0 引言

    在LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)系統(tǒng)中，隨機(jī)接入過(guò)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(guò)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(shí)延，所以能夠設(shè)計(jì)出快速、有效的隨機(jī)接入過(guò)程對(duì)于LTE-A系統(tǒng)的性能很重要^[1]。

    LTE-A系統(tǒng)中整個(gè)隨機(jī)接入過(guò)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(hào)后，將對(duì)PRACH進(jìn)行檢測(cè)，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(shí)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(cè)算法在性能評(píng)估上采用了虛警概率和漏警概率^[3]。而設(shè)置檢測(cè)門(mén)限進(jìn)行峰值檢測(cè)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(shí)域和頻域具有良好的相關(guān)性，LTE-A系統(tǒng)中PRACH信號(hào)采用ZC序列，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5種前導(dǎo)格式，每個(gè)小區(qū)有64個(gè)可用的前導(dǎo)序列。u值的ZC序列定義^[4]：

    時(shí)間連續(xù)的PRACH信號(hào)s(t)定義：

1 LTE-A系統(tǒng)中PRACH檢測(cè)過(guò)程

    隨機(jī)接入的接收端處理過(guò)程如圖2所示。前導(dǎo)信號(hào)的檢測(cè)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(guò)檢測(cè)計(jì)算噪聲功率并搜索相關(guān)峰值來(lái)判斷是否存在隨機(jī)接入請(qǐng)求，檢測(cè)出發(fā)送的前導(dǎo)ID和確定上行鏈路的時(shí)間偏移量TA。

    傳統(tǒng)PRACH時(shí)域相關(guān)檢測(cè)基本原理是接收的PRACH信號(hào)與eNodeB本地64個(gè)根序列進(jìn)行卷積：

    此時(shí)R(m)的峰值將出現(xiàn)在n×N_ZC位置，如果檢測(cè)的最大相關(guān)值大于預(yù)設(shè)的門(mén)限值，便可以通過(guò)n值來(lái)判定接收序列由根序列產(chǎn)生的第幾個(gè)循環(huán)移位序列，從而完成對(duì)接收信號(hào)的檢測(cè)。式(3)經(jīng)過(guò)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(shí)域卷積等于頻域點(diǎn)乘的等效處理，不需要對(duì)每個(gè)PRACH的本地根序列進(jìn)行時(shí)域相關(guān)，而只需對(duì)每個(gè)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(cè)算法

    傳統(tǒng)的前導(dǎo)檢測(cè)復(fù)雜度主要體現(xiàn)在ZC序列生成、DFT變換、峰值檢測(cè)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(mǎn)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(gè)u值一一對(duì)應(yīng)的w_u值，并將它們以表格方式存儲(chǔ)，按照式(6)計(jì)算得到X_u，0[0]，比起直接存儲(chǔ)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(huì)帶來(lái)很大的時(shí)延，所以算法設(shè)計(jì)時(shí)要降低FFT點(diǎn)數(shù)，另外由于PRACH序列長(zhǎng)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(shí)域相關(guān)運(yùn)算中引入了過(guò)采樣，如使用1 024點(diǎn)IFFT代替839點(diǎn)的IDFT，過(guò)采樣利用中間補(bǔ)零實(shí)現(xiàn)，采用時(shí)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(cè)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(dòng)的檢測(cè)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(hào)進(jìn)行頻域相乘，變換到時(shí)域，得到時(shí)域相關(guān)結(jié)果；

    (3)對(duì)多天線(xiàn)的時(shí)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(duì)門(mén)限A和檢測(cè)門(mén)限B；

    (4)對(duì)能量合并后的PDP譜序列，按照式(7)進(jìn)行檢測(cè)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(mén)限A的判決，如果小于判決門(mén)限，則停止計(jì)算；若大于門(mén)限A，則說(shuō)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(duì)門(mén)限B，認(rèn)為檢測(cè)到前導(dǎo)，從而計(jì)算出前導(dǎo)序列ID和時(shí)間提前量TA。峰值檢測(cè)示意圖如圖3所示。

3 PRACH信號(hào)檢測(cè)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(shí)鐘頻率，而且體系結(jié)構(gòu)上采用了VelociTI甚長(zhǎng)指令集VLIW結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)有8個(gè)獨(dú)立功能單元，每個(gè)周期可以執(zhí)行8條32 bit指令，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 bit數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，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(duì)性的數(shù)據(jù)庫(kù)和硬件加速器，特別適用于移動(dòng)通信綜合測(cè)試儀表類(lèi)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用^[5]。

3.2 PRACH信號(hào)檢測(cè)算法的DSP實(shí)現(xiàn)

    PRACH信號(hào)檢測(cè)與其他上行信號(hào)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(shí)域信號(hào)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(hào)檢測(cè)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(shí)域和頻域位置，分別調(diào)用PRACH_Time_cal( )和PRACH_Frequence_Cal( )函數(shù)。

    (2)對(duì)接收的PRACH信號(hào)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(shí)域信號(hào)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(gè)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(shí)域相關(guān)值，對(duì)時(shí)域相關(guān)值進(jìn)行求模平方，得到時(shí)域相關(guān)能量PDP序列。

    (6)將多天線(xiàn)接收的PDP序列進(jìn)行能量值合并，得到合并后時(shí)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(dòng)的檢測(cè)，包括檢測(cè)窗劃分、計(jì)算噪聲門(mén)限、判決門(mén)限A和絕對(duì)門(mén)限B等。

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

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

4 性能分析與結(jié)論

    在DSP實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)指令并行等方式盡量?jī)?yōu)化程序循環(huán)體，減少或消除程序中的‘NOP’指令[6]。對(duì)于不同的前導(dǎo)格式的PRACH信號(hào)檢測(cè)，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(mǎn)足對(duì)PRACH信號(hào)實(shí)時(shí)性處理。因此，采用改進(jìn)的前導(dǎo)檢測(cè)算法和DSP實(shí)現(xiàn)方案，不僅簡(jiǎn)化了程序?qū)崿F(xiàn)方法，減少了模塊程序代碼編寫(xiě)，節(jié)約了系統(tǒng)存儲(chǔ)空間，也極大地減少了系統(tǒng)延時(shí)。

    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(hào)檢測(cè)算法和DSP實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)對(duì)提出的檢測(cè)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(cè)算法在符合LTE-A物理層協(xié)議的性能要求時(shí)，大大減少了eNodeB 的運(yùn)算復(fù)雜度和硬件要求，對(duì)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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“LTE-A空中接口監(jiān)測(cè)儀表”開(kāi)發(fā)中。

參考文獻(xiàn)

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