BR102013030006B1 - CIRCUIT ARCHITECTURE FOR CHANNEL ESTIMATION AND DISTORTION COMPENSATION IN PHYSICAL CHANNELS OF LTE AND LTE-ADVANCED NETWORK UPLINK - Google Patents
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Abstract
arquitetura de circuito para a estimação de canal e compensação de distorções em canais físicos do uplink de redes lte e lte-advanced, consistindo de uma estrutura em pipeline e múltiplas seções de domínio de clock as quais incluem, pelo menos, uma primeira seção, com clock clk1, de ajuste espectral e processamento da estrutura de quadro sc-fdma, uma segunda seção, com clock clk2, de estimação de canal, estimação de ruído e compensações de ruído e desbalanceamento iq, uma terceira seção, com clock clk3, decodificadora de canais e gerenciamento de procesos harq, sendo a troca de mensagens e de comandos com as camadas superiores da pilha de protocolos de rádio executada por uma quarta seção, com clock clk4, compreendendo ainda módulos (106) especializados na interface entre as ditas seções de domínio de clock através de dispositivos (110) associados de memória.circuit architecture for channel estimation and distortion compensation in physical uplink channels of lte and lte-advanced networks, consisting of a pipeline structure and multiple clock domain sections which include at least a first section, with clk1 clock, spectral adjustment and sc-fdma frame structure processing, a second section, with clk2 clock, channel estimation, noise estimation and noise compensation and iq unbalance, a third section, with clk3 clock, decoder channels and harq process management, with the exchange of messages and commands with the upper layers of the radio protocol stack performed by a fourth section, with clock clk4, further comprising modules (106) specialized in the interface between said domain sections clock through associated memory devices (110).
Description
A presente invenção se aplica ao campo das Telecomunicações, mais especificamente à Engenharia de Hardware, no referente a redes do tipo LTE e LTE-Advanced. Mais especificamente, propõe uma arquitetura de circuito integrado para a estimação de canal e compensação de distorções em canais físicos do uplink de redes LTE e LTE-Advanced.The present invention applies to the field of Telecommunications, more specifically to Hardware Engineering, with regard to LTE and LTE-Advanced type networks. More specifically, it proposes an integrated circuit architecture for channel estimation and distortion compensation in physical uplink channels of LTE and LTE-Advanced networks.
A invenção leva em consideração na arquitetura do receptor a grande multiplicidade de UEs que podem transmitir no uplink em um mesmo TTI (Time Transmission Interval). A arquitetura proposta é apropriada, mas não limitada, para implementação em dispositivos que empregam linguagem de descrição de hardware (HDL) como parte do processo de projeto. Um exemplo de tais dispositivos são os FPGA e ASIC. A arquitetura proposta neste trabalho foi validada e testada em dispositivo FPGA. Entretanto, nada impede que a arquitetura seja adaptada para implementação em dispositivos DSP (Processador de Sinais Digitais).The invention takes into account in the receiver architecture the large multiplicity of UEs that can transmit in the uplink in the same TTI (Time Transmission Interval). The proposed architecture is suitable, but not limited, for implementation in devices that employ Hardware Description Language (HDL) as part of the design process. An example of such devices are the FPGA and ASIC. The architecture proposed in this work was validated and tested in an FPGA device. However, nothing prevents the architecture from being adapted for implementation in DSP (Digital Signal Processor) devices.
Para um melhor entendimento do relatório descritivo, apresentam-se a seguir alguns termos e siglas utilizados no mesmo:For a better understanding of the descriptive report, some terms and acronyms used in it are presented below:
ASIC (Application Specific Integrated Circuit) - Circuito Integrado para Aplicação Específica; é um circuito integrado construído para executar uma tarefa específica, ou seja, customizado para um uso particular ao contrário dos CIs de uso geral.ASIC (Application Specific Integrated Circuit) - Application Specific Integrated Circuit; it is an integrated circuit built to perform a specific task, that is, customized for a particular use as opposed to general purpose ICs.
ASIP (Application-Specific Instruction Set Processor) - Processador de Conjunto de Instruções para Aplicações Específicas; é um componente de circuito integrado para execução de funcionalidades específicas que é empregado no projeto de dispositivos do tipo SoC (System on a Chip). O SoC possibilita compactar ainda mais os equipamentos ao aumentar o nível de integração de sistemas completos em um único chip, por exemplo, além do processador de uso geral, também podem ser incluídas funcionalidades específicas que tipicamente estariam externas ao chip, como processamento de vídeo, de rede e interfaces sem fio, entre outras funcionalidades.ASIP (Application-Specific Instruction Set Processor) - Application-Specific Instruction Set Processor; is an integrated circuit component for the execution of specific functionalities that is used in the design of SoC (System on a Chip) type devices. The SoC makes it possible to further compact equipment by increasing the level of integration of complete systems on a single chip, for example, in addition to the general-purpose processor, specific features that would typically be external to the chip, such as video processing, can also be included. network and wireless interfaces, among other features.
CDMA (Code Division Multiple Access) - consiste em um esquema de múltiplo acesso que emprega multiplexação de dados de usuário espalhados em frequência por código.CDMA (Code Division Multiple Access) - is a multiple access scheme that employs multiplexing of user data spread in frequency by code.
DFT-OFDMA (Discrete Fourier Transform - Orthogonal Frequency Division Multiple Access)- é um esquema de múltiplo acesso de usuários que emprega multiplexação por subportadoras ortogonais. Esse esquema se diferencia do OFDMA tradicional por não multiplexar diretamente os dados de usuários, mas a transformada DFT dos dados de usuários.DFT-OFDMA (Discrete Fourier Transform - Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - is a multiple user access scheme that employs multiplexing by orthogonal subcarriers. This scheme differs from the traditional OFDMA in that it does not directly multiplex the user data, but the DFT transform of the user data.
DMRS (Demodulation Reference Signals) - consiste em sinais de referência empregados para auxiliar na estimação do canal de transmissão.DMRS (Demodulation Reference Signals) - consists of reference signals used to help estimate the transmission channel.
DSP (Digital Signal Processor - Processador de Sinal Digital) - consiste em um processador dedicado para o processamento digital de sinais.DSP (Digital Signal Processor) - consists of a dedicated processor for digital signal processing.
FPGA (Field Programmable Gate Array) - Matriz de Portas Programável em Campo, consiste de um grande arranjo de células lógicas ou blocos lógicos configuráveis contidos em um único circuito integrado. Cada célula contém capacidade computacional para implementar funções lógicas e realizar roteamento para comunicação entre elas. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) - Entidade que une seis organizações de desenvolvimento de padrões de telecomunicações (ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TTA, TTC) a fim de gerar relatórios e especificações que definem a tecnologia 3GPP nas áreas de: redes de acesso por rádio (RAN), aspectos de serviço e sistema (SA), núcleo de rede e terminais (CT) e redes de acesso por rádio GSM EDGE (GERAN). O padrão TS 36.212 se refere a Multiplexagem e Codificação de Canal nos sistemas de Acesso Terrestre Universal via Rádio Evoluído (E- UTRA).FPGA (Field Programmable Gate Array) - Field Programmable Gate Array, consists of a large array of logic cells or configurable logic blocks contained in a single integrated circuit. Each cell contains computational capacity to implement logic functions and perform routing for communication between them. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) - Entity that brings together six telecommunications standards development organizations (ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TTA, TTC) to generate reports and specifications that define 3GPP technology in the areas of: radio access (RAN), service and system aspects (SA), core network and terminals (CT) and GSM EDGE radio access networks (GERAN). The TS 36.212 standard refers to Multiplexing and Channel Coding in Universal Terrestrial Access via Evolved Radio (E-UTRA) systems.
HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) - é um esquema híbrido de requisição automática de retransmissão em caso de erro e de decodificação de canal, onde retransmissões de mensagens ou de transmissões incrementais de bits são realizadas de modo a aumentar o desempenho da decodificação de canal para correção de erros de transmissão.HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) - is a hybrid scheme of automatic retransmission request in case of error and channel decoding, where message retransmissions or incremental bit transmissions are performed in order to increase the performance of channel decoding for correction of transmission errors.
HDL (Hardware Description Language) - consiste em linguagem de descrição de hardware que possibilita modelar circuitos digitais para serem sintetizados em uma etapa posterior, através de ferramentas de síntese automática.HDL (Hardware Description Language) - consists of a hardware description language that makes it possible to model digital circuits to be synthesized in a later stage, through automatic synthesis tools.
LTE (Long Term Evolution) - padrão de redes de comunicação móveis que se encontra em fase de adaptação por parte dos operadores que utilizam tecnologias GSM, como 3G/W-CDMA e HSPA e também pelos operadores de CDMA. Esta nova tecnologia de rádio permite velocidades de até 100 Mbit/s de downlink e 50 Mbit/s de uplink (taxas máximas).LTE (Long Term Evolution) - standard for mobile communication networks that is being adapted by operators using GSM technologies, such as 3G/W-CDMA and HSPA, and also by CDMA operators. This new radio technology allows speeds of up to 100 Mbit/s downlink and 50 Mbit/s uplink (maximum rates).
LTE-Advanced ou LTE-A - Consiste em versão posterior ao LTE que deve possibilitar taxas de comunicação no uplink e downlink superiores a 1 Gbit/s.LTE-Advanced or LTE-A - Consists of a version later than LTE that must allow communication rates in the uplink and downlink higher than 1 Gbit/s.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - consiste em esquema de modulação que emprega múltiplas portadoras ortogonais através de algoritmo eficiente de Transformada Rápida de Fourier (FFT).OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - consists of a modulation scheme that employs multiple orthogonal carriers through an efficient Fast Fourier Transform (FFT) algorithm.
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - trata-se do emprego do OFDM para prover múltiplo acesso através de alocações de blocos distintos de subportadoras e de símbolos OFDM para múltiplos usuários.OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - it is the use of OFDM to provide multiple access through allocation of distinct blocks of subcarriers and OFDM symbols for multiple users.
PAPR (Peak-to-Avarage Power Ratio) - consiste em uma medida da relação entre a potência de pico e a potência média do sinal.PAPR (Peak-to-Avarage Power Ratio) - is a measure of the ratio between the peak power and the average power of the signal.
PUCCH (Physical Uplink Control Channel) - é o canal físico responsável pela transmissão de medidas de qualidade do enlace de canal, de requisições de agendamento de transmissões do terminal e de confirmação ACK/NACK de recebimento correto de transmissões no downlink.PUCCH (Physical Uplink Control Channel) - is the physical channel responsible for transmitting channel link quality measurements, requests for scheduling transmissions from the terminal and ACK/NACK confirmation of correct reception of transmissions on the downlink.
PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) - é o canal físico responsável pela transmissão de dados de usuário, além das mesmas medidas e confirmações transmitidas no PUCCH.PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) - is the physical channel responsible for transmitting user data, in addition to the same measurements and confirmations transmitted on the PUCCH.
RB (Resource Block) - é um conjunto de recursos de transmissão de dados que é definido em um bloco de 12 subportadoras ao longo de um slot de tempo de 0,5 ms, ou seja, 6 ou 7 símbolos OFDM de acordo com o formato de quadro utilizado. SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) - é um esquema de múltiplo acesso em frequência que preserva as propriedades de baixa PAPR de transmissões de sinais de portadora única em esquemas de transmissão OFDM. TTI (Transmission Time Interval) - Intervalo de tempo que contém dados que são processados independentemente de outros intervalos. Em LTE um TTI é um subframe que equivale a 1 milissegundo. UE (User Equipment) - é o terminal de acesso do usuário. WCDMA - é a versão banda larga do CDMA.RB (Resource Block) - is a set of data transmission resources that is defined in a block of 12 subcarriers over a 0.5 ms time slot,
A rede LTE de comunicação móvel celular foi desenvolvida e padronizada no contexto do forum 3GPP para atender a demanda crescente por tráfego banda larga de dados e por aplicações interativas de tempo real em redes móveis. As tecnologias propostas para a rede LTE apresentam evoluções significativas quando comparadas as tecnologias das redes CDMA e WCDMA derivadas da terceira geração (3G) de rede celular, principalmente no que tange a interface aérea.The cellular mobile communication LTE network was developed and standardized in the context of the 3GPP forum to meet the growing demand for broadband data traffic and real-time interactive applications on mobile networks. The technologies proposed for the LTE network present significant evolutions when compared to the technologies of the CDMA and WCDMA networks derived from the third generation (3G) of the cellular network, especially with regard to the air interface.
A interface aérea do LTE rompe com o modelo de multiplexação por código de espalhamento espectral em favor da tecnologia de multiplexação por subportadoras ortogonais de banda estreita. Houve benefícios significativos em termos de eficiência espectral e de otimização do uso do espectro de sinais banda larga. Passa a ser possível a alocação múltipla de usuários em ambas as dimensões temporal e espectral, com o benefício de se ter uma alocação mais eficiente e significativamente maior de usuários ativos.The LTE air interface breaks the spread-spectrum code multiplexing model in favor of narrowband orthogonal subcarrier multiplexing technology. There were significant benefits in terms of spectral efficiency and optimization of spectrum usage for broadband signals. Multiple allocation of users in both temporal and spectral dimensions becomes possible, with the benefit of having a more efficient and significantly greater allocation of active users.
O emprego de múltiplas subportadoras ortogonais e da adição de prefixo cíclico a partir das amostras temporais do sinal simplificam os métodos de equalização do sinal recebido. Isto é consequência do fato de que a equalização é realizada por subportadora de banda estreita, o que possibilita considerar lineares as distorções provenientes do canal de transmissão. Desta forma, o processo de equalização consiste simplesmente em um ajuste de ganho e de rotação de fase de cada subportadora.The use of multiple orthogonal subcarriers and the addition of a cyclic prefix from the temporal samples of the signal simplify the methods of equalization of the received signal. This is a consequence of the fact that the equalization is performed by a narrowband subcarrier, which makes it possible to consider the distortions coming from the transmission channel as linear. In this way, the equalization process simply consists of adjusting the gain and phase rotation of each subcarrier.
No uplink, o esquema de múltiplo acesso do LTE emprega múltiplas portadoras ortogonais de banda estreita, porém os sinais proveniente dos UEs (User Equipments) são inerentemente de portadora única. O sinal de portadora única do UE é transformado para o domínio da frequência e mapeado para subportadoras consecutivas. Desta forma, passa a ser possível realizar a equalização do sinal recebido no domínio da frequência com a mesma simplicidade de um sinal OFDM. A limitação de se utilizar apenas subportadoras consecutivas limita o uso flexível e, por conseguinte, o uso mais eficiente do espectro. Por outro lado, o sinal a ser transmitido passa a ter as caraccterísticas de um sinal de portadora única, sem os problemas de PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) elevada, comuns em sinais OFDMA. Essa característica possibilita o uso de amplificadores de potência com uma menor escursão linear no UE. Isso é importante para reduzir o consumo de energia do UE e, por conseguinte, aumentar a duração da bateria.In the uplink, the LTE multiple access scheme employs multiple orthogonal narrowband carriers, but the signals coming from the UEs (User Equipments) are inherently single-carrier. The UE single-carrier signal is transformed to the frequency domain and mapped to consecutive sub-carriers. In this way, it becomes possible to perform the equalization of the received signal in the frequency domain with the same simplicity of an OFDM signal. The limitation of using only consecutive subcarriers limits flexible use and, therefore, more efficient use of spectrum. On the other hand, the signal to be transmitted now has the characteristics of a single carrier signal, without the high PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) problems, common in OFDMA signals. This feature makes it possible to use power amplifiers with a smaller linear pitch in the UE. This is important to reduce the UE's power consumption and therefore increase battery life.
O LTE-A flexibiliza a técnica de múltiplo acesso do SC-FDMA para permitir o uso segmentado do espectro, ou seja, de grupos de subportadoras não contíguos. Essa técnica de múltiplo acesso é denominada de DFT-OFDMA e também emprega a transformada DFT no sinal antes do mapeamento em frequência. Uma diferença é a possibilidade de mapear mais de um sinal transformado para grupos de subportadoras não contíguos na frequência. Desta forma, é possível, por exemplo, que o UE transmita os canais físicos PUSCH e PUCCH simultaneamente.LTE-A makes the SC-FDMA multiple access technique more flexible to allow segmented use of spectrum, that is, groups of non-contiguous subcarriers. This multiple access technique is called DFT-OFDMA and also employs the DFT transform on the signal before frequency mapping. One difference is the possibility of mapping more than one transformed signal to groups of non-contiguous subcarriers in frequency. In this way, it is possible, for example, for the UE to transmit the physical channels PUSCH and PUCCH simultaneously.
Se for utilizado apenas um único grupo de subportadoras pelo UE, o DFT-OFDMA passa a ser equivalente ao SC-FDMA. Isto garante a compatibilidade do LTE-A com o LTE. Além disso, esse é o cenário em que se consegue o menor fator de crista (PAPR) no sinal. Há uma relação de compromisso entre PAPR e eficiência espectral quando se utiliza múltiplos grupos não contíguos de subportadoras no DFT- OFDMA.If only a single group of subcarriers is used by the UE, DFT-OFDMA becomes equivalent to SC-FDMA. This guarantees LTE-A compatibility with LTE. Furthermore, this is the scenario where the lowest crest factor (PAPR) in the signal is achieved. There is a trade-off between PAPR and spectral efficiency when using multiple non-contiguous groups of subcarriers in DFT-OFDMA.
Em sistemas OFDM, o processo de equalização empregado na detecção de sinais consiste em corrigir de forma linear a amplitude e a fase de cada subportadora do sinal. Essa correção é possível a partir da estimação de canal realizada em subportadoras específicas, que transportam sinais de referência previamente conhecidos pelo receptor, denominados de DMRS (Demodulation Reference Signals). A partir da estimativa de canal realizada nas subportadoras que trafegam DMRS, é possível extrapolar e interpolar essas estimativas para as subportadoras que trafegam dados.In OFDM systems, the equalization process used in signal detection consists of linearly correcting the amplitude and phase of each signal subcarrier. This correction is possible based on the channel estimation performed on specific subcarriers, which carry reference signals previously known by the receiver, called DMRS (Demodulation Reference Signals). From the channel estimate performed on the subcarriers that carry DMRS, it is possible to extrapolate and interpolate these estimates for the subcarriers that carry data.
A estimativa de canal nas DMRS e a extrapolação e interpolação dessa estimativa para a equalização do canal é realizado no LTE em um conjunto de Resource Blocks (RBs) por subframe do sinal SC-FDMA. Cada RB é constituído por 12 subportadoras sucessivas em um slot de 0.5 ms de duração. Um subframe tem duração de 1 ms e é constituído por dois slots. O subframe é a menor unidade de alocação de usuário no tempo, enquanto que o RB é a menor unidade de alocação em frequência. O slot define o padrão de repetição temporal do sinal de referência. Dependendo do canal físico, define-se uma configuração específica para os sinais de referência. Por exemplo, o PUSCH no SC-FDMA emprega um símbolo OFDM de referência por slot. Neste caso, todas as subportadoras nesse símbolo são utilizadas como DMRS.The channel estimation in DMRS and the extrapolation and interpolation of this estimate for channel equalization is performed in LTE in a set of Resource Blocks (RBs) per subframe of the SC-FDMA signal. Each RB consists of 12 successive subcarriers in a 0.5ms long slot. A subframe is 1 ms long and consists of two slots. The subframe is the smallest user allocation unit in time, while the RB is the smallest frequency allocation unit. The slot defines the temporal repetition pattern of the reference signal. Depending on the physical channel, a specific configuration for the reference signals is defined. For example, PUSCH in SC-FDMA employs one reference OFDM symbol per slot. In this case, all subcarriers in that token are used as DMRS.
A presente invenção propõe uma arquitetura eficiente para implementação em circuito integrado de processos de equalização para sistemas LTE e LTE-A. Entretanto, qualquer processo de equalização que utilize DMRS em uma estrutura de bloco de subportadoras por subframe pode utilizar a arquitetura proposta.The present invention proposes an efficient architecture for implementing an integrated circuit of equalization processes for LTE and LTE-A systems. However, any equalization process that uses DMRS in a block structure of subcarriers per subframe can use the proposed architecture.
No estado da técnica conhecido, a publicação US20110280200A1, intitulada Hardware implementation of uplink receiver with matched throughput, também publicada como WO201114333328A1, propõe uma arquitetura para o receptor de uplink baseada em núcleos de processamento em paralelo. Essa arquitetura é projetada para prover capacidade de processamento necessária para demodular e decodificar o sinal recebido de acordo com a vazão de dados requerida pelo uplink do LTE. O nível de paralelização dessa arquitetura é limitado, empregando alguns núcleos de processamento com múltiplas instâncias de mecanismos IDFT para conseguir dar vazão aos dados recebidos pelo uplink. Essa arquitetura é bastante apropriada para implementações em dispositivos de processamento DSP multicore, que pode incluir ainda algum circuito dedicado de processamento. Entretanto, o processamento nos núcleos ainda é inerentemente sequencial. Daí a necessidade de um projeto cuidadoso para evitar gargalos de processamento, dada a alta vazão de dados do LTE nos tráfegos do uplink e do downlink. Além disso, essa arquitetura pode ter dificuldades em suportar futuras atualizações do sistema para atender a constante evolução do padrão LTE.In the known state of the art, the publication US20110280200A1, entitled Hardware implementation of uplink receiver with matched throughput, also published as WO201114333328A1, proposes an architecture for the uplink receiver based on parallel processing cores. This architecture is designed to provide the processing power needed to demodulate and decode the received signal according to the data throughput required by the LTE uplink. The level of parallelization of this architecture is limited, employing some processing cores with multiple instances of IDFT mechanisms to be able to flow the data received by the uplink. This architecture is very suitable for implementations on multicore DSP processing devices, which may also include some dedicated processing circuitry. However, processing in the cores is still inherently sequential. Hence the need for careful design to avoid processing bottlenecks, given the high throughput of LTE in uplink and downlink traffic. Additionally, this architecture may have difficulty supporting future system upgrades to meet the constantly evolving LTE standard.
A publicação WO2012030028 A1, intitulada Apparatus and method for I/Q offset cancellation in SC-FDMA system, também publicada como EP2612457A1 e US20130155833, trata de um método específico de cancelamento de IQ offset, que é uma das distorções que degradam os sinais do uplink. Esse problema de IQ offset surge tipicamente devido a problemas de calibração do front-end de RF da eNodeB e dos Ues. A publicação revela um aparelho e método para cancelamento de IQ offset em um sistema SC-FDMA. A arquitetura descrita se restringe a utilizar as DMRS dos canais físicos do uplink para implementar a funcionalidade de cancelamento do IQ offset.São utilizadas para esse fim as seguintes unidades: (a) Unidade de estimação de canal por interpolação linear para estimar o canal utilizando símbolos de referência de demodulação (DMRS); (b) Uma unidade de regeneração/cancelamento para calcular o IQ offset; (c) Uma unidade de medida/cancelamento de IQ offset para gerar um sinal VQ livre de offset . Todavia não abrange soluções de recepção completa para os canais físicos do uplink em circuito integrado.Publication WO2012030028 A1, entitled Apparatus and method for I/Q offset cancellation in SC-FDMA system, also published as EP2612457A1 and US20130155833, addresses a specific method of IQ offset cancellation, which is one of the distortions that degrade uplink signals . This IQ offset issue typically arises due to eNodeB and UEs RF front-end calibration issues. The publication discloses an apparatus and method for canceling IQ offset in an SC-FDMA system. The described architecture is restricted to using the DMRS of the physical uplink channels to implement the IQ offset cancellation functionality. The following units are used for this purpose: (a) Channel estimation unit by linear interpolation to estimate the channel using symbols demodulation reference (DMRS); (b) A regen/cancel unit to calculate the IQ offset; (c) An offset IQ offset/measurement unit to generate an offset-free VQ signal. However, it does not cover complete reception solutions for the physical uplink channels on an integrated circuit.
Ao se fazer uma busca por patentes que tratam da recepção de canais físicos do uplink, especificamente o PUSCH e o PUCCH, a maioria dos resultados se refere a métodos de estimação de canal e de regeneração de sinais.When searching for patents dealing with the reception of physical uplink channels, specifically PUSCH and PUCCH, most results refer to methods of channel estimation and signal regeneration.
Assim, por exemplo, o documento de patente US 20110286499 A1 (CA2743442A1, CN102232308A, EP2353317A2, WO2010055420A2, WO2010055420A3) propõe um método de estimação de canal MMSE com complexidade reduzida. A patente US 8515376 B2 propõe um método de estimação das funções de transferência de canais MIMO de múltiplos UEs que transmitem no uplink. Outro exemplo é o documento US 20110194633 A1 que também emprega um método voltado para estimação de canal, porém com uma arquitetura apropriada para recepção no UE do PDSCH, que é um canal físico do downlink. A publicação US 20070211815 A1, por sua vez, também descreve um método específico de processamento para a seção de decodificação de canal, onde se calcula um fator de escala para ajustar os soft bits (LLR) antes da decodificação turbo.Thus, for example, patent document US 20110286499 A1 (CA2743442A1, CN102232308A, EP2353317A2, WO2010055420A2, WO2010055420A3) proposes an MMSE channel estimation method with reduced complexity. Patent US 8515376 B2 proposes a method of estimating the MIMO channel transfer functions of multiple UEs transmitting on the uplink. Another example is the document US 20110194633 A1 which also employs a method aimed at channel estimation, but with an appropriate architecture for receiving the PDSCH at the UE, which is a physical downlink channel. The publication US 20070211815 A1, in turn, also describes a specific processing method for the channel decoding section, where a scale factor is calculated to adjust the soft bits (LLR) before the turbo decoding.
A invenção ora proposta não se limita a um método específico de processamento, mas tem o objetivo de revelar uma arquitetura que disponibiliza um arcabouço de recursos para implementação eficiente de um receptor PUSCH e PUCCH em circuito integrado, compatível com a vazão de dados e latência demandados pelo padrão 3GPP LTE e LTE-A.The invention proposed herein is not limited to a specific processing method, but aims to reveal an architecture that provides a framework of resources for the efficient implementation of a PUSCH and PUCCH receiver in an integrated circuit, compatible with the required data throughput and latency by 3GPP LTE and LTE-A standard.
Em vista do exposto, constitui um objetivo da invenção o provimento de uma arquitetura de circuito que possa ser empregada indistintamente para os canais físicos PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) e PUCCH (Physical Uplink Control Channel), independentemente do método matemático de equalização e estimação de canal que venha a ser implementado.In view of the above, it is an object of the invention to provide a circuit architecture that can be used interchangeably for the physical channels PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) and PUCCH (Physical Uplink Control Channel), regardless of the mathematical method of equalization and estimation channel that will be implemented.
Outro objetivo é o de apresentar uma arquitetura de circuito integrado para demultiplexação e compensação de degradações de sinais dos canais físicos do uplink, PUSCH e PUCCH, provenientes de múltiplas unidades móveis de acesso (UE - User Equipment) em redes LTE e LTE-A.Another objective is to present an integrated circuit architecture for demultiplexing and compensation of physical uplink channel signal degradations, PUSCH and PUCCH, coming from multiple mobile access units (UE - User Equipment) in LTE and LTE-A networks.
Mais outro objetivo é o de prover um mecanismo de demultiplexação de dados de usuário (transport blocks) e de relatórios de medidas do terminal transmitidos pelo UE no PUSCH em conformidade com as normas 3GPP TS36.212 e TS36.211.Another objective is to provide a mechanism for demultiplexing user data (transport blocks) and reporting of terminal measurements transmitted by the UE in the PUSCH in accordance with the 3GPP TS36.212 and TS36.211 standards.
Ainda outro objetivo da presente invenção é revelar uma arquitetura eficiente, voltada para dispositivos que empregam lógica configurável, como FPGA, ASIC e ASIP (Application-specific instruction set processor), de modo a distribuir eficientemente a carga de processamento entre recursos de lógica para atender aos requisitos de tempo e de latência do LTE.Yet another objective of the present invention is to reveal an efficient architecture, aimed at devices that employ configurable logic, such as FPGA, ASIC and ASIP (Application-specific instruction set processor), in order to efficiently distribute the processing load among logic resources to meet time and latency requirements of LTE.
A presente invenção contrasta com o estado da técnica por usar uma arquitetura massivamente paralela em uma estrutura de linha de montagem (pipeline), com domínios de clock pertinentes para cada seção de processamento: (a) ajuste espectral e processamento da estrutura de quadro SC-FDMA por subframe, com remoção do prefixo cíclico e cálculo da FFT; (b) estimação de canal, estimação do ruído, compensação de IQ imbalance, compensação de IQ offset, equalização e IDFT; (c) decodificação de canal e gerenciamento de processos HARQ; (d) tratamento e geração de mensagens para camadas superiores (L2).The present invention contrasts with the state of the art by using a massively parallel architecture in an assembly-line structure (pipeline), with pertinent clock domains for each processing section: (a) spectral adjustment and processing of the SC- frame structure FDMA per subframe, with cyclic prefix removal and FFT calculation; (b) channel estimation, noise estimation, IQ imbalance compensation, IQ offset compensation, equalization and IDFT; (c) channel decoding and HARQ process management; (d) treatment and generation of messages to higher layers (L2).
Os cruzamentos de domínios de clock são realizados por módulos especializados e tipicamente envolve algum gerenciamento de memória. Por exemplo, o cruzamento do domínio (a) para o (b) é realizado por um módulo denominado Demapper, que é responsável pela montagem do quadro tempo-frequência associado a um subframe e de demapear esse quadro para prover sequencialmente dados de cada usuário sequencialmente para a seção (b). [1a] Essa arquitetura tem a vantagem de ser escalonável, ter alta capacidade de processamento e explorar de forma eficiente os recursos de dispositivos FPGA e ASIC.Clock domain crossings are performed by specialized modules and typically involve some memory management. For example, the crossing of domain (a) to (b) is performed by a module called Demapper, which is responsible for assembling the time-frequency frame associated with a subframe and for demapping this frame to sequentially provide data for each user sequentially for section (b). [1a] This architecture has the advantage of being scalable, having high processing power and efficiently exploiting the resources of FPGA and ASIC devices.
Em contraposição à técnica conhecida, [4] a distorção de IQ offset, assim como o desbalanceamento IQ e desvanecimentos do ambiente de propagação são compensados em módulo apropriado de Compensação de Distorções 108 e 112. A estrutura dos blocos 108 e 112 constitui o aspecto mais relevante da presente invenção.In contrast to the known technique, [4] IQ offset distortion as well as IQ unbalance and propagation environment fading are compensated in an appropriate
A presente invenção não aborda métodos específicos de compensação de distorções, mas provê uma infraestrutura de circuito de processamento, como um arcabouço de recursos que possibilite o emprego de qualquer técnica de compensação de distorções.The present invention does not address specific distortion compensation methods, but provides a processing circuit infrastructure, as a resource framework that enables the use of any distortion compensation technique.
No contexto da arquitetura do receptor de camada física, a presente invenção revela o projeto de um componente para compensação de degradações, que são provenientes do meio de propagação de sinal e de imperfeições nos componentes de transmissão e de recepção de sinal. A arquitetura proposta para esse componente parte da premissa que há sinais de referência disponíveis para demodulação (DMRS - Demodulation Reference Signal) e, portanto, deve haver uma unidade responsável pela geração dessa sequência. Além disso, esse componente considera ainda que a estrutura do sinal a ser processado é SC-FDMA e que há uma unidade para estimação das degradações e outra unidade para a compensação das mesmas.In the context of the physical layer receiver architecture, the present invention reveals the design of a component for compensating degradations, which come from the signal propagation medium and imperfections in the signal transmission and reception components. The architecture proposed for this component is based on the premise that there are reference signals available for demodulation (DMRS - Demodulation Reference Signal) and, therefore, there must be a unit responsible for generating this sequence. In addition, this component also considers that the structure of the signal to be processed is SC-FDMA and that there is a unit for estimating degradations and another unit for compensating them.
Ainda no contexto da arquitetura da camada física do receptor, esta invenção revela sinalizações de controle e interfaces necessárias para operação conjunta do componente de compensação de degradações com os componentes de demapeamento e de decodificação de canal.Still in the context of the receiver's physical layer architecture, this invention reveals control signals and interfaces necessary for the joint operation of the degradation compensation component with the demapping and channel decoding components.
A arquitetura proposta distribui eficientemente a carga de processamento entre recursos de lógica para atender aos requisitos de tempo e de latência do LTE. Na presente invenção, o nível de paralelização da arquitetura e as seções de clock utilizados possibilitam executar toda a cadeia de recepção do uplink no intervalo de tempo de 1 subframe, que equivale a 1 ms.The proposed architecture efficiently distributes the processing load across logic resources to meet LTE time and latency requirements. In the present invention, the level of parallelization of the architecture and the clock sections used make it possible to execute the entire uplink reception chain in the time interval of 1 subframe, which is equivalent to 1 ms.
A presente invenção também revela, como exemplo, resultados da implementação da arquitetura proposta em FPGA.The present invention also reveals, as an example, results of the implementation of the proposed architecture in FPGA.
Um dos aspectos característicos da presente invenção é uma arquitetura de receptor massivamente paralela, com estrutura em pipeline e com múltiplas seções de domínio de clock , projetada para concretizações em dispositivos de circuito integrado, como FPGA, ASIC e ASIP. Essa arquitetura, que é apresentada em linhas gerais na Figura 1(a), revela os componentes principais do receptor, as interações entre os mesmos, funcionalidades e o comportamento esperado para esses componentes.One of the characteristic aspects of the present invention is a massively parallel receiver architecture, with pipeline structure and with multiple clock domain sections, designed for embodiments in integrated circuit devices such as FPGA, ASIC and ASIP. This architecture, which is presented in general lines in Figure 1(a), reveals the main components of the receiver, the interactions between them, functionalities and the expected behavior for these components.
A Figura 1(a) ilustra a arquitetura geral do circuito de recepção de sinais SC-FDMA transmitidos no uplink.Figure 1(a) illustrates the general architecture of the circuit for receiving SC-FDMA signals transmitted in the uplink.
A Figura 1(b) ilustra o particionamento da arquitetura de circuito do receptor SC-FDMA por domínio de clock.Figure 1(b) illustrates the partitioning of the SC-FDMA receiver circuit architecture by clock domain.
A Figura 2 ilustra como é realizada a demodulação dos símbolos SC-FDMA.Figure 2 illustrates how the demodulation of SC-FDMA symbols is performed.
A Figura 3 ilustra a interface de comunicação dos fluxos de dados AXI Stream A que é empregada na comunicação entre os componentes do receptor.Figure 3 illustrates the communication interface of the AXI Stream A data streams that is used in the communication between the receiver components.
A Figura 4 mostra detalhes do componente de demapeamento de canais físicos e de fluxos de dados.Figure 4 shows details of the physical channel mapping component and data streams.
A Figura 5 mostra como a matriz de dados de um usuário é serializada nas comunicações do Equalizador 108 com o Demapper 106 e com o Decodificador 114, os fluxos de dados estando compreendidos no AXI Stream B.Figure 5 shows how a user's data matrix is serialized in communications from
A Figura 6 mostra detalhes da arquitetura do Equalizador 108.Figure 6 shows details of the
A Figura 7 mostra o Diagrama de Sequência A do Componente 108 com ênfase no Componente Process 602.Figure 7 shows the Sequence Diagram A of
A Figura 8 mostra o diagrama da Máquina de Estados A do Controlador 902.Figure 8 shows the diagram of State Machine A of
A Figura 9 mostra a arquitetura estrutural do Componente de Processamento 602.Figure 9 shows the structural architecture of
A Figura 10 mostra o Diagrama de Sequência B do Componente 108 com ênfase no Componente de Estimação de Canal 604.Figure 10 shows the B Sequence Diagram of
A Figura 11 mostra o diagrama da Máquina de Estados B do Controlador 1202.Figure 11 shows the diagram of State Machine B of
A Figura 12 mostra a arquitetura estrutural do componente de estimação de canal 1202.Figure 12 shows the structural architecture of
A Figura 13 mostra o Diagrama de Sequência C do Componente 108 com ênfase no Componente GenRef 606.Figure 13 shows the C Sequence Diagram of
A Figura 14 mostra o diagrama da Máquina de Estados C do Controlador 1502.Figure 14 shows the 1502 Controller C State Machine diagram.
A Figura 15 mostra a arquitetura estrutural do Componente de Geração do Sinal de Referência Zadoff-Chu 606.Figure 15 shows the structural architecture of the Zadoff-
A revelação da arquitetura do receptor PUCCH e PUSCH é importante para prover o contexto operacional em que está inserido o aspecto da invenção que se deseja detalhar no presente pedido de patente, que são os componentes 108 e 112, empregados para compensação de distorções geradas no percurso do sinal do uplink.The disclosure of the architecture of the PUCCH and PUSCH receiver is important to provide the operational context in which the aspect of the invention that you want to detail in this patent application is inserted, which are
Os componentes de circuito de maior nível hierárquico são apresentados na Figura 1(a).The higher-level circuit components are shown in Figure 1(a).
A Figura 1(b) ilustra um [5] particionamento dos circuitos por domínio de clock. Considerando a arquitetura do receptor ilustrada nessas figuras, uma concretização foi realizada em FPGA com quatro domínio de clocks, que é o mínimo necessário para concretização da arquitetura 100.Figure 1(b) illustrates a [5] partitioning of circuits by clock domain. Considering the receiver architecture illustrated in these figures, an implementation was performed in FPGA with four clock domains, which is the minimum necessary to implement
Define-se o [6] domínio de clock Clk1 para o componente de demodulação SC-FDMA 104, que opera na taxa de amostragem do sinal de uplink de 30,720 MHz.[6] Clk1 clock domain is defined for the SC-
Outro [7] domínio de clock, Clk2, que pode ser um múltiplo de 30,720 MHz, é definido para a operação dos componentes de compensação do PUSCH 108 e de compensação do PUCCH 112. Na concretização em FPGA foi utilizado um clock de 61,480 MHz. A decodificação de canal do PUSCH 114 é realizada em um domínio de clock específico, Clk3, devido às demandas de processamento e à necessidade de gerenciamento de processos HARQ, que são responsáveis pela recepção de incrementos de dados adicionais (bits de paridade) para decodificação de blocos de transporte de dados que foram detectados com erros (NACK).Another [7] clock domain, Clk2, which can be a multiple of 30.720 MHz, is defined for the operation of the compensation components of
A decodificação do PUCCH 116 é menos complexa computacionalmente e pode ser realizada tanto no domínio de clock Clk2, como no domínio Clk3. O domínio Clk4 é utilizado para operação do componente FAPI 118, que realiza a troca de mensagens e de comandos com as camadas superiores da pilha de protocolos de rádio.The decoding of
Segue uma descrição geral dos componentes de mais alta hierarquia apresentados nas figuras 1(a) e 1(b).A general description of the highest hierarchy components shown in Figures 1(a) and 1(b) follows.
A interface com os conversores AD (Analógico para Digital) é realizada pelo componente de circuito 102. Esse componente gera dois fluxos de dados, I e Q, a uma taxa constante de 30,720 MSa/s, resultante de uma amostragem com frequência de 30,720 MHz. Um exemplo de concretização que empregue 12 bits de quantização por amostra deve resultar em fluxos de dados I e Q com taxa de 368,64 Mbps cada.The interface with the AD (Analog to Digital) converters is performed by the
O componente de demodulação SC-FDMA 104 recebe como entrada os fluxos de sinal I e Q, definidos no domínio do tempo, e retorna os fluxos transformados para o domínio da frequência por símbolo SC-FDMA. A partir desse componente, toda a transferência de fluxos de sinal (streaming) é realizada por rajada, com sinalização apropriada segundo formato padrão AXI Streaming. Mais detalhe sobre esse formato será apresentado adiante. Sinais de sincronização e de sinalização de quadro também são empregados como entrada para esse componente. Tais sinais são necessários para indicação dos blocos de amostras de símbolo SC-FDMA no processamento dos símbolos.The SC-
O componente Demap 106 é responsável pela montagem da matriz de dados, que é armazenada em 110 e envolve amostras de sinal I e Q por subportadora e por símbolo SC-FDMA, sendo que são considerados tantos símbolos quanto forem necessários para completar um subframe. Esse componente também é responsável pelo demapeamento, a partir dessa matriz, dos fluxos de dados de usuário do PUSCH e de relatórios de usuário do PUCCH. Desta forma, por ser a fonte de fluxo de dados para as cadeias de processamento do PUCCH e do PUSCH, o componente 106 é ainda responsável por disparar o processamento e a configuração dos estágios subsequentes 108 e 112 de compensação das degradações do meio de propagação do sinal do uplink.The
Na arquitetura proposta, o processo de montagem da matriz de dados do subframe concorre com o processo de demapeamento dos fluxos de sinal por UE e por canal físico (PUSCH e PUCCH). Para evitar perda de dados, é empregado um mecanismo denominado de “ping pong”, que consiste em empregar duas matrizes. Enquanto uma matriz é montada para processamento, outra matriz, já montada, é processada. A cada período de subframe, trocam-se as matrizes.In the proposed architecture, the subframe data matrix assembly process competes with the process of mapping the signal flows per UE and per physical channel (PUSCH and PUCCH). To avoid data loss, a mechanism called “ping pong” is used, which consists of employing two matrices. While an array is assembled for processing, another array, already assembled, is processed. At each subframe period, the matrices are changed.
As degradações do meio de propagação são compensadas independentemente para os canais físicos PUSCH e PUCCH através dos respectivos componentes Compens PUSCH 108 e Compens PUCCH 112. A necessidade de componentes distintos para o PUSCH e PUCCH se deve a especificidades nos padrões de multiplexação de dados de usuários, que são multiplexados por subportadoras no PUSCH e por código de espalhamento no PUCCH. Além disso, os padrões de geração e de alocação das sequências de referência (DMRS) também são diferentes. Embora os componentes Compens PUSCH 108 e Compens PUCCH 112 empreguem métodos distintos para geração das DMRS, para a estimação e para a compensação das degradações, a arquitetura para o processamento de sinais é semelhante.The propagation medium degradations are compensated independently for the PUSCH and PUCCH physical channels through the respective
Os componentes de decodificação de canal 114 e 116, particularmente o de decodificação do PUSCH 114, implementam a decodificação de acordo com a norma 3GPP TS 36.212. O processamento desse componente 114 parte da confiabilidade de bit (LLR - Log-Likelihood Ratio, ou razão de verossimilhança) estimada internamente através da SNR estimada no componente 108. O componente 114 processa fluxo de dados do PUSCH por UE, e retorna como possíveis resultados o bloco de transporte de bits UL-SCH e os relatórios de parâmetros do UE denominados de CQI, RI e PMI. O componente 116 de decodificação do PUCCH processa dados por usuário que foram desespalhados e demultiplexados pelo componente 112, e pode retornar, por usuário, o parâmentro SR (SR - Scheduling Request) e os parâmetros CQI, RI e PMI. O Componente CDC/FAPI 118 realiza a interface com a camada de controle de acesso ao meio (MAC ou L2) que é responsável pelo controle de alocação de usuários na matriz de dados 110, nível de modulação, taxa de codificação, entre outras funções. Além de realizar a configuração do receptor de camada física PUSCH e PUCCH por subframe, a Camada MAC (L2) também provê blocos de transporte de bits para serem consumidos pelo transmissor do downlink (não descrito nesta invenção) e consome blocos de transporte de bits providos pelo receptor do uplink. A comunicação entre o receptor 100 e a camada L2 é realizada através de um protocolo específico que, no lado do receptor 100, é realizado pelo componente Componente CDC/FAPI 118. Esse componente integra a síntese e a análise de mensagens do protocolo FAPI, realiza cruzamentos de domínio de clock para configuração dos componentes de 100, e implementa a interface de comunicação física que pode ser Gigabit Ethernet ou PCIe.The
Projetou-se o componente 108 de compensação de degradações do PUSCH conforme a estrutura apresentada para o receptor em 100. Isto impõe alguns requisitos de projeto compreendendo, por exemplo: operar sob o domínio de clock Clk2; disponibilizar uma interface de configuração para o componente Demapper 106; processar os fluxos de usuário com latência e intervalo de tempo inferior a 1 subframe (1 ms); retornar, como resultados do processamento, fluxos de dados de usuário e as respectivas estimativas de ruído em formato AXI compatível com o componente 114. A presente invenção descreve a compensação das degradações de canal, através da estimação, interpolação e equalização linear do canal. Entretanto, a arquitetura apresentada pode ser diretamente aplicada para compensação das degradações remanescentes de uma calibração não ideal dos próprios equipamentos de transmissão e de recepção, que podem gerar as degradações conhecidas por desbalanceamento IQ e translação IQ (IQ offset).The PUSCH
O fulcro da presente invenção é o subsistema de demodulação que compreende os componentes 104, 106, 108, 110 e 112, especialmente o componente 108 para compensação de degradações do meio de propagação do canal PUSCH.The fulcrum of the present invention is the demodulation subsystem which comprises
A compensação das degradações de transmissão e de recepção de sinal, como as realizadas por funcionalidades de equalização dos desvanecimentos de canal, translação de sinal I/Q e desbalanço I/Q, são tratadas na presente invenção a partir do domínio da freqüência, após a demultiplexação do sinal transmitido para cada UE.Compensation of signal transmission and reception degradations, such as those performed by channel fade equalization features, I/Q signal translation and I/Q unbalance, are dealt with in the present invention from the frequency domain, after the demultiplexing the transmitted signal for each UE.
Neste caso, a dinâmica de processamento dos circuitos é equivalente a uma linha de montagem (pipeline) que processa de forma sucessiva dados dos UEs no Domínio de Clock Clk2:In this case, the dynamics of circuit processing is equivalent to an assembly line (pipeline) that successively processes data from the UEs in the Clk2 Clock Domain:
1. O componente Demapper 106 indica com o sinal NUI (New User Indication) para o componente 108 que será realizada a transferência de dados de um UE. Em paralelo com o sinal NUI são transferidos parâmetros de configuração para o componente 108.1. The
2. O componente 108 estima as degradações de canal a partir das DMRS armazenadas em 110.2.
3. O componente Demapper 106 realiza a leitura de dados do UE a partir da matriz de dados 110 e transfere esses dados para o componente 108 através de uma interface AXI Streaming.3. The
4. À medida que os dados são transferidos, também são processados e entregues para decodificação de canal de forma contínua.4. As data is transferred, it is also processed and delivered for channel decoding on an ongoing basis.
O processo de [11] demodulação do sinal SC-FDMA, responsável pela conversão do sinal para o domínio da frequência, é apresentado na Figura 2. Os fluxos de dados I/Q, gerados a uma taxa de amostragem constante de 30,720 MHz pelo componente 102, são processados continuamente por uma estrutura pipeline, seguindo o mesmo padrão aplicado à totalidade da arquitetura. Esse processo pode ser então segmentado a partir dos seguintes componentes:The process of [11] demodulation of the SC-FDMA signal, responsible for converting the signal to the frequency domain, is shown in Figure 2. The I/Q data streams, generated at a constant sampling rate of 30.720 MHz by the
• Componente de Sinalização 202 que é responsável por adicionar uma sinalização de controle apropriada para rajadas de fluxos contínuos de dados, constituída por sinais de “star” e “valid” e sincronizada com a estrutura de quadro esperada;•
• Componente Remove Prefixo Cíclico 204 que é responsável por marcar como inválidas, através da sinalização de controle, as amostras de sinal correspondentes ao prefixo cíclico do sinal SC-FDMA;• Component
• Componente de Ajuste Espectral 206 que é responsável pelo processamento temporal do desvio de frequência de meia subportadora que é gerado no transmissor para evitar nível DC no sinal;•
• Componente FFT Streaming 208 que realiza o processamento de transfomada de bloco FFT permitindo o fluxo contínuo de dados em seu processamento ao custo de apenas uma latência inicial.• FFT Streaming 208 component that performs FFT block transform processing allowing the continuous flow of data in its processing at the cost of only one initial latency.
A Figura 3 ilustra a sinalização de controle da interface AXI Streaming, aqui denominada AXI Streaming A, que é empregada na comunicação entre os componentes de processamento de 100. Os bits das amostras dos sinais I/Q do fluxo de dados são concatenados conforme mostrado em 302, onde os bits do sinal I são mapeados para os bits menos significativos (LSB - Least Significant Bits) de D, e os bits de Q são mapeados para os bits mais significativos (MSB - Most Significant Bits) de D. O componente subsequente (Slave) da cadeia de processamento, que consome o fluxo de dados, deve sinalizar que está pronto para operar através do sinal TReady 304. O componente antecedente (Master) da cadeia, que provê o fluxo de dados, deve prover os sinais TValid 306 e TLast 308 em paralelo com o fluxo de dados do barramento TData 310. O sinal TValid 306 sinaliza as amostras válidas de uma rajada de dados em TData 310 e Tlast 308 sinaliza a última amostra dessa mesma rajada de dados.Figure 3 illustrates the control signaling of the AXI Streaming interface, here called AXI Streaming A, which is used in the communication between the 100 processing components. The bits of the I/Q signal samples of the data stream are concatenated as shown in 302, where the bits of the I signal are mapped to the least significant bits (LSB - Least Significant Bits) of D, and the bits of Q are mapped to the most significant bits (MSB - Most Significant Bits) of D. The subsequent component (Slave) of the processing chain, which consumes the data stream, must signal that it is ready to operate through the
O fluxo contínuo de dados gerados pelo Componente FFT Streaming 208 é consumido pelo Componente Demapper 106, ainda no domínio de clock Clk1, para montar a matriz de dados tempo- frequência 110 de um subframe, e contendo um número de subportadoras proporcional à largura de banda do sinal.The continuous data stream generated by the
A Figura 4 revela a arquitetura de mais alto nível hierárquico para os componentes Demapper 106 e Memória Ping-Pong 110. Essas estruturas provêem o mecanismo para o cruzamento entre os domínios de clock Clk1 e Clk2 sem perda de dados. O componente 402 do Demapper 106 é responsável por consumir o fluxo de dados I/Q e montar na memória a matriz de dados, que será utilizada para demultiplexação dos canais físicos PUSCH e PUCCH e dos dados provenientes de múltiplos UE multiplexados nesses canais físicos. Por outro lado, o componente 404 opera no domínio de clock Clk2 e realiza a leitura da matriz de dados referente a alocação de um UE no PUSCH em um conjunto contínuo de subportadoras. É importante destacar, porém, que as matrizes de dados em que atuam os componentes 402 e 404 contém dados de alocação de UEs provenientes de subframes distintos, embora subsequentes.Figure 4 reveals the highest hierarchical level architecture for the
O componente 110 é responsável por manter pares de matrizes de dados 406 e 410 de subframes subsequentes. Esse componente 110 opera em sintonia com os componentes 402 e 404 do Demapper 106, de modo que fica transparente para 402 e 404 qual é a matriz de trabalho. O componente 404 sempre trabalha na matriz 406 que foi preenchida no subframe anterior pelo componente 402. O subframe atual sempre é processado pelo componente 402 no sentido de preencher a matriz de dados 410.
A comutação entre as matrizes 406 e 410 é realizada pelo mecanismo desenvolvido em 414. Os componentes 402 e 404 não tem acesso direto às portas de leitura e escrita das memórias que armazenam as matrizes 406 e 410, mas às portas que são disponibilizadas pelo mecanismo de comutação 414. A cada novo subframe, que ocorre a cada 1 ms, o mecanismo de comutação 414 troca internamente o acesso às memórias. Assim, quando se termina um subframe, a memória 410 preenchida pelo componente 402 passa a ser acessada pelo componente 404, enquanto que a memória 406 que foi processada pelo componente 404 passa para ser preenchida pelo componente 402.Switching between
Por motivo de simplicidade, a matriz de dados tempo- frequência foi dividida em uma parte para armazenar os símbolos SC- FDMA de dados, e em outra parte para armazenar as DMRS. As DMRS consistem em dois símbolos SC-FDMA e são representadas pelas matrizes em memória ping-pong 408 e 412, com o mecanismo de comutação 416 que funciona do mesmo modo que o mecanismo 414. A diferença é que o acesso à matriz 408 preenchida com as amostras de DMRS é disponibilizada para portas de leitura e escrita que são conectadas ao componente 108. Essa estratégia foi adotada para que a mesma memória que armazena as sequências DMRS possa ser utilizada para armazenar a estimativa de canal. Esse procedimento otimiza o uso da memória e economiza recursos de hardware.For the sake of simplicity, the time-frequency data matrix has been divided into one part to store the SC-FDMA data symbols, and another part to store the DMRS. The DMRS consist of two SC-FDMA symbols and are represented by the 408 and 412 ping-pong memory arrays, with the 416 switching mechanism operating in the same way as the 414 mechanism. The difference is that the access to the 408 array is filled with the DMRS samples are made available to read and write ports that are connected to
Como mencionado, o Demapper 106 é responsável por configurar e disparar as cadeias de processamento (cadeias de pipeline) dos componentes 108 e 112. A configuração é realizada através de sinalização NUI (New User Indication) que é um pulso utilizado para carregar parâmetros de configuração disponibilizados em um barramento esspecífico para essa função. Após a configuração do componente, a transferência de dados segue a interface AXI Streaming mostrada na Figura 5, aqui denominada AXI Stream B. Os dados de usuário (UE) correspondem a um subconjunto de linhas 502 da matriz de dados que são serializadas conforme indicado em 512. As sinalizações de controle da interface são indicadas por 506, 508 e 510. A transferência de dados serial 512 pode ser realizada apenas após o componente 108 e 112 sinalizar com TReady 506 em nível alto. Os dados são então transferidos em rajada com as amostras válidas indicadas pela sinalização TValid 508 e a última amostra da rajada de dados do UE indicada pelo pulso na linha TLast 510. O formado do barramento de dados D 504 segue a mesma estrutura de 302.As mentioned,
A Figura 6 mostra o detalhamento do nível hierárquico de topo para o componente Compensador PUSCH 108, que é constituído pelos seguintes componentes:Figure 6 shows the breakdown of the top hierarchical level for the
• O componente de Processamento 602 é responsável pelo processamento do fluxo de dados de UE gerados pelo Demapper 106. A compensação dos dados é realizada com base na estimação de canal gerada para cada amostra pelo componente de Estimação 604;• The
• O componente de Estimação 604 é responsável pela leitura da Memória Mem DMRS 408 para realizar a estimação de canal nas respectivas subportadoras das DMRS. Para cada amostra da DMRS há uma estimativa de canal que é escrita na respectiva posição de memória da DMRS. A estimativa de canal é realizada tendo como referência as amostras das DMRS geradas localmente pelo componente Geração de Referência 606. A estimativa de canal para as amostras de dados é gerada através de algum esquema de interpolação e extrapolação das estimativas obtidas para as DMRS;• The 604 Estimation component is responsible for reading the
• O componente Geração de Referência Zadoff-Chu 606 gera os sinais de referência Zadoff-Chu de acordo com parâmetros de configuração fornecidos pelo Demapper 106;• The Zadoff-
• O componente IDFT 608 também emprega uma interface AXI Streaming conforme indicado na Figura 5 para processar a transformada discreta de Fourier de bloco em cada símbolo. O comprimento da IDFT vai depender de quantas linhas da matriz de dados 502 estão alocadas para o usuário. Cada linha corresponde a uma subportadora de dados. A saída do componente IDFT 608 emprega a mesma interface AXI Streaming da entrada.• The
A operação do componente de Processamento 602 depende apenas dos componentes Demapper 106 e Estimação de Canal 604. A troca de sinalização entre esses componentes é ilustrada no diagrama de sequência A da Figura 7.The operation of the
Todo o processo de equalização das degradações de canal se inicia com um pulso na linha de NUI (New User Indication). Para o Equalizador 602 também é carregado o parâmetro NDFT, que fornece o tamanho do bloco de amostras da IDFT. Esse parâmetro indica o número de linhas da matriz de dados que serão lidas e transferidas pelo Demapper 106. O número de símbolos da matriz de dados 502 não precisam ser carregadas, pois esse parâmetro é conhecido previamente da fase de inicialização da eNodeB. Por exemplo, se o formato da estrutura de quadro utilizar prefixo cíclico normal, então o número de símbolos de dados SC-FDMA, excluindo os 2 símbolos DMRS, será 12. Caso contrário, se o prefixo cíclico for do tipo extendido, então o número de símbolos de dados será 10.The entire process of equalizing channel degradations starts with a pulse on the NUI (New User Indication) line. For
Porém, o processo de equalização estará pronto para iniciar apenas quando o componente EstCh 604 sinalizar com um pulso na linha ChEstDone. Quando o Equalizador 602 recebe o sinal ChEstDone, a linha TReady da interface AXI de entrada sobe para o nível alto (1) e é mantido nesse nível até que o Demapper transfira todas as amostras de dado do UE. O equalizador utiliza Dados do UE provenientes do Demapper 106 e Dados de Estimação de Canal (ChEstData) proveniente do componente EstCh 604 que são sincronizados através de FIFOs e do sinal TValid antes da etapa de processamento.However, the equalization process will be ready to start only when the
O fluxo de sinalização e o fluxo de dados de usuário são tratados de forma desacoplada pelo componente 602. O diagrama de máquina de estados para o tratamento da sinalização e controle de processamento é apresentado na Figura 8. A estrutura de processamento é particionada pelo Controlador 902 e pelos componentes de processamento de dados que envolvem FIFOs e o módulo de processamento de dados, conforme ilustrado pela Figura 9.The signaling flow and the user data flow are handled decoupled by
A Máquina de Estados do Controlador 902 , ilustrada na Fig. 8 e aqui denominada Máquina de Estados A, possui um estado de Início 802 que é tipicamente um modo de operação do Controlador 902 que reseta toda a cadeia de processamento do Equalizador 602. Esse modo de operação é levado por eventos de reset (rst) ou pela sinalização de novo subframe (SFI). Esse é um procedimento que sincroniza o Equalizador 602 com eventos de subframe, possibilitando que qualquer erro na dinâmica de operação dos componentes possa ser detectado, sem levar a máquina a travar em algum estado errado. O flag de erro E1 sinaliza a ocorrência de um SFI fora do estado esperado.
Do mesmo modo, há um flag de erro F1 que sinaliza a ocorrência de um NUI antes do esperado. NUI e SFI podem ocorrer apenas quando o Controlador 902 se encontra no Estado Config. O Estado de Configuração 804 consiste em um estado de espera que é utilizado para manter a operação do Equalizador 602 sincronizada com o Estimador de Canal 604 e com o Demapper 106. Por xemplo, em operação normal, espera-se sinal EstChDone para que haja uma mudança do estado de espera 804 para o estado de processamento 806.Likewise, there is an F1 error flag that signals the occurrence of a NUI earlier than expected. NUI and SFI can only occur when the 902 Controller is in Config State. The 804 Configuration State consists of a wait state that is used to keep the operation of the
O estado de processamento 806 é o modo de operação em que o equalizador permanece até finalizar o processamento de dados, que consiste em um número finito de ciclos equivalente ao número de amostras transferidas pelo Demapper 106. Por exemplo, para uma estrutura de quadros de sinal com prefixo cíclico normal, o número de ciclos necessários para transferência de dados corresponde a NDFT vezes 10, sendo que são transferidas e processadas uma amostra por ciclo de clock. Terminado esse número de ciclos, o controlador volta para o Estado Config 804 e permanece nesse estado aguardando pelas sinalizações SFI, NUI e EstChDone.Processing
O componente EstCh 604 é o componente mais complexo de 108 sob o critério de ter mais interações com outros componentes. O Estimador de Canal 604 realiza troca de sinalização com os componentes Demapper 106, Mem DMRS 408, GenRef 606 e Process (Equalizador) 602. O componente 604 também realiza troca de dados através de interfaces AXI Streaming (ver Figura 3) com os componentes GenRef 606 e Process 602.The
A interação com o componente Demapper 106 é realizada devido à necessidade de configuração do parâmetro NDFT do Estimador de Canal para cada submatriz de dados 502 dos UEs multiplexados no PUSCH. É importante destacar que o componente 108 possui duas linhas de configuração independentes. Uma linha é responsável pela configuração do componente Process 602, que será realizada após o sinal EstChDone. A outra linha de configuração é roteada para os componentes EstCh 604 e GenRef 606. Esses componentes 604 e 606 devem operar e estar prontos antes do componente 602.The interaction with the
Uma vez disparada a operação do componente EstCh 604 pelo Demapper 106, o componente EstCh instrui o componente GenRef para gerar em tempo real, com uma amostra por ciclo de clock, amostras do sinal de referência Zadoff-Chu correspondente a dois símbolos SC- FDMA com NDFT amostras cada. À medida que amostras de referência são geradas pelo componente 606, o componente EstCh lê da memória 408 a amostra correspondente de sinal DMRS, realiza a estimação de canal para a correspondente subportadora e salva o resultado nessa mesma memória 408. Em paralelo, calcula-se também uma estimativa da variância média do ruído para cada símbolo SC-FDMA.Once the
Finalizada a estimação de canal para as DMRS e a estimação da variância de ruído para cada uma das duas DMRS do subframe, o componente EstCh 604 entra no modo de suporte a equalização com a sinalização da linha EstChDone. Quando o componente Process 602 responde Ready para o Estimador de Canal 604, o mesmo gera na interface AXI com o Equalizador 602 uma estimativa do coeficiente que inverte o canal na portadora de dados através das informações obtidas do canal nas DMRS, incluindo aí a estimativa da variância de ruído. Qualquer método de inversão de canal, como MMSE e LSE, pode ser utilizado, assim como qualquer método de interpolação de canal.Once the channel estimation for the DMRS and the noise variance estimation for each of the two DMRS of the subframe is finished, the
A estrutura do componente 604 é semelhante àquela do componente 602 no que tange ao desacoplamento entre dados e controle. Nesse contexto, a Figura 11 mostra a máquina de estados do Controlador 1202, aqui denominada Máquina de Estados B, e a Figura 12 a arquitetura estrutural do componente 604.The structure of
A máquina de estados do Controlador possui os estados Início 1102 e Espera 1104 equivalentes aos estados 802 e 804 do componente Process 602. O Estado de Equalização 806 do componente Process está sincronizado com os Estados Estima Canal 1106, Latência de Processamento 1108 e Suporta Equalização 1110 devido as sinalizações NUI, EstChDone e as sinalizações das interfaces AXI TLast e TReady.The Controller state machine has the
A arquitetura estrutural do componente 604 é semelhante à do componente de Processamento de Dados 602 pelo fato de o Controlador 1202 ser responsável pela geração e tratamento de toda sinalização de controle. As cadeias de processamento de dados 1204 tem sua particularidade devido ao Alinhamento de Atraso 1206 necessário para sincronização com o componente de Geração de Sinal de Referência 606. Há ainda um componente para o processamento da estimativa da variância de ruído nas DMRS.The structural architecture of the 604 component is similar to that of the 602 Data Processing component in that
A dependência de outros componentes é menor para o componente GenRef 606. Esse componente depende apenas do Demapper 106 para configuração e do componente EstCh 604, que é slave na interface AXI para a transferência do sinal de referência gerado.The dependency on other components is lower for the
O componente EstCh 604 precisa apenas sinalizar que está pronto na linha TReady da interface AXI.The
Como é mostrado nas Figuras 14 e 15, o padrão de desenvolvimento é o mesmo dos componentes 602 e 604. A arquitetura do componente está estruturada em Controle 1502 e Processamento 1504. O Controlador 1502 trata toda a sinalização de controle e também registra os parâmentros de configuração, que são o parâmetro ncs (relativo ao atraso cíclico da sequência Zadoff-Chu), e o parâmetro q (relativo à raiz da Zadoff-Chu), os quais são definidos pela norma 3GPP TS36.211. Também é registrado no Controlador 1502 o comprimento da IDFT a ser aplicado para o UE a ser processado.As shown in Figures 14 and 15, the development pattern is the same as for
A geração da sequência, realizada pelo componente 1504, tem como requisito a geração de uma amostra por ciclo de clock. Esse requisito leva a uma possível concretização que utilize vários estágios de pipeline, o que deve resultar em alguma latência. O Estado Latência de Processamento 1406 é introduzido no controlador para manter a sincronização com os demais componentes do sistema. Por exemplo, a ocorrência de algum NUI ou SFI durante esse estado é uma indicação de perda de sincronização que é sinalizada no flag F1.The generation of the sequence, performed by the 1504 component, requires the generation of a sample per clock cycle. This requirement leads to a possible realization that uses multiple pipeline stages, which should result in some latency.
O componente 108 foi concretizado e validado para o dispositivo FPGA Xilinx LX240T empregando a arquitetura proposta nesta invenção.
Foram utilizados métodos de equalização ZF e interpolação linear.ZF equalization and linear interpolation methods were used.
O gerador da sequência de referência utilizou uma arquitetura CORDIC para implementar a Zadoff-Chu.The reference sequence generator used a CORDIC architecture to implement Zadoff-Chu.
O resultado de ocupação de recursos da FPGA é apresentado na tabela a seguir: Tabela 1 - Utilização de Recursos de Lógica da FPGAThe result of occupation of FPGA resources is presented in the following table: Table 1 - Use of FPGA Logic Resources
Claims (31)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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