0 引言

    在LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)系統(tǒng)中，隨機(jī)接入過程的目的是使UE(User Equipment)與eNodeB(Evolved Node B)建立連接或使UE獲得上行同步。只有在完成隨機(jī)接入過程后，UE和eNodeB才可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸和接收。LTE-A系統(tǒng)要求更大的容量及更短的時延，所以能夠設(shè)計(jì)出快速、有效的隨機(jī)接入過程對于LTE-A系統(tǒng)的性能很重要^[1]。

    LTE-A系統(tǒng)中整個隨機(jī)接入過程在空口中如圖1所示。完成小區(qū)搜索后，UE與小區(qū)已經(jīng)取得下行同步。eNodeB接收到PRACH（Physical Random Access Channel）信號后，將對PRACH進(jìn)行檢測，從而得到發(fā)送PRACH的相關(guān)信息，并為之后的RAR（Random Access Response）隨機(jī)接入響應(yīng)做準(zhǔn)備。而某小區(qū)可用的PRACH時域和頻域的資源、前導(dǎo)格式等信息由SIB2（System Information Black Type2）的prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset等字段決定^[2]。PRACH檢測算法在性能評估上采用了虛警概率和漏警概率^[3]。而設(shè)置檢測門限進(jìn)行峰值檢測可以有效減小虛警概率，3GPP(the 3rd Generation Partnership Project)協(xié)議中規(guī)定虛警概率應(yīng)小于0.1%。

    由于ZC(Zadoff-Chu)序列在時域和頻域具有良好的相關(guān)性，LTE-A系統(tǒng)中PRACH信號采用ZC序列，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5種前導(dǎo)格式，每個小區(qū)有64個可用的前導(dǎo)序列。u值的ZC序列定義^[4]：

    時間連續(xù)的PRACH信號s(t)定義：

1 LTE-A系統(tǒng)中PRACH檢測過程

    隨機(jī)接入的接收端處理過程如圖2所示。前導(dǎo)信號的檢測需要完成以下幾點(diǎn)：去除CP(Cyclic Prefix)、降采樣、DFT、解資源映射、序列相關(guān)，獲得序列相關(guān)值，通過檢測計(jì)算噪聲功率并搜索相關(guān)峰值來判斷是否存在隨機(jī)接入請求，檢測出發(fā)送的前導(dǎo)ID和確定上行鏈路的時間偏移量TA。

    傳統(tǒng)PRACH時域相關(guān)檢測基本原理是接收的PRACH信號與eNodeB本地64個根序列進(jìn)行卷積：

    此時R(m)的峰值將出現(xiàn)在n×N_ZC位置，如果檢測的最大相關(guān)值大于預(yù)設(shè)的門限值，便可以通過n值來判定接收序列由根序列產(chǎn)生的第幾個循環(huán)移位序列，從而完成對接收信號的檢測。式(3)經(jīng)過推導(dǎo)如下：

式中，Y(k)是y(m)的頻域，X*(k)是x(n)的頻域的復(fù)共軛，這種時域卷積等于頻域點(diǎn)乘的等效處理，不需要對每個PRACH的本地根序列進(jìn)行時域相關(guān)，而只需對每個本地根序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算即可。

2 改進(jìn)的前導(dǎo)檢測算法

    傳統(tǒng)的前導(dǎo)檢測復(fù)雜度主要體現(xiàn)在ZC序列生成、DFT變換、峰值檢測等方面。

2.1 DFT算法改進(jìn)

    由式(1)和式(2)可知，e指數(shù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜，而利用e函數(shù)的周期性，采用查表法，可以降低指數(shù)計(jì)算的復(fù)雜度。x_u(n)的循環(huán)移位其DFT變換：

    其中u^-1滿足：u×u^-1modN_ZC=1，而根據(jù)ZC序列的定義和周期性：

    X_1，0[0]是X_u，0[0]在u=1的值，w_u=±1。所以只需計(jì)算出與839個u值一一對應(yīng)的w_u值，并將它們以表格方式存儲，按照式(6)計(jì)算得到X_u，0[0]，比起直接存儲實(shí)虛部進(jìn)一步節(jié)約了內(nèi)存。

2.2 大點(diǎn)數(shù)的FFT/IFFT改進(jìn)

    LTE-A系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)信道子載波間隔為15 kHz，而隨機(jī)接入信道則是1.25 kHz，子載波數(shù)為24 576。大點(diǎn)FFT/IFFT會帶來很大的時延，所以算法設(shè)計(jì)時要降低FFT點(diǎn)數(shù)，另外由于PRACH序列長度為139/839，必將使用素?cái)?shù)的DFT和IDFT處理。為保證有用信息不發(fā)生損失，進(jìn)行FFT和IFFT的2次冪值一定要大于139/839，即在時域相關(guān)運(yùn)算中引入了過采樣，如使用1 024點(diǎn)IFFT代替839點(diǎn)的IDFT，過采樣利用中間補(bǔ)零實(shí)現(xiàn)，采用時域降采樣和濾波操作，極大地降低了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

2.3 峰值檢測算法改進(jìn)

    本文提出了一種將ZC根序列分組以及組內(nèi)峰值滑動的檢測算法，具體如下：

    (1)根據(jù)計(jì)算出本地全部的根序列數(shù)目；

    (2)進(jìn)行頻域點(diǎn)乘，將本地根序列與接收的信號進(jìn)行頻域相乘，變換到時域，得到時域相關(guān)結(jié)果；

    (3)對多天線的時域相關(guān)結(jié)果求和，得到能量合并后的PDP(Power Delay Profile)譜序列，計(jì)算噪聲功率，根據(jù)噪聲功率和達(dá)到虛警概率目標(biāo)要求，計(jì)算絕對門限A和檢測門限B；

    (4)對能量合并后的PDP譜序列，按照式(7)進(jìn)行檢測窗劃分(M是FFT點(diǎn)數(shù)，C_v是循環(huán)移位值)：

    (5)將PDP譜序列的峰值首先進(jìn)行門限A的判決，如果小于判決門限，則停止計(jì)算；若大于門限A，則說明該分組內(nèi)存在接入序列信息，進(jìn)一步判決峰值大于絕對門限B，認(rèn)為檢測到前導(dǎo)，從而計(jì)算出前導(dǎo)序列ID和時間提前量TA。峰值檢測示意圖如圖3所示。

3 PRACH信號檢測的DSP實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件

    TMS320C6487是TI公司推出的高性能多核DSP芯片，能夠支持GSM-EDGE、HSPA、HSPA+、TD-SCDMA、LTE。其不但提高了時鐘頻率，而且體系結(jié)構(gòu)上采用了VelociTI甚長指令集VLIW結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)有8個獨(dú)立功能單元，每個周期可以執(zhí)行8條32 bit指令，2組共64個32 bit通用寄存器，32 bit尋址范圍，支持8/16/32/40 bit數(shù)據(jù)訪問，芯片內(nèi)集成大容量SRAM。其出色的運(yùn)算能力，高效的指令集，大范圍的尋址能力，針對性的數(shù)據(jù)庫和硬件加速器，特別適用于移動通信綜合測試儀表類的開發(fā)和應(yīng)用^[5]。

3.2 PRACH信號檢測算法的DSP實(shí)現(xiàn)

    PRACH信號檢測與其他上行信號接收處理方式不同，方案定義了輸入輸出變量及其調(diào)用格式。調(diào)用格式Rx_Prach_main(int*，int，int，int，int，int)，其中int*表示接收時域信號的首地址；int分別表示從高層獲得參數(shù)(PRACH_conf_index，n_RA_PRBoffset，restrict，lrsn，Ncs_index)的地址。

    如圖4，PRACH信號檢測具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

    (1)根據(jù)從高層獲得參數(shù)，計(jì)算出PRACH的時域和頻域位置，分別調(diào)用PRACH_Time_cal( )和PRACH_Frequence_Cal( )函數(shù)。

    (2)對接收的PRACH信號進(jìn)行去除CP、降采樣、DFT和解資源映射，分別調(diào)用Cut_CP( )、interp1( )和DSP_fft32x32( )函數(shù)，將時域信號變換到頻域，得到M點(diǎn)的頻域數(shù)據(jù)。

    (4)將接收處理后M點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)與每個本地頻域根序列做復(fù)共軛點(diǎn)乘，調(diào)用Preamble_Corr( )函數(shù)。

    (5)進(jìn)行M點(diǎn)IFFT得到時域相關(guān)值，對時域相關(guān)值進(jìn)行求模平方，得到時域相關(guān)能量PDP序列。

    (6)將多天線接收的PDP序列進(jìn)行能量值合并，得到合并后時域相關(guān)序列。

    (7)根據(jù)能量合并后的PDP序列，進(jìn)行組內(nèi)峰值滑動的檢測，包括檢測窗劃分、計(jì)算噪聲門限、判決門限A和絕對門限B等。

    （8）判斷PDP的峰值是否大于判決門限A，若小于，說明本組內(nèi)不含有前導(dǎo)序列，跳出程序，結(jié)束檢測。

    (9)如果PDP的峰值大于判決門限A，且大于絕對門限B，根據(jù)峰值位置，計(jì)算出前導(dǎo)序號ID和TA值。

4 性能分析與結(jié)論

    在DSP實(shí)現(xiàn)中，通過指令并行等方式盡量優(yōu)化程序循環(huán)體，減少或消除程序中的‘NOP’指令[6]。對于不同的前導(dǎo)格式的PRACH信號檢測，程序運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

    從表1中可以看出，多核DSP芯片TMS320C6487處理速度主頻高達(dá)1 GHz，其運(yùn)算速度非常之快，完全可以滿足對PRACH信號實(shí)時性處理。因此，采用改進(jìn)的前導(dǎo)檢測算法和DSP實(shí)現(xiàn)方案，不僅簡化了程序?qū)崿F(xiàn)方法，減少了模塊程序代碼編寫，節(jié)約了系統(tǒng)存儲空間，也極大地減少了系統(tǒng)延時。

    本文從工程實(shí)現(xiàn)的角度，提出了一種快速穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)的PRACH信號檢測算法和DSP實(shí)現(xiàn)方案。通過對提出的檢測算法進(jìn)行仿真分析及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。結(jié)果顯示，提出的檢測算法在符合LTE-A物理層協(xié)議的性能要求時，大大減少了eNodeB 的運(yùn)算復(fù)雜度和硬件要求，對LTE-A整體性能有很好的影響。該算法和方案已經(jīng)應(yīng)用于國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“LTE-A空中接口監(jiān)測儀表”開發(fā)中。

參考文獻(xiàn)

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