LTE系統(tǒng)的CRC校驗(yàn)算法研究及DSP實(shí)現(xiàn)

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼[1]CRC（Cyclic Redundancy Check）是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，其特征是信息字段和校驗(yàn)字段的長(zhǎng)度可以任意選定。

為了完成信號(hào)傳輸過(guò)程中誤碼檢測(cè)，獲得正確無(wú)誤的傳輸數(shù)據(jù)，LTE(Long Term Evolution)系統(tǒng)針對(duì)不同的數(shù)據(jù)傳輸采用了多種格式的循環(huán)冗余碼，以適應(yīng)系統(tǒng)高速率高性能的需求。

1 LTE系統(tǒng)中的循環(huán)冗余碼

LTE作為準(zhǔn)4G技術(shù)，以正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和多輸入多輸出MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)技術(shù)為基礎(chǔ)，下行采用正交頻分(OFDM)多址技術(shù)，上行采用單載波頻分(SC-FDMA)多址技術(shù)，在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mb/s與上行50 Mb/s的峰值速率。

LTE TDD(亦稱TD-LTE)系統(tǒng)采用了4種格式[2]的CRC：CRC24A、CRC24B、CRC16、CRC8。其生成多項(xiàng)式如下：

其中長(zhǎng)度為24的CRC24A和CRC24B主要用于共享信道數(shù)據(jù)傳輸[3]，長(zhǎng)度為16的CRC16主要用于下行控制信道和廣播信道數(shù)據(jù)傳輸，長(zhǎng)度為8的CRC8主要用于CQI（Control quality information）信息的傳輸。

2 CRC算法分析及選擇

CRC的校驗(yàn)原理非常簡(jiǎn)單，它要求發(fā)送方和接收方采用同一個(gè)生成多項(xiàng)式g(x)，且g(x)的首位和末位的系數(shù)必須為l。編碼時(shí)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)t(x)除以g(x)，得到的余數(shù)作為CRC校驗(yàn)碼添加到t(x)的后面；譯碼時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)r(x)除以g(x)，如果余數(shù)為0，則說(shuō)明校驗(yàn)正確，否則校驗(yàn)失敗，從而判斷數(shù)據(jù)幀是否出錯(cuò)。在工程應(yīng)用中，常用的CRC校驗(yàn)算法主要有兩種：查表生成法和塊異或長(zhǎng)除法。

這種算法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算量小、速度快、效率高；缺點(diǎn)是可移植性較差，且要事先計(jì)算出余式表，而不同長(zhǎng)度的生成多項(xiàng)式的余式表不同，因此余式表會(huì)占用系統(tǒng)較大的存儲(chǔ)空間，增大系統(tǒng)資源開(kāi)銷。

2.2 塊異或長(zhǎng)除法

塊異或長(zhǎng)除法是依據(jù)CRC校驗(yàn)碼的產(chǎn)生原理實(shí)現(xiàn)的。算法描述如下：

(1)初始化，將寄存器初始化為0。
(2)在信息比特后添加CRC長(zhǎng)度個(gè)0，最終作為CRC添加的空間。
(3)讀取一個(gè)數(shù)據(jù)塊（塊的大小由處理器的字的單位長(zhǎng)度決定）。
(4)判斷塊的最高位是否為‘1’，若為‘1’則數(shù)據(jù)塊與生成多項(xiàng)式做一次異或操作。
(5)將數(shù)據(jù)左移一位，如果當(dāng)前塊的剩余比特等于CRC生成多項(xiàng)式的長(zhǎng)度，則轉(zhuǎn)入步驟(3)；否則轉(zhuǎn)入步驟(4)。
(6)如果所有數(shù)據(jù)都已經(jīng)操作完畢，則計(jì)算結(jié)束，寄存器中的值為最終求得的CRC。

這種算法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、修改靈活、可移植性好，對(duì)任意長(zhǎng)度的生成多項(xiàng)式都適用；但因?yàn)樗淮沃荒芴幚硪晃粩?shù)據(jù)，因此計(jì)算效率低，運(yùn)算量大。

如前所述，在TD-LTE系統(tǒng)中采用了4種格式的CRC，如果采用查表算法，則需要建立4張查找表，會(huì)占用系統(tǒng)較大的存儲(chǔ)空間，且程序移植性差；如果采用塊異或長(zhǎng)除法，則又會(huì)出現(xiàn)計(jì)算效率低，運(yùn)算量大的問(wèn)題。

綜上分析，結(jié)合項(xiàng)目需求及系統(tǒng)硬件配置，考慮到系統(tǒng)所采用的高效DSP處理器——TMS320C64x（主頻最高可達(dá)到1.2 GHz）可以彌補(bǔ)塊異或長(zhǎng)除法的低效性，系統(tǒng)最終采用塊異或長(zhǎng)除法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 CRC算法的DSP實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件簡(jiǎn)介

TMS320C6000系列DSP是TI公司1997年2月推向市場(chǎng)的高性能DSP，綜合了目前DSP性價(jià)比高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。TMS320C64x系列在TMS320C6000 DSP芯片中處于領(lǐng)先水平，它不但提高了時(shí)鐘頻率，而且在體系結(jié)構(gòu)上采用了VelociTI甚長(zhǎng)指令集VLIW(Very Long Instruction Word）結(jié)構(gòu)[5]，片內(nèi)有8個(gè)獨(dú)立功能單元的內(nèi)核，每個(gè)周期可以并行執(zhí)行8條32 bit指令，最大峰值速度4 800 MIPS，2組共64個(gè)32 bit 通用寄存器，32 bit 尋址范圍，支持8/16/32/40位的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，片內(nèi)集成大容量SRAM，最大可達(dá)8 Mbit。由于其出色的運(yùn)算能力、高效的指令集、大范圍的尋址能力，使其特別適用于無(wú)線基站、測(cè)試儀表等對(duì)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)量有高要求的應(yīng)用場(chǎng)合。

3.2 CRC校驗(yàn)的DSP實(shí)現(xiàn)

因?yàn)橄到y(tǒng)采用了4種格式的CRC，如果對(duì)每種格式進(jìn)行單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，不僅任務(wù)繁瑣，而且增加了系統(tǒng)的代碼量，更給代碼測(cè)試和維護(hù)增加了難度。因此本實(shí)現(xiàn)采用統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，即同一個(gè)程序，支持系統(tǒng)中的所有CRC格式，僅需在程序頭部增添一點(diǎn)格式判斷的代碼即可。

雖然TMS320C64x DSP處理器的字長(zhǎng)為32 bit，但是為了兼容4種格式的CRC，最終決定數(shù)據(jù)的分塊長(zhǎng)度為半字，即16 bit，這樣做的目的就是為了支持CRC24，因?yàn)門MS320C64x DSP的寄存器在用作邏輯移位寄存器使用時(shí)，其有效長(zhǎng)度為40 bit。

根據(jù)LTE協(xié)議，輸入數(shù)據(jù)按大端模式輸入。為了處理方便，每次讀入半字都將其倒序，采用低端對(duì)齊的方式進(jìn)行CRC除法，因此，CRC多項(xiàng)式也必須經(jīng)過(guò)倒序。最后生成的CRC也是倒序的，需要再次倒序，然后進(jìn)行加擾[2]（如果必要的話），最后添加到輸入數(shù)據(jù)后面。倒序可使用指令“BITR”，簡(jiǎn)單易行。

輸出數(shù)據(jù)仍為大端模式。由前面所述可知：CRC8的生成多項(xiàng)式倒序值為0x1b3；CRC16的生成多項(xiàng)式倒序值為0x10811；CRC24A的生成多項(xiàng)式倒序值為0x1be64c3；CRC24B的生成多項(xiàng)式倒序值為0x18c0003。

值得注意的是：輸入數(shù)據(jù)后面應(yīng)該多寫入一個(gè)字的0，因?yàn)槊看稳“胱痔幚?，?dāng)剩余比特為最大15 bit且CRC為最長(zhǎng)24 bit時(shí)，組合起來(lái)也不會(huì)超過(guò)40 bit，避免特殊性的出現(xiàn)，以便統(tǒng)一處理。同時(shí)完成CRC計(jì)算過(guò)后，可以直接將CRC添加到原數(shù)據(jù)之后，而不擔(dān)心其會(huì)覆蓋系統(tǒng)中的其他數(shù)據(jù)，引起不必要的錯(cuò)誤。

圖1為CRC計(jì)算及添加的程序?qū)崿F(xiàn)流程。當(dāng)CRC格式為CRC16、CRC24A、CRC24B時(shí)，讀取的第一個(gè)數(shù)據(jù)塊（半字）在第一次內(nèi)循環(huán)中將只作16次的移位，而沒(méi)有異或操作，表面上看在這里應(yīng)該加一個(gè)判斷，如果是這種情況則直接將數(shù)據(jù)右移16 bit，然后接著處理第二個(gè)數(shù)據(jù)塊。但這樣會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)塊造成麻煩，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)塊到達(dá)此處都需判斷一次，當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大時(shí)，會(huì)帶來(lái)更大的開(kāi)銷，因此在程序流程中可以忽略此問(wèn)題。

在接收端，CRC的校驗(yàn)與發(fā)送端的計(jì)算基本相同，只是由于LTE系統(tǒng)的特殊性，如果在發(fā)送端CRC曾被加擾過(guò)，則在接收端校驗(yàn)之前，應(yīng)先從接收到的數(shù)據(jù)末尾截取出CRC進(jìn)行解擾，然后再將解擾后的CRC添加回去，最后對(duì)整個(gè)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果CRC校驗(yàn)正確，則接收數(shù)據(jù)正確；否則接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，在此程序流程不再贅述。

4 性能分析

在DSP軟件實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)指令并行，盡量?jī)?yōu)化程序循環(huán)體[6]，減少或消除程序中的“NOP”指令。對(duì)于不同格式的CRC，根據(jù)它們所用的環(huán)境以及數(shù)據(jù)的大致長(zhǎng)度，通過(guò)程序仿真運(yùn)行，可以得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

表1的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度僅為個(gè)別舉例，但不失一般性。從表中可以看出，雖然塊異或長(zhǎng)除法的運(yùn)算量較大，但是當(dāng)運(yùn)用TMS320C64x芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于處理器的超高主頻，其計(jì)算速率也非常快，完全可以忽略它的計(jì)算量。因此，本實(shí)現(xiàn)采用塊異或長(zhǎng)除法不僅簡(jiǎn)化了程序?qū)崿F(xiàn)方法，還減少了模塊程序代碼，節(jié)約了系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。

本文從理論分析出發(fā)，根據(jù)TD-LTE系統(tǒng)特性，選擇了一種最優(yōu)的CRC校驗(yàn)算法，并在TMS320C64x芯片上加以實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)講述了塊異或長(zhǎng)除法在DSP中的實(shí)現(xiàn)方法。程序運(yùn)行結(jié)果表明，本實(shí)現(xiàn)能夠滿足LTE系統(tǒng)的需要，具有可行性和高效性。