硕士学位论文 基于 gpp sdr 的td-hsupa 接收机软件设 … · 基于gpp sdr的td-hsupa...

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学校编码:10384 密级 学号:23320091152781 硕士学位论文 基于 GPP SDR TD-HSUPA 接收机软件设计与优化 TD-HSUPA receiver software design and optimizationbases onGPPSoftware Defined Radio 王俊华 指导教师姓名: 黄联芬副教授 称: 电子与通信工程 论文提交日期: 2012 5 论文答辩日期: 2012 5 答辩委员会主席:___ 评阅人:___ 2012 6 厦门大学博硕士论文摘要库

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学校编码:10384 密级

学号:23320091152781

硕士学位论文

基于GPP SDR的TD-HSUPA接收机软件设计与优化

TD-HSUPA receiver software design and optimizationbases

onGPPSoftware Defined Radio

王俊华

指导教师姓名: 黄联芬副教授

专 业 名 称: 电子与通信工程

论文提交日期: 2012 年 5 月

论文答辩日期: 2012 年 5 月

答辩委员会主席:___

评阅人:___

2012 年 6 月

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年 月 日

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()1.经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文,于

年 月 日解密,解密后适用上述授权。

()2.不保密,适用上述授权。

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公开学位论文,均适用上述授权。)

声明人(签名):

年 月 日

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摘要

I

摘要

目前第三代移动通信主要分为欧洲的 WCDMA、美国的 CDMA2000 和中国

的 TD-SCDMA。TD-SCDMA 是中国具有自主知识产权的通信标准,是中国在世

界通信行业的标志。

TD-HSUPA 是国际电盟在 3GPP R7 中通过高阶调制、快速调度等一系列新

的技术引入的无线侧上行链路增强技术,以增强上行数据传输的效率。同时软件

无线电是一种用软件来实现信号处理的无线通信系统的方法,基于通用处理器的

软件无线电(GPP SDR)具有可重配置性、扩展性、低成本和灵活性等各种优点,

已成为无线通信系统开发的主流技术之一,因此基于 GPP SDR 的 TD-HSUPA 接

收机的设计与优化是目前该领域的研究热点。

本文首先介绍了软件无线电的设计思想以及项目背景,根据 3GPP 技术标准

设计 GPP-SDR 的 TD-HSUPA 平台,对 GPP SDR 的优越性进行了阐述,并研究

了物理层信道的帧和时隙结构、TD-HSUPA 协议和传输信道及 TD-HSUPA 调度

流程,进行了 TD-HSUPA 物理层接收端软件的设计,包括接收端的代码设计和

类及函数的设计,在函数的设计上,使用 C++对其进行编写,对其中的模块进行

了封装。并对接收端的频域均衡和软解调模块进行设计,提出了使用 Intel 开发

的 SSE (Streaming SIMD Extensions)进行指令优化的思想,SSE 指令具有单指令

多操作的功能,可以每次处理 128 比特的数据,大大提高了数据的传输效率,最

后对所设计的模块进行实时性的测试,对模块优化前后的耗时进行了比较,验证

了 SSE 指令对计算数据量大的模块有切实的功效。

今后可进一步研究其他关键模块的 SSE 指令优化,保证 TDD 系统对时间的

要求。

关键词: TD-HSUPA;SSE 指令;3GPP;软件无线电;TD-SCDMA

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Abstract

I

Abstract

The third generation mobile communication is divided into Europe's WCDMA,

U.S. CDMA2000 and China's TD-SCDMA.TD-SCDMA is China's communications

standard, it has the independent intellectual property rights and a sign of China's

communications industry in the world.

TD-HSUPA wireless side of the uplink enhancement technology introduced by

the International Union in 3GPP R7 and includes higher order modulation and fast

scheduling and so on, to enhance the efficiency of the uplink data transmission.

Software Defined Radio is a software signal processing for wireless communication

systems, Radio based on general-purpose processor software reconfigurability,

scalability, low cost and flexibility advantages, has become one of the mainstream

technology for wireless communication system development, so TD-HSUPA based on

the GPP SDR receiver design and optimization of the current research in the field.

This article ,first introduce a software radio design thinking and project

background, according to 3GPP technical standards design of the TD-HSUPA

platform and study the physical layer of the letter tract of the frame and slot structure,

TD-HSUPAprotocol and transmission letter tract and of TD-HSUPA scheduling

process based on the TD-HSUPA physical layer design of the receiver software,

including the design of the receiving end of the design code and classes and functions.

And the receiving end of the frequency-domain equalization and soft demodulation

module design, developed by Intel SSE (Streaming SIMD Extensions) instructions

optimized , SSE instructions with a single instruction, multiple operation function, it

can each handle 128-bits data greatly improve the efficiency of data transmission, the

last module designed for real-time test module before and after optimization are

compared to verify the SSE instructions have a tangible effect on the calculation of

large volumes of data modules.

In the further, we will study to other key modules of the SSE instruction

optimization to ensure that the time requirements of the TDD system.

Key words: TD-HSUPA; SSE instructions; 3GPP;software radio;TD-SCDMA

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目录

I

目录

第一章 绪论 .......................................................................................... 1

1.1 课题背景 .................................................................................................. 1

1.1.1 TD-SCDMA 移动通信的简述 .......................................................... 1

1.1.2 高速上行分组接入 ........................................................................... 1

1.1.3 SSE 指令 ............................................................................................ 2

1.2 论文结构及安排 ...................................................................................... 3

第二章 基于 GPP SDR 的 TD-HSUPA 系统 ..................................... 4

2.1 软件无线电 .............................................................................................. 4

2.2 TD-SCDMA 物理层介绍 ........................................................................ 5

2.2.1 物理层信道帧结构 ........................................................................... 6

2.2.2 时隙结构 ........................................................................................... 7

2.3 TD-HSUPA 协议及信道的介绍 ............................................................. 8

2.3.1. 总体协议介绍 ................................................................................... 8

2.3.2. 传输信道及物理信道 ....................................................................... 9

2.3.3. 传输信道的算法分析 ..................................................................... 17

2.3.4. HSUPA 调度过程 ............................................................................ 23

2.4 本章小结 ................................................................................................ 24

第三章 TD-HSUPA 物理层接收端软件设计 ................................... 25

3.1 课题总体架构 ........................................................................................ 26

3.2 基带信号处理 ........................................................................................ 27

3.3 接收端软件设计 .................................................................................... 29

3.3.1 发送端代码设计 ............................................................................. 30

3.3.2 发送端类及函数 ............................................................................. 31

3.3.3 接收端代码设计 ............................................................................. 33

3.3.4 接收端类及函数 ............................................................................. 34

3.4 本章小结 ................................................................................................ 34

第四章 频域均衡和软解调模块功能设计及其优化 ........................ 36

4.1 TD-HSUPA 频域均衡和软解调关键模块功能介绍 ........................... 36

4.1.1 频域均衡 ......................................................................................... 36

4.1.2 软解调 ............................................................................................. 39

4.2 SSE 指令集及关键模块优化 ................................................................ 46

4.2.1 FFT 的 SSE 优化 ............................................................................. 48

4.2.2 FFT 优化过程 .................................................................................. 48

4.2.3 软解调的 SSE 优化 ......................................................................... 54

4.3 本章小结 ................................................................................................ 59

第五章 软件设计的性能仿真 ............................................................ 60

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目录

II

5.1 FFT 的 SSE 优化结果比较 ................................................................... 60

5.2 软解调的 SSE 优化结果比较 ............................................................... 64

5.3 本章小结 ................................................................................................ 65

第六章 总结与展望 ............................................................................ 66

6.1 总结 ................................................................................................................ 66

6.2 展望 ................................................................................................................ 66

参考文献 ................................................................................................. 67

致谢 ................................................................................................. 69

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Contents

I

Table of Contents

Chapter 1 Introduction ............................................................................. 1

1.1 ResearchBackground .............................................................................. 1

1.1.1 A brief description of the TD-SCDMA mobile communication ........ 1

1.1.2 Speed uplink packet access ................................................................ 1

1.1.3 SSE instructions ................................................................................. 2

1.2 Paper structure and arrangements ....................................................... 3

Chapter 2 TD-HSUPA System based on GPP SDR ............................... 4

2.1 Software Definition Radio ...................................................................... 4

2.2 TD-SCDMA physical layer..................................................................... 5

2.2.1 Frame structure of the physical layer channel ................................... 6

2.2.2 Time slot structure ............................................................................. 7

2.3 TD-HSUPA protocol and channel .......................................................... 8

2.3.1. Overall Protocol ................................................................................. 8

2.3.2. Transmission channel and physical channel ...................................... 9

2.3.3. Algorithm analysis of the transmission channel .............................. 17

2.3.4. TD-HSUPA Scheduling process ...................................................... 23

2.4 Chapter Summary ................................................................................ 24

Chapter 3 TD-HSUPA physical layer receiver software design ......... 25

3.1 Overall architecture .............................................................................. 26

3.2 Baseband signal processing .................................................................. 27

3.3 Receiver software design ...................................................................... 29

3.3.1 Sender code design .......................................................................... 30

3.3.2 Sender class and function ................................................................ 31

3.3.3 Receiver code design ....................................................................... 33

3.3.4 Receiver class and function ............................................................. 34

3.4 Chapter Summary ................................................................................ 34

Chapter 4 Frequency domain equalization and soft demodulation

module functional design and optimization ............................. 36

4.1 TD-HSUPA, frequency domain equalization and soft demodulation

function of the key modules introduced ...................................................... 36

4.1.1 Frequency domain equalization ....................................................... 36

4.1.2 Soft demodulation ............................................................................ 39

4.2 SSE instructions and key module optimization ................................. 46

4.2.1 SSE optimization of the FFT ........................................................... 48

4.2.2 FFT of the optimization process ...................................................... 48

4.2.3 SSE optimization of the Soft demodulation .................................... 54

4.3 Chapter Summary ................................................................................ 59

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Contents

II

Chapter 5 Performance Simulation of the software design ................ 60

5.1 FFT optimization results ...................................................................... 60

5.2 Soft demodulation optimization results .............................................. 64

5.3 Chapter Summary ................................................................................ 65

Chapter 6 Summary and Outlook ......................................................... 66

6.1Summary ......................................................................................................... 66

6.2Outlook............................................................................................................ 66

Reference ................................................................................................. 67

Acknowledgements ................................................................................. 69

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第一章 绪论

1

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 TD-SCDMA 移动通信的简述

在经历了全球第一代模拟蜂窝系统、第二代数字蜂窝系统之后,第三代移动

通信系统已成为全球通信领域的主流技术,它是将传统的窄带服务过渡到宽带服

务,采用了 3GPP 通信的主流技术 CDMA、全 IP 网络等,将语音与多媒体糅合

的一种新型的通信系统,使系统在用户数量、系统容量、图像、音乐的流畅度等

方面有了很大的提高[1]。

目前国际上有三种主要的 3GPP 通信技术标准:欧洲的 WCDMA、美国的

CDMA2000 和中国的 TD-SCDMA[2]。TD-SCDMA 是中国具有自主知识产权的

第三代移动通信技术。

TD-SCDMA 相对于其他传统的通信技术来说起步较晚,这样就给其产品的

成熟性带来了挑战。该系统是以通信领域最先进的技术为背景的,其优点有频谱

效率高、支持多载频、不存在呼吸效应及软切换、承载非对称数据业务等。并且

TD-SCDMA 网络是 TDD 和 CDMA、TDMA 技术的完美结合,从全球的频段划

分来看[3],TDD 都有其预留频段,具有得天独厚的优势,从某种意义上来说,

只有 TD-SCDMA 才有可能实现全球漫游。

1.1.2 高速上行分组接入

在 3GPP R5 中引入了 TD-HSDPA 之后,下行链路的各项性能得到了很大的

提高,被大多数用户所认同,解决了 TD-SCDMA 承载数据业务效率低、效果差

的问题。然而仅解决下行链路技术问题是不够的,为了满足整个通信系统速率传

输的要求,国际电盟在 3GPP R7中引入了无线侧上行链路增强技术TD-HSUPA。

TD-HSUPA 的主要目的是为了增强上行链路的性能、提高上行分组数据速率和减

少时延等,其使用的关键技术有上行共享信道、混合自动重传(HARQ)、自适

应调制编码(AMC)和快速调度等技术。

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第一章 绪论

2

AMC 是通过改变调制方式和信道编码来调整传输速率,目前主要采用的调

制技术为 QPSK 和 16QAM 两种方式,经过实践证明,高阶调制技术会有效地提

高编码速率。在任何通信系统中,数据重传是一项重要的技术,它的控制是在

Node B 中进行的,可以在终端和基站之间直接进行数据包重传,从而使得响应

延时和往返周期大大减小。HARQ 技术则是在接收端译码失败的情况下保存接收

的数据,并要求发端重传数据,然后进行一些有效的合并,再进行译码,在减少

时延和误码率的性能上有很大的提高。上行的快速调度则可以使网络更快地应对

负载的变化,为各种分配更合适的速率,这将会减小上行系统的噪声,同时也减

小为防止过载而预留的系统资源[4]。

以上这些技术的使用显著增强了上行链路的移动数据传输性能,使得

TD-SCDMA 在数据传输方面的能力更加强大和完善,有力推动了移动 IP 多媒体

业务在大众市场的普及,为用户提供更多的服务和应用。

1.1.3 SSE 指令

在 PC 机中,CPU 是通过指令对系统进行控制的,不同系列的处理器都

有固定的指令集与其硬件相匹配,有效的利用这些指令集可以提高处理器的

工作效率。SSE 指令集是 Intel Pentium 系列中引入提出的,全称为 Streaming

SIMD Extensions,是 Intel 公司针对单指令流多数据流(SIMD)开发的扩展

性指令。SSE 指令的功能包含单指令多数据的浮点型数据的计算、整型数据

的计算、高速率缓存控制等[5]。SSE 指令集经历了以下数次的变更:

1.SSE 是 Pentium 3 处理器中引入的,支持 8 个 128 位寄存器

XMM0-XMM7。一条 SSE 指令可支持 4 个单精度 float 数据的存储,需要注

意的是,Pentium 3 对 SSE 的实现中,浮点寄存器被新的指令占用,SSE 和

浮点指令不能同时输入 CPU 处理器。

2.SSE2 是 Pentium4 中引入的,增加了对 64 位双精度浮点数和整型数

据计算的支持,改进了浮点寄存器占用问题,同时这个指令集增加了 CPU

缓存控制指令。

3.SSE3 于 Pentium4 的 Prescott 版中引入,它所扩展的指令包括寄存器

局部间的运算,比如寄存器内高低位的加法运算和减法运算,浮点数转换

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第一章 绪论

3

为定点数,对超线程技术的支持等等。

4.SSE4 指令集是在 Conroe 架构中引入的,一共包含 16 条指令。SSE4

的一项主要改进是能够支持 Intel 的 Clear Video 高清视频技术和 UDI 接口规

范,而另一项重要改进是能够实现完整的 128 位数据位宽的指令执行单元,

即一个指令周期可执行一个 128 位 SSE 指令。

1.2 论文结构及安排

本文主要围绕基于 GPP SDR 平台的 TD-HSUPA 接收机的软件设计和关

键模块(FFT、软解调)的 SSE 优化的展开讨论与研究,主要章节安排如下:

第一章是全文的绪论,简要介绍了移动通信的发展,TD-HSUPA 系统的

概况以及 SSE 指令集的发展。

第二章详细的介绍了 GPP SDR 平台以及优势,TD-HSUPA 系统物理层架

构,TD-SCDMA 物理层的帧结构、时隙结构,TD-HSUPA 新增的传输信道、

物理信道以及 TD-HSUPA 整体调度过程,为后面章节提供知识储备。

第三章重点介绍 TD-HSUPA 接收机的软件设计,包括发送端和接收端的

设计,分别从整个课题研究的总体框架、TD-HSUPA 的各个信道的软件设计流

程及每个信道的类的结构设计去讨论系统的设计。

第四章讨论的是 TD-HSUPA 软件设计的关键模块的优化,对计算量大的

模块使用 SSE 指令进行并行处理,以及对整个程序的流水工作处理。

第五章给出了关键模块优化前后的时间对比。

第六章是全文的总结,概括了本文的意义和工作重点,对下一步的工作

做出展望。

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第二章 基于 GPP SDR 的 TD-HSUPA 系统

4

第二章 基于 GPP SDR 的 TD-HSUPA 系统

2.1 软件无线电

软件无线电(SDR,Software Definition Radio)是利用可编程软件的方法承

载到一个公共的硬件平台上的无线电系统。其基本思想是以一个通用、标准、模

块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现无线电台的各种功能,从基于硬件、

面向用途的平台设计方法中解放出来。

传统的无线电系统都是由大规模的专用芯片和专用的硬件电路实现的,这样

导致了设备的功能单一、升级困难、开发周期长等缺点。在这种背景下,SDR

的出现也顺应了时代的要求,并且已经成为了工业界广泛应用的技术。当前,SDR

平台主要分为:现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)和通用处

理器(GPP,General-Purpose Processor)等。FPGA、DSP虽然处理能力比较强,

但是其需要巨大的投入。因此,GPP SDR的灵活性和普适性引起人们关注,它可

以使整个系统的开发、测试等都易于实现和控制,可以降低通信系统的复杂度,

极大地节省了硬件成本和人力成本[6]。

在 GPP 中,绝大部分的信号处理模块是由运算单元上的软件来实现的。通

常情况下,GPP 除通信模块以外还同时运行着其它软件,这种多软件模块复用

GPP 的方式有效降低了 GPP SDR 的运算成本。基于高性能 GPP SDR 系统可以降

低通信系统开发和调试的复杂度,使其具有更好的灵活性和可扩展性[7]。GPP

SDR 平台优点有以下几方面:

1.开发难度系数小、灵活性强

GPP SDR 通用的开发环境能灵活配置多线程调度和存储管理方式,并且可

以利用高级语言在 PC 平台上开发各种应用。使开发人员能够迅速利用高级语言

(C/C++)等在 PC 上直接进行软件编程,通过改变软件来定义系统功能,无需

过多的关心硬件平台的配置。这样使系统灵活性提高,可大大降低开发难度,开

发周期缩短。

2.低成本和扩展性

成本的高低直接制约的无线电系统的开发,随着技术的更新,许多产品的淘

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第二章 基于 GPP SDR 的 TD-HSUPA 系统

5

汰周期也越来越短,这势必会增加成本,而基于 GPP SDR 平台正好弥补了这种

不足,这大大减少了不必要的开支。而且使得维护更加容易,工作人员的工作强

度也大大降低。

3.可重配置性

SDR 的灵魂是可重配置性,也就是系统可以随时改变其特性,这种特性在

GPP 平台上得到了充分的发挥,无论软件设备还是硬件设备,都支持这种功能,

尤其是减少系统的模拟环节。

软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性,通过软件更新改变硬件

配置结构,实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构,

以利于硬件模块的不断升级和扩展。

2.2 TD-SCDMA 物理层介绍

TD-SCDMA 系统的物理层是内容最多、涉及最广的部分,无论在空中接口

的帧结构,还是同步机制等方面,都有其自身特点。TD-SCDMA 的移动端 UE

和接入网之间的接口Uu,主要由物理层L1、数据链路层L2和网络层L3组成[8]。

如图 2.1 所示。

物理层

媒质接入控制(MAC)

无线资源控制(RRC)

控制

/测量 逻辑信道

传输信道

L3

L2

L1

图2.1 TD-SCDMA 空中接口协议

从图中可以看出,L2 的媒质接入控制(MAC)子层和 L3 的无线资源管理

(RRC)子层分别于物理层相连。图中不同层/子层之间的圈代表服务接入点

(SAPs)。物理层与 MAC 层之间的信息传递由传输信道完成,而传输信道的特

性则是由信息在接口上的传输方式决定。MAC 层与 L2 的无线链路控制(RLC)

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第二章 基于 GPP SDR 的 TD-HSUPA 系统

6

子层之间的信息传递由逻辑信道(RRC)完成,逻辑信道的特性由传输信息的类

型决定。物理层定义物理信道,TDD 模式下,一个物理信道由码、频率和时隙

共同决定,RRC 控制物理层。

2.2.1 物理层信道帧结构

在 TD-SCDMA 物理层中,分为 4 层结构[9]:系统帧、无线帧、子帧和时隙

/码。每个无线帧的长度为 10ms,每个无线帧分为两个 5ms 的子帧,每个子帧又

分为 7 个 675us 的业务时隙(TS0-TS6)和三个特殊时隙,分别为下行导频时隙

(DwPTS)、保护间隔(Gp)、上行导频时隙(UpPTS)。时隙是用于在时域上区

分不同用户。在一个时隙中,上行时隙和下行时隙同时存在,规定 TS0 必须用

于下行、TS1 必须用于上行,其他时隙可以自由分配,DwPTS 和 UpPTS 分别对

应下行和上行的同步时隙,GP 为上下行间的保护时间间隔。如图 2.2 所示。

Ts0

子帧 (6400chips)切换点

DwPTS(96chips)下行导频时隙 UpPTS(160chips)

上行导频时隙GP(96chips)保护间隔 切换点

1.28Mchips Ts1 Ts2 Ts3 Ts4 Ts5 Ts6

帧 i 帧 i+1

帧 2i 帧 2i+1

无线帧10ms

子帧 5ms

图2.2 TD-SCDMA 物理信道帧格式

在 TDD 模式下,物理信道等同于突发信道,一个突发信道是分配到无线帧

的特定时隙中发射的。无线帧是否连续分配是可以变化的,即每一帧的相应时隙

都分配给或者部分时隙分配给物理信道。一个突发是由数据部分、midamble 部

分和保护间隔组成。一个突发的持续时间是一个时隙,发射机可以同时发射几个

突发,这种概况下,用 OVSF 的信道码来区分不同突发的数据部分,这几个突发

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第二章 基于 GPP SDR 的 TD-HSUPA 系统

7

必须使用相同的扰码。midamble 码部分必须使用相同的基本 midamble 码,但是

可以使用此码偏移后的偏移码。

2.2.2 时隙结构

在TD-SCDMA系统中,共有4种时隙类型,DwPTS、UpPTS、Gp和TS0-TS6。

其中 TS0-TS6 是常规的业务时隙,用于承载用户的控制信息或数据信息。Gp 的

作用是对上行同步建立过程中提供时延保护。DwPTS 和 UpPTS 则是作用于上行

同步和下行同步,不能承载数据信息。

1.DwPTS

DwPTS 时隙作用于下行同步,长度为 96chips,其中同步码 SYNC_DL 长为

64chips,Gp 保护时隙为 32chips。不同的小区有不同的下行同步码,目的是保证

全方向的覆盖小区。图 2.3 为其时隙结构。

GP 32chips SYNC_DL 64chips

75us

96 chips

图2.3 DwPTS 时隙结构

2.UpPTS

UE 通过 UpPTS 时隙来发送上行同步码,以建立上行同步,UpPTS 时隙长

度为 160chips,其中有 128chips 同步码,32chips 保护间隔。如图 2.4 所示:

GP 32chipsSYNC_DL 128chips

125us

160 chips

图2.4 UpPTS 时隙结构

3.常规时隙

常规时隙用于传输用户数据或控制信息,且都具有相同的时隙结构如图 2.5

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