation of Wireless Standards using Virtex-5 FXT”, Rob Payne, Xilinx Xcell magazine, 2008
[4] “3G Evolution, HSPA and LTE for Mobile Broadband”, Erik Dahlman et al.,ELSEVIER, 2007
[5] “Single Carrier FDMA for Uplink Wireless Transmission”, Hyung G.Myung et. Al., IEEE Vehicular Technology, Magazine, September 2006,page 30

作者介绍：温得敏博士，IEEE高级会员，赛灵思公司无线基础设施垂直市场系统架构师；Jorg Kohlschmidt, 赛灵思公司无线基础设施垂直市场系统架构师。