LTE系统中Turbo码速率匹配的研究

码速率匹配的研究薛培芝*作者简介：薛培芝，（1987-），男，山西人，北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生，主要从事无线通信物理层技术及应用研究.E-mail:[e-mail]（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876）摘要：多速率方案是蜂窝移动通信系统中的关键性问题，而速率匹配则是多速率方案的核心算法。速率匹配机制有效地满足了不同业务的QoS要求，使得不同速率的业务有效地复用在一起。因为传输比特数是基于可以使用的物理资源和调制方式来决定的，LTE中基于循环缓冲的速率匹配机制能生成任意速率的打孔图样，并且在速率匹配重传时尽可能发送新比特来最大化增量冗余HARQ增益。本文以3GPP最新制定的LTETurbo码多速率方案为基础,讨论了速率匹配的原理和特点，并对基于循环缓存器的速率匹配机制进行了深入分析。关键词：LTE；速率匹配；增量冗余合并；Turbo码中图分类号：TN929.5DiscussionofTurbocodeRate-MatcinginLTEXuePeizhi(InformationandCommunicationEngineeringSchool,BeijingUniversityofPostandTelecommunications,Beijing100876)Abstract:RM(ratematching)isanimportantalgorithmofmultiratewhichisthecriticalprobleminthefuturecellularmobilecommunicationsystems.RMcanmeettheQoSrequirementsofdifferentservicesandmultiplexserviceswithmultirateefficiently.Sincethenumberofbitsfortransmissionisdeterminedbasedontheavailablephysicalresourcesandtypeofmodulation,theRMshouldbecapableofgeneratingpuncturingpatternsforarbitraryrates.Furthermore,theRMshouldsendasmanynewbitsaspossibleinretransmissionstomaximizetheIncrementalRedundancy(IR)HARQgains.Accordingtothelatest3GPPspecifications,thepaperdiscussestheprinciplesandcharacteristicsofRM,andanalyzesindepthoftheRMalgorithmbasedoncircularbuffer.Keywords:LTE;Ratematching;Incrementalredundancy;Turbocode0引言LTE(LongTermEvolution,长期演进)项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的标准，主要性能目标包括：在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；支持多种业务类型以及更好的QoS保证；改善小区边缘用户的性能，提高小区容量；降低系统用户面和控制面延迟；支持100Km半径的小区覆盖；能够为350Km/h高速移动用户提供100kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25MHz到20MHz等。随着LTE的不断发展，LTE将成为全球大部分移动营运商采用的移动宽带技术。多速率方案就是将不同速率和QoS要求的业务以灵活有效的方式进行复用，LTE能够提供更多的业务类型和更高的速率。作为多速率方案的核心算法，速率匹配通过对编码后的比特进行重复或者打孔或者插入DTX比特来完成复合业务流最高速率和物理信道所能支持的速率的匹配。LTE根据编码方式的不同，速率匹配分为卷积编码和Turbo编码两种匹配方式。本文以3GPPLTERelease8为准，重点对下行链路Turbo编码下的速率匹配进行研究[1]。1LTE多速率方案简介无线接口主要指UE和网络之间的接口，图1给出了E-UTRA无线接口协议结构[2]。该层构成，第一层是物理层，第二层媒体接入控制层，第三层是无线资源控制层。/图1无线接口协议结构多速率方案主要是在位于物理层和媒体接入层之间的传输信道中实现的。传输信道进行若干基带信号处理，包括CRC计算、码块分段以及码块CRC添加、信道编码、速率匹配和码块级联、调制、资源映射等。图2给出了下行共享信道的处理过程。CRCRBmappingCoding+RMDatamodulationCRCResourcemappingCoding+RMQPSK,16QAM,64QAMDatamodulationHARQMACschedulerACK/NACKAntennamappingCRCRBmappingCoding+RMDatamodulationCRCResourcedemappingDecoding+RMDatademodulationHARQdemappingCRCRBmappingCoding+RMDatamodulationQPSK,16QAM,64QAMHARQMACeNodeBHARQ信息CRCRBmappingCoding+RMDatamodulationCRCHARQUECRCACK/NACKHARQ信息图2下行共享信道(DL-SCH)物理模型LTE下行物理信道主要包括参考符号(RS)、主/辅同步信道(P/S-SCH)、物理广播信道(PBCH)、物理下行业务信道(PDSCH)、控制信道(PDCCH、PCFICH、PHICH)。PDDCH中包含的下行信令是指导UE正确接收和发送数据的信息，对于PDDCH的结构指示采用分级指示和盲检测结合的方法。UE根据接收到的PBCH信息得到PHICH，根据PCFICH得到PDDCH格式信息，再根据PDDCH中DCI指示信息确定调制编码方式(MCS)和资源分配信息，结合起来可以计算出发送端TBS和编码方式等信息，才能进行解调、解速率匹配和译码等。2LTE中Turbo编码速率匹配算法原理2.1基于CB的速率匹配LTE选择在cdma20001xEV和WiMAX中使用的CB(CircularBuffer)速率匹配，因为它中国科技论文在线只生成打孔图样，可以生成任意码率并具有良好性能[3]。如下图3所示：图3Turbo编码基于CB的速率匹配Turbo编码器的3个输出流分别经过自己的交织器重新排列。LTE中12个尾比特也被同等的分配到3个流中，使得Turbo编码器每个输出流长度为Ks=K+4，其中K是QPP交织器的大小。通过将重排的系统比特和校验比特交错连接形成输出缓冲。RV(冗余版本)是指从循环缓冲中某一点开始读出比特，不同的RV(0~3)通过定义不同的起点来实现HARQ操作。通常对于初始传输选择RV=0来发送尽可能多的系统比特，当接收端不能正常译码时，调度器对相同的分组传输可选择不同的RV以支持IR和Chase合并HARQ。RV=0起始于CB开始的相对偏置处，使得系统比特在首次传输中被打孔。2.2Turbo编码速率匹配参数的确定算法首先需要进行一些参数的说明与计算[4]。ke表示速率匹配后输出的序列，0,1,...,1kE=−。kw表示虚拟循环缓冲器的序列，0,1,...,1wkK=−。IRN表示传输快(TBS)缓冲器的大小，由高层信令通知。cbN表示第r个码块的软缓冲器大小，通过下式计算，其中C为TBS码块分段后的码块数目：min,IRwcbwNKDownlinkNCKUplink⎧⎫⎛⎞⎢⎥⎪⎪⎜⎟⎢⎥=⎣⎦⎨⎬⎝⎠⎪⎪⎩⎭。rE表示第r个码块的速率匹配输出序列长度。idxrv表示这次传输的冗余版本数(可取0,1,2,3)。G表示一个传输块可用的比特总数目。2,4,6mQ=分别表示调制方式为,QPSK16,QAM64QAM。LN对应于传输层当传输块映射到一个传输层时，1LN=；当传输块映射到两个或者四个传输层时，2LN=。0k表示循环缓冲偏置比特。TCsbR表示字块交织器的行数，假设其列数32TCsbC=，*TCTCssbsbKRC=。中国科技论文在线令'/()LmGGNQ=表示一个天线端口上TB占用的RE个数。'modGCγ=若1rC≤−γ−，'/rLmENQGC⎢⎥=⎣⎦，否则'/rLmENQGC⎡⎤=⎢⎥。令0228TCcbsbidxTCsbNkRrvR⎛⎞⎡⎤=+⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎝⎠，0,0kj==()mod()mod()()11cbcbrkjNkkjNWhilekEifwNULLewkkjj++≠==+=+至此，得到r个码块经过速率匹配后的输出序列(0,...,1,0,...,1)rkrerCkE=−=−，假设码块级联和信道交织块的输出比特序列表示为(0,...,1)kfkG=−。令0k=以及0r=，当rC时，令0j=，当rjE时，有：;1;1;1krjfekkjjrr==+=+=+。3LTE速率匹配算法的分析和讨论速率匹配就是从编码后的比特中通过打孔或者重传比特来实现不同速率的打孔图样，使之适应可以使用的物理资源，并且速率匹配重传时应尽可能发送许多新比特来最大化增量冗余HARQ增益。3.1最优速率匹配模式的确定所谓速率匹配模式,是指数据块中哪些比特须重复或打孔，这会造成相应的误码性能的提高或降低[5]。比特位的打孔和重复会造成相应位上误码性能的降低和提高。在比特打孔时,接收端这些位上的比特信息将丢失，即接收端认为被打孔比特为0和1的概率是相等的，且都为1/2。比如卷积码或Turbo码的编译码方式,应尽量避免在约束长度内有较多的比特被删除。因此,最优速率匹配模式应保证被删除比特尽可能“均匀”地分布在数据流中。3.2基于CB的速率匹配特点Turbo编码输出流中，子块交织器0和子块交织器1均采用列变换样式，如表1所示：表1字块交织器列变换样式列数目TCsubblockC列变换样式−)1(),...,1(),0(TCsubblockCPPP320,16,8,24,4,20,12,28,2,18,10,26,6,22,14,30,1,17,9,25,5,21,13,29,3,19,11,27,7,23,15,31这个字块交织器的特点是它自然地首先放置所有偶标记，再将奇标记放置到重排的字块中。考虑到LTE中Turbo码QPP转置偶-偶特性和以上子交织器的特性，第二个校验流的字块交织器用奇数值1δ=来偏置以确保就输入具有相同的保护电平。因此，对于标记i，如果()sysiπ表示系统比特子交织快的转置，那么两个校验字块交织器的转置是1()()parsysiiππ=()(())modparsyssiiKππδ=+，其中sK是子块大小。对应的虚拟循环缓冲序列就如上图3所示，循环缓冲中交错校验部分前sK校验比特对应sK系统比特，确保了所有系统比特具有同等保护[6]。此外，偏置使系统能够进行比特打孔，由此一小部分系统比特在初始传输时被打掉，确保了高码率的性能。偏置RV=0产生部分系统码，可在高码率下进行自译码，以避免“突变”打孔图样。二维循环缓冲(3个数据流总共96列)如图4所示(不同阴影表示来自不同流的比特，黑区表示空比特)。一维CB可以通过从二维CB中逐列读取，丢弃空比特来生成。尽管空比特在子块交