在 KeyStone 器件上实现高效的 LTE 下行控制信道基带发射
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摘要 LTE 下行控制信道分为 PCFICH、PHICH 和 PDCCH 三类，PDCCH 是其中处理复杂度最高的。和下行数据信道 PDSCH 相比，下行控制信道承载的净荷较少、占用的 OFDM 符号数较少、传输模式也仅限于发射分集，理应占用更少的 DSP 核处理资源。但如下两个因素导致用户的实现可能消耗可观的 DSP 核资源：PHICH/PDCCH 的物理资源映射规则比PDSCH 更复杂、颗粒度更小，如果在每个下行子帧按照协议描述实时完成该映射所涉及的所有计算，消耗的核资源将非常可观;BCP 用户手册对 PDCCH 的描述较少，用户不易自行补全所有细节并产生高效方案，导致用户可能退而采用全软方案。另外，小基站应用通常对全系统功耗和成本有很高的要求，需要尽可能降低处理负载。本文给出了将实时计算量降至最低的物理资源映射实现方法，以及用 BCP 实现 PDCCH 比特级处理的方案细节，并提供了全面的硬件实测负载。 1、引言 LTE(Long Term Evolution)是由 3GPP 组织制定的 3G 演进标准，在物理层采用 OFDM和MIMO 技术。LTE 分为 FDD 和 TDD 两种双工模式。目前，LTE-FDD 在 20MHz 频谱带宽下的实际速率大约能达到下行 100Mbps、上行 50Mbps。LTE-TDD(国内通常称为 TD-LTE)的实际速率会随上、下行子帧的配比关系而变化。 [1][2][3][4]是主要的几个 LTE 物理层协议文本。[1]描述了上、下行发射机从星座点调制到基带信号上变频之间的处理步骤，通常称为符号级处理。[2]描述了星座点调制之前的处理步骤，通常称为比特级处理。[3]描述了各种物理层过程。[4]描述了各种物理层测量。 LTE 的上行信道包括用来传输数据和物理层随路控制信令的 PUSCH，专门用来传输物理层控制信令的 PUCCH，以及用于随机接入的 PRACH。下行信道包括用来传输数据的 PDSCH，用来传输各种物理层控制信令的三类控制信道——PCFICH、PHICH 和 PDCCH。本文描述的正是这三类下行控制信道的发射机基带实现。 TI 推出了一系列用于 LTE 基站基带处理的 SoC(System On Chip)。这些 SoC 基于 TI 的KeyStone 架构，该架构目前已演进了两代——KeyStone I 和 KeyStone II。KeyStone I 家族基于40nm 工艺，包括如下基带 SoC 器件型号： • TCI6616，详细资料参见[5] • TCI6618，详细资料参见[6] • TCI6614 和 TCI6612，详细资料参见[7]和[8] • TMS320C6670，详细资料参见[9] KeyStone II 家族基于 28nm 工艺，包括如下基带 SoC 器件型号： • TCI6636K2H，详细资料参见[10] • TCI6634K2K，详细资料参见[11] • TCI6638K2K，详细资料参见[12] • TCI6630K2L，详细资料参见[13] 所有这些器件都具有多模能力，支持 GSM/EDGE、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX、LTE 的单模实现或混模实现。所有这些器件使用的 DSP 核都是 c66x，但个数不同。TCI6614 和 TCI6612带一颗 ARM Cortex A8，TCI6636K2H 和 TCI6638K2K 带 4 颗 ARM Cortex A15，TCI6630K2L带 2 颗 A15，它们除支持物理层以外，还支持高层(层 2，层 3)和传输处理。这些器件也可用于基于 OFDM的无线回传(wireless backhaul)，如 LTE relay 站。 本文介绍如何在上述 KeyStone 器件上高效地实现 LTE 下行控制信道的基带发射。注意，TCI6616 不带 BCP 加速器，和 BCP 相关的描述不适合 TCI6616。 和下行数据信道 PDSCH 相比，下行控制信道承载的净荷较少、占用的 OFDM符号数较少、传输模式也仅限于发射分集，理应占用更少的 DSP 核处理资源。但如下两个因素导致用户实际的实现可能消耗可观的核资源： • 每类下行信道在层映射/预编码之后、IFFT 之前，都要把星座点符号序列映射到各天线端口的物理资源上，而 PHICH/PDCCH 的物理资源映射规则比 PDSCH 更复杂、颗粒度更小，如果在每个下行子帧按照协议描述实时完成该映射所涉及的所有计算，消耗的核资源将非常可观。 • BCP 用户手册对 PDCCH 的描述较少，用户不易自行补全所有细节并产生高效方案，导致用户可能退而采用全软方案。 另外，小基站应用通常对全系统功耗和成本有很高的要求，需要尽可能地降低处理负载，因而对降低下行控制信道的处理负载有更强的需求。 本文给出了将实时计算量降至最低的物理资源映射实现方法，以及用 BCP 实现 PDCCH 比特级处理的方案细节，并提供了全面的硬件实测负载。 本文中的“符号”默认指的是 OFDM符号，星座点符号将采用全称以示区别。 2、LTE 下行控制信道简介 LTE 下行控制信道有 PCFICH、PHICH、PDCCH 三类。每个 1ms 子帧包含的符号数等于 14(normal CP)或 12(extended CP)，下行控制信道独占前 1 到 3 个符号(当小区带宽<=10 个RB 时，独占前 2 到 4 个符号)，三类下行控制信道共享此区域，实际占用符号数可以逐子帧变化，由 PCFICH 指示。子帧中剩下的符号被 PDSCH 独占。 有些符号上有小区参考信号(CRS)，有些没有。每个符号内除去 CRS 后，每 4 个连续 RE 构成一个 REG。对存在 CRS 的符号，每个 RB 包含 2 个 REG;对其它符号，每个 RB 包含 3 个 REG。REG 是所有下行控制信道物理资源映射共同的基本单位。 关于帧结构、CP、RE、CRS、REG 等 LTE 基本概念，参见[1]。 本章的剩余部分将对下行控制信道的处理流程和关键特征做简要描述，以方便后面描述解决方案。完整信息参见下文给出的参考文献。 2.1 PCFICH 信道 PCFICH(Physical Control Format Indicator CHannel)总是位于每个下行子帧的第一个符号，占用 4 个 REG，用来指示该子帧中 PDCCH 占用的符号数。 PCFICH 基带发射机的结构如图 1 所示。层 2 下发的 CFI(Control Format Indicator)有 1、2、3三种取值，用 2 比特表示;经过码率为 1/16 的块编码得到 32 比特;随后的加扰步骤使用的扰码序列的初始状态为 2.2 PHICH 信道 PHICH(Physical Hybrid-ARQ Indicator CHannel)用于反馈上行 PUSCH 传输块的 CRC 校验结果。PHICH 在 PHICH duration 参数配置成 normal 时总是位于第一个符号，配置成 extended 时位于前 2(TDD 特殊子帧或 MBSFN 子帧)或 3 个符号(其它子帧)。TDD 时，子帧 1 和 6 是特殊子帧，而子帧 0 和 5 一定不会被配置成 MBSFN 子帧。MBSFN 子帧是用来支持广播业务的子帧，非 MBSFN 子帧称为单播子帧。 在 REG 的基础上，协议为 PHICH 定义了 PHICH group 和 PHICH mapping unit 这两个概念。3个 REG 构成一个 PHICH mapping unit，承载最多 8 个 PHICH。Normal CP 时，一个 PHICH group 对应一个 PHICH mapping unit，承载最多 8 个码分复用的 PHICH，扩频因子为 4;extended CP 时，一对 PHICH group 对应一个 PHICH mapping unit，这两个 PHICH group 分别占用每个 REG 中不同的 RE 对(一个 REG 有两个 RE 对)，一个 PHICH group 承载最多 4 个码分复用的 PHICH，扩频因子为 2。
PHICH 基带发射机的结构如图 2 所示。层 2 下发的每个 HI(HARQ Indicator)有 0、1 两种取值，用 1 比特表示;经过码率为 1/3 的重复编码得到 3 比特;调制总是采用 BPSK;把每个调制符号扩频到 SF 个符号，SF 等于 4(normal CP)或 2(extended CP);随后的加扰步骤使用的扰码序列的初始状态和 PCFICH 完全一样，但长度只有 12(normal CP)或 6(extended CP);如前所述，extended CP 时，两个相邻 PHICH group 映射到同一个 PHICH mapping unit，在每个REG 内部，这两个 PHICH group 占用不同的 RE 对，这被称为资源 group 对齐;在每个天线端口上产生 12 个星座点符号，占用 3 个 REG，而且同一个 group 的所有 PHICH 信号需累加起来。
2.3 PDCCH 信道 PDCCH(Physical Downlink Control CHannel)用于承载上/下行调度、上行功控等信令。PDCCH 占用的符号数至少要和 PHICH 一样。表 2 给出了各种情况下一个子帧内 PDCCH 可能占用的符号数。
在 REG 的基础上，协议为 PDCCH 定义了 CCE(Control Channel Element)的概念，每个 CCE占用 9 个 REG。PDCCH 有 4 种格式，每种格式占用不同数量的 CCE，如表 3 所示。
所有 PDCCH 符号中除去被 PCFICH 和 PHICH 占用的 REG 之外的所有其它 REG 都属于PDCCH，其数量记为�REG，包含�CCE = ⌊�REG⁄9⌋个 CCE。 PDCCH 基带发射机的结构如图 3 所示。复用之前的步骤为每个 DCI 单独执行：计算 16 位 CRC，并将计算结果和该 DCI 对应的 16 位 RNTI 异或(对用于上行调度的 DCI 格式 0，如果相应 UE 使用发射天线选择，还要异或天线选择掩码来通知 UE 天线选择决策)，添加到 DCI 净荷的尾部;信道编码采用尾比特卷积(CC)编码;随后的速率匹配采用和 CC 编码配套的速率匹配过程。
复用后总的序列长度是72 ∙ �CCE比特，每个 DCI 的速率匹配输出在其中占用连续的一段，长度由该 DCI 的 PDCCH 格式决定，起始位置必须位于由 RNTI 决定的若干搜索空间内，具体位置由层2 调度器决定并通知层 1。不同 DCI 在复用后序列中的位置不会重叠，但可能有未使用的 CCE 夹杂其间。协议定义未使用位置上的序列元素等于，实际系统在这些位置处发射 0 信号。图 4给出了一个复用的例子。各 DCI 在复用后序列中的位置顺序和层 2 下发的 DCI 顺序可以不一致。
随后各步骤对整个复用后序列进行操作。加扰步骤使用的扰码序列的初始状态为。层映射/预编码步骤使用发射分集。RE 映射步骤在每个天线端口上分别执行(对多个天线端口，映射关系总是一样的，但待发射的预编码后的星座点符号序列不同)，具体地，把星座点符号序列中每连续 4 个元素组成一个四元组，称为 quad，以 quad 为单元执行子块交织(等同于 CC 速率匹配中的子块交织，只是以 quad，而非比特为操作单位)，然后执行先符号、再子载波的二维扫描，把子块交织后的 quad 序列依次映射到扫描到的空闲(没有被 PCFICH 或PHICH 占用的)REG 中。 PDCCH 的 CRC 添加、信道编码、速率匹配步骤参见[2]的 5.3.3.2 至 5.3.3.4 节，其它步骤参见[1]的 6.8 节。 3、KeyStone 实现方案与负载测量 一种通用的降低实时计算量的策略是：识别对实时操作有影响的静态(系统建立后不再变化)和半静态(可能重配，但很少发生)系统参数，在系统配置或重配时，一旦这些参数中的一部分发生变化，用新参数初始化或更新实时计算所需的中间参数、查找表等数据并保存，这些数据应在内存需求量合理的前提下，尽量提供实时操作所需的直接信息，尽量避免实时操作时对静态、半静态中间数据的重复计算。 具体到 LTE 下行控制信道，可以为每种信道实现一个 Init 函数和一个 Gen 函数，Init 函数在系统配置、重配且相关参数发生变更时调用，Gen 函数为实时操作函数，每子帧或每符号调用一次。实际实现时，可以把三种信道的 Init 函数合并成一个统一的 Init 函数，在其中初始化/更新所有Gen 函数用到的中间数据。和下行控制信道有关的静态、半静态参数集合如下。当这些参数的一部分发生变化时，Init 函数需要被调用一次。
• 帧结构：8 种取值，表示 7 种 TDD UL/DL configuration，加 FDD • 单播子帧的 CP 类型：normal CP 或 extended CP。单播子帧指的是非 MBSFN 子帧，而MBSFN 子帧总是使用 extended CP • �，下行天线端口数 • PHICH duration：normal 或 extended • �g，PHICH group 数量配置枚举值 本文提供优化代码在 TMS320C6670 EVM 上运行的实测负载。代码和数据都位于 c66x CorePac的本地 L2 SRAM。所有 KeyStone I/II 器件使用的是相同的 c66x CorePac，有相同的执行效率，所以这些实测负载也适用于其它器件型号。 程序开始执行时数据在 L1D cache 中的就绪状态对 c66x 的执行效率有较为显著的影响。如果程序开始执行时数据已经位于 L1D cache，称为 warm cache 状态;否则，称为 cold cache。C66x的 L1D 具有 pipeline 多个读 miss 的能力，以隐藏一部分 miss 开销。为了利用此功能提高执行效率，当一个函数需要的一个 buffer 为 cold cache 状态、长度超过若干 cache line(从而能够利用pipeline 带来的性能好处)，所有 buffer 的总长不超过 L1D cache 容量、且不引入 cache line 冲突时，可以在调用该函数前为符合上述要求的 buffer 集合中的每个 buffer 调用如下 touch()函数。该函数用汇编实现，可由 C 代码调用。 Touch()每隔一个 cache line 读一个字节，最大化 L1D 对多个读 miss 的 pipeline。如果使用了 touch()机制，测量负载时，应该把 touch()本身的执行时间也包含在内，而相应的 cache 就绪状态称为 cold cache with touch。Cold cache with touch 并不总是比 cold cache 有更好的执行效率，比如当 buffer 太小(无法发挥 pipeline 的作用)或太大(超过 L1D cache 容量)，或者多个 buffer 的内存分布正好会导致 cache line 冲突时。因此，实际测量负载时，应同时测量 cold cache 和 cold cache with touch 两组数据，然后选择较小者。相对数据，代码的 cache 就绪状态对性能的影响通常较小。本文的负载测量对应 warm code cache。关于 c66x cache 的更多信息，请参考[14]和[15]。
3.1 PCFICH 信道 PCFICH 要求 Init 函数计算如下中间数据： • 长度为 32 比特的扰码序列，每子帧一个，共 10 个序列。内存需求为 10*4=40 字节。• 每个 PCFICH REG 在第一个符号内的 REG 索引，共 4 个索引。内存需求为 4*2=8 字节。 • 第一个符号上一个 REG 的 4 个 RE 相对该 REG 起始子载波的偏移。这是 PHICH/PDCCH 相应需求的子集。 PCFICH 的 Gen 函数完成从信道编码到 RE 映射的所有操作，最终把 RE 映射结果存入 IFFT 输入缓冲。 PCFICH Gen 函数的硬件实测负载如表 4 所示。
3.2 PHICH 信道 本文用术语“PHICH 映射图案”表示：给定系统配置，一个子帧中所有的“PHICH mapping unit索引�′和 RE 位置之间的映射关系”的集合。给定系统配置，不同子帧有可能使用不同的 PHICH映射图案，而一个特定子帧也有可能根据是否被配置成 MBSFN 子帧而使用不同的 PHICH 映射图案。如表 5 所示，系统配置中的帧结构、PHICH duration 这两个系统参数决定了系统使用的PHICH 映射图案的总数，以及这些图案在子帧之间的分布情况。灰色格子表示子帧不存在，黄色格子对应�i = 0的子帧，白色格子对应�i = 1的子帧，红色格子对应�i = 2的子帧。白色和红色的格子包含一或两个形式为“n - Xm”的标识，表示该子帧可以使用哪些 PHICH 映射图案，其中：n 表示图案编号(在给定的系统配置下编码，从 1 开始);X 表征承载 PHICH 的符号数，可以等于 U(PHICH extended duration 下的单播非特殊子帧，对应 3 个符号)、M(PHICH extended duration 下的 MBSFN 或单播特殊子帧，对应 2 个符号)、A(PHICH normal duration，对应 1个符号);m 表示�i，�i = 1时省略 m。
PHICH 要求 Init 函数计算如下中间数据： • 长度为 12 比特的扰码序列，每子帧一个，共 10 个序列。注意，PHICH 和 PCFICH 用的是相同的扰码序列，只是 PHICH 所需的序列长度只有 12(normal CP)或 6(extended CP)。 • 子帧内的 PHICH mapping unit 个数，每子帧一个值，共 10 个值。注意，在给定的系统配置下，一个子帧内的 PHICH mapping unit 个数是确定的，即使该子帧有 2 个图案可选。内存需求为 10*2=20 字节。 • 从 PHICH mapping unit 到 REG 的映射关系的集合，具体内容如下。 • 每个符号上一个 REG 的大小，以及其中的 4 个 RE 相对该 REG 起始子载波的偏移。是PDCCH 相应需求的子集。 PHICH 的 Gen 函数完成从信道编码到 RE 映射的所有操作，最终把 RE 映射结果存入 IFFT 输入缓冲。在 RE 映射阶段，先根据层 2 下发的 PUSCH 资源分配参数查表得到 PHICH group 索引，由此得到 PHICH mapping unit 索引�′，然后根据�′查表得到该 PHICH mapping unit 的位于当前符号的 1、2 或 3 个 REG 的符号内索引。对后面这一步查表操作，PHICH mapping unit �′的表索引计算方法为： • 如果 PHICH 符号数为 1，3 个 REG 都位于当前符号，它们的表索引分别是3�′、3�′ 1、3�′ 2。 • 如果 PHICH 符号数为 3，只有 1 个 REG 位于当前符号，它的表索引是�′ �，其中�表示当前符号索引。 • 如果 PHICH 符号数为 2，先确定该 PHICH mapping unit 位于当前符号的 REG 数：如果当前是符号 0，当�′⁄2是奇数、偶数时，REG 数分别是 2、1;如果当前是符号 1，当�′⁄2是奇数、偶数时，REG 数分别是 1、2。然后计算这 1 或 2 个 REG 的表索引： o 如果 REG 数是 1，表索引等于6 ∙ ⌊�′⁄4⌋ isodd(�′) 4 ∙ (� == 1)(唯一表项); o 如果 REG 数是 2，表索引等于6 ∙ ⌊�′⁄4⌋ 2 ∙ isodd(�′mod 4) 2 ∙ (� == 0)(连续 2个表项)。 PHICH Gen 函数的负载依赖于当前子帧需要处理的 HI(Hybrid-ARQ Indicator)个数。我们对不同 HI 个数下的 cycle 数进行测量，然后用最小二乘法拟合出了以 HI 个数为自变量的负载计算公式“cycle 数=a*HI 个数 b”。在 HI 个数相同的情况下，PHICH normal duration 比 PHICH extended duration 在一个符号上处理更多的 REG，因而有更高的单符号负载。为简单起见，这里只给出 PHICH normal duration 情况下的拟合系数，如表 6 所示。拟合时选取了 HI 个数等于 1、10、20、50、100 这 5 个点。FDD 和 TDD 分开测量，TDD 选择了负载最高的�i = 2的情况。
3. 3 PDCCH 信道 PDCCH 信道的处理负载远高于 PCFICH 和 PHICH。下面把 PDCCH 基带发射处理分为比特级和符号级两部分，分别描述。 3. 3.1 比特级处理 比特级处理包括从 CRC 添加到 QPSK 调制的步骤。 当系统的每子帧调度用户数较少时，DCI 数目也会较少，此时可用全软方案实现比特级处理。反之，当 DCI 数目较多时，采用基于 BCP 的实现可以节省可观的 c66x 处理资源。特别地，对于一些小基站应用，功耗和成本上的压力可能要求实现较高的处理密度，比如在单个 c66x 上实现一个2 收 2 发的 20M LTE 载波的物理层。基于 BCP 的方案有助于实现更高的处理密度。 3.3.1.1 基于 c66x 的实现 基于 c66x 的实现要求 Init 函数计算如下中间数据： • 长度为 31 比特的“扰码序列发生器在产生前面 1600 比特后的中间状态”，每子帧占用一个32 位字，共 10 个字。根据协议，扰码序列发生器输出的前 1600 个比特总是丢掉不用的。最大内存需求为 10*4=40 字节。 基于 c66x 的实现包括三个实时处理模块，如图 5 所示。每个模块在每个下行子帧中只需调用一次。 • 对复用输出 buffer 的清 0 操作可以由 EDMA 完成。关于 EDMA，请参考[16]。 • 扰码序列生成函数根据当前子帧对应的扰码序列发生器中间状态，计算 PDCCH 扰码序列，长度为72 ∙ �CCE比特。 • PDCCH 比特级主函数对所有层 2 下发的 DCI 逐一处理，完成从 CRC 添加到复用的所有步骤。层 2 下发的信息包括每个 DCI 对应的 CCE 位置，本函数把每个 DCI 的调制后星座点符号序列存放于此，从而完成复用的任务。对一个 DCI 使用的扰码序列片段也由该 CCE 位置确定。
扰码序列生成函数基于 Init 函数保存的中间状态进行计算，不含对初始 1600 比特的计算。令cycle 数拟合公式的形式是 a*N b，N 为扰码序列的比特数(等于72 ∙ �CCE)，则拟合系数如表 7所示。
PDCCH 比特级主函数的负载取决于当前子帧内各种格式的 PDCCH 的个数。用 Ni 表示 PDCCH格式 i(i=0,1,2,3)的个数，cycle 数拟合公式的形式是 a0*N0 a1*N1 a2*N2 a3*N3 b，则拟合系数如表 8 所示。这里采用的测试用例假设每个 DCI 的净荷都是 44 比特，是一个比较适中的取值，且净荷大小对负载的影响不大。 |
