《电子技术应用》
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LTE-A系统中PRACH信号检测的研究与实现
2016年电子技术应用第6期
许 虎1，2，林艺辉1，2，刘小刚1，2
1.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠233010； 2.电子信息测试技术安徽省重点实验室，安徽 蚌埠233010
摘要： 通过对PRACH信号检测的研究，利用ZC序列、FFT和循环相关特性，提出一种eNodeB快速高效的前导信号检测算法，并给出了该算法的检测性能以及在TMS320C6487 DSP芯片中的实现方法。算法具有快速稳定、易于实现等优点，为PRACH接收的实现提供了一种解决方案，具有一定的通用性。
中图分类号： TN06
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.020
中文引用格式： 许虎，林艺辉，刘小刚. LTE-A系统中PRACH信号检测的研究与实现[J].电子技术应用，2016，42(6)：74-76，80.
英文引用格式： Xu Hu，Lin Yihui，Liu Xiaogang. Research and implementation of PRACH signal detection in LTE-A system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：74-76，80.
Research and implementation of PRACH signal detection in LTE-A system
Xu Hu1，2，Lin Yihui1，2，Liu Xiaogang1，2
1.The 41st Research Institute of CETC，Bengbu 233010，China； 2.Anhui Province Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，Bengbu 233010，China
Abstract： The paper analyzes the principle of physical random access signal detection, according to the ZC sequence，FFT and cycle correlation characteristics, and puts forward a fast and efficient PRACH detection method of eNodeB. It presents the performance of this method, and implements in DSP TMS320C6487 chip. In a word, it provides a solution for the implementation of PRACH detection.
Key words : LTE-A；PRACH；preamble detection；DSP implementation

0 引言

    在LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)系统中，随机接入过程的目的是使UE(User Equipment)与eNodeB(Evolved Node B)建立连接或使UE获得上行同步。只有在完成随机接入过程后，UE和eNodeB才可以进行正常的数据传输和接收。LTE-A系统要求更大的容量及更短的时延，所以能够设计出快速、有效的随机接入过程对于LTE-A系统的性能很重要[1]。

    LTE-A系统中整个随机接入过程在空口中如图1所示。完成小区搜索后，UE与小区已经取得下行同步。eNodeB接收到PRACH（Physical Random Access Channel）信号后，将对PRACH进行检测，从而得到发送PRACH的相关信息，并为之后的RAR（Random Access Response）随机接入响应做准备。而某小区可用的PRACH时域和频域的资源、前导格式等信息由SIB2（System Information Black Type2）的prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset等字段决定[2]。PRACH检测算法在性能评估上采用了虚警概率和漏警概率[3]。而设置检测门限进行峰值检测可以有效减小虚警概率，3GPP(the 3rd Generation Partnership Project)协议中规定虚警概率应小于0.1%。

ck1-t1.gif

    由于ZC(Zadoff-Chu)序列在时域和频域具有良好的相关性，LTE-A系统中PRACH信号采用ZC序列，系统设计了5种前导格式，每个小区有64个可用的前导序列。u值的ZC序列定义[4]：

    ck1-gs1.gif

    时间连续的PRACH信号s(t)定义：

    ck1-gs2.gif

1 LTE-A系统中PRACH检测过程

    随机接入的接收端处理过程如图2所示。前导信号的检测需要完成以下几点：去除CP(Cyclic Prefix)、降采样、DFT、解资源映射、序列相关，获得序列相关值，通过检测计算噪声功率并搜索相关峰值来判断是否存在随机接入请求，检测出发送的前导ID和确定上行链路的时间偏移量TA。

ck1-t2.gif

    传统PRACH时域相关检测基本原理是接收的PRACH信号与eNodeB本地64个根序列进行卷积：

    ck1-gs3.gif

    此时R(m)的峰值将出现在n×NZC位置，如果检测的最大相关值大于预设的门限值，便可以通过n值来判定接收序列由根序列产生的第几个循环移位序列，从而完成对接收信号的检测。式(3)经过推导如下：

     ck1-gs4.gif

式中，Y(k)是y(m)的频域，X*(k)是x(n)的频域的复共轭，这种时域卷积等于频域点乘的等效处理，不需要对每个PRACH的本地根序列进行时域相关，而只需对每个本地根序列进行相关运算即可。

2 改进的前导检测算法

    传统的前导检测复杂度主要体现在ZC序列生成、DFT变换、峰值检测等方面。

2.1 DFT算法改进

    由式(1)和式(2)可知，e指数函数的实现也较为复杂，而利用e函数的周期性，采用查表法，可以降低指数计算的复杂度。xu(n)的循环移位ck1-2.1-x1.gif其DFT变换：

    ck1-gs5.gif

    其中u-1满足：u×u-1modNZC=1，而根据ZC序列的定义和周期性：

     ck1-gs6.gif

    X1，0[0]是Xu，0[0]在u=1的值，wu=±1。所以只需计算出与839个u值一一对应的wu值，并将它们以表格方式存储，按照式(6)计算得到Xu，0[0]，比起直接存储实虚部进一步节约了内存。

2.2 大点数的FFT/IFFT改进

    LTE-A系统中，业务信道子载波间隔为15 kHz，而随机接入信道则是1.25 kHz，子载波数为24 576。大点FFT/IFFT会带来很大的时延，所以算法设计时要降低FFT点数，另外由于PRACH序列长度为139/839，必将使用素数的DFT和IDFT处理。为保证有用信息不发生损失，进行FFT和IFFT的2次幂值一定要大于139/839，即在时域相关运算中引入了过采样，如使用1 024点IFFT代替839点的IDFT，过采样利用中间补零实现，采用时域降采样和滤波操作，极大地降低了实现的复杂度。

2.3 峰值检测算法改进

    本文提出了一种将ZC根序列分组以及组内峰值滑动的检测算法，具体如下：

    (1)根据ck1-2.3-x1.gif计算出本地全部的根序列数目；

    (2)进行频域点乘，将本地根序列与接收的信号进行频域相乘，变换到时域，得到时域相关结果；

    (3)对多天线的时域相关结果求和，得到能量合并后的PDP(Power Delay Profile)谱序列，计算噪声功率，根据噪声功率和达到虚警概率目标要求，计算绝对门限A和检测门限B；

    (4)对能量合并后的PDP谱序列，按照式(7)进行检测窗划分(M是FFT点数，Cv是循环移位值)：

    ck1-gs7.gif

    (5)将PDP谱序列的峰值首先进行门限A的判决，如果小于判决门限，则停止计算；若大于门限A，则说明该分组内存在接入序列信息，进一步判决峰值大于绝对门限B，认为检测到前导，从而计算出前导序列ID和时间提前量TA。峰值检测示意图如图3所示。

ck1-t3.gif

3 PRACH信号检测的DSP实现

3.1 硬件

    TMS320C6487是TI公司推出的高性能多核DSP芯片，能够支持GSM-EDGE、HSPA、HSPA+、TD-SCDMA、LTE。其不但提高了时钟频率，而且体系结构上采用了VelociTI甚长指令集VLIW结构，芯片内有8个独立功能单元，每个周期可以执行8条32 bit指令，2组共64个32 bit通用寄存器，32 bit寻址范围，支持8/16/32/40 bit数据访问，芯片内集成大容量SRAM。其出色的运算能力，高效的指令集，大范围的寻址能力，针对性的数据库和硬件加速器，特别适用于移动通信综合测试仪表类的开发和应用[5]。

3.2 PRACH信号检测算法的DSP实现

    PRACH信号检测与其他上行信号接收处理方式不同，方案定义了输入输出变量及其调用格式。调用格式Rx_Prach_main(int*，int，int，int，int，int)，其中int*表示接收时域信号的首地址；int分别表示从高层获得参数(PRACH_conf_index，n_RA_PRBoffset，restrict，lrsn，Ncs_index)的地址。

    如图4，PRACH信号检测具体实现流程如下：

ck1-t4.gif

    (1)根据从高层获得参数，计算出PRACH的时域和频域位置，分别调用PRACH_Time_cal( )和PRACH_Frequence_Cal( )函数。

    (2)对接收的PRACH信号进行去除CP、降采样、DFT和解资源映射，分别调用Cut_CP( )、interp1( )和DSP_fft32x32( )函数，将时域信号变换到频域，得到M点的频域数据。

    ck1-3.2-x1.gif

    (4)将接收处理后M点频域数据与每个本地频域根序列做复共轭点乘，调用Preamble_Corr( )函数。

    (5)进行M点IFFT得到时域相关值，对时域相关值进行求模平方，得到时域相关能量PDP序列。

    (6)将多天线接收的PDP序列进行能量值合并，得到合并后时域相关序列。

    (7)根据能量合并后的PDP序列，进行组内峰值滑动的检测，包括检测窗划分、计算噪声门限、判决门限A和绝对门限B等。

    （8）判断PDP的峰值是否大于判决门限A，若小于，说明本组内不含有前导序列，跳出程序，结束检测。

    (9)如果PDP的峰值大于判决门限A，且大于绝对门限B，根据峰值位置，计算出前导序号ID和TA值。

4 性能分析与结论ck1-b1.gif

    在DSP实现中，通过指令并行等方式尽量优化程序循环体，减少或消除程序中的‘NOP’指令[6]。对于不同的前导格式的PRACH信号检测，程序运行统计结果如表1所示。

    从表1中可以看出，多核DSP芯片TMS320C6487处理速度主频高达1 GHz，其运算速度非常之快，完全可以满足对PRACH信号实时性处理。因此，采用改进的前导检测算法和DSP实现方案，不仅简化了程序实现方法，减少了模块程序代码编写，节约了系统存储空间，也极大地减少了系统延时。

    本文从工程实现的角度，提出了一种快速稳定、易于实现的PRACH信号检测算法和DSP实现方案。通过对提出的检测算法进行仿真分析及应用实现。结果显示，提出的检测算法在符合LTE-A物理层协议的性能要求时，大大减少了eNodeB 的运算复杂度和硬件要求，对LTE-A整体性能有很好的影响。该算法和方案已经应用于国家科技重大专项项目“LTE-A空中接口监测仪表”开发中。

参考文献

[1] 王映民，孙韶辉．TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[2] Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Radio Resource Control(RRC)；Protocol specification（Release11）[EB-OL]．Http：//www.3gpp.org，2012．

[3] 马霓，邬钢，张晓博，等．LTE-UMTS长期演进理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[4] Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical channels and modulation（Release11）[EB-OL]．Http：//www.3gpp.org，2012．

[5] Texas Instruments Incorporated.TMS320C64x/C64x+DSP CPU and instruction set reference guide[EB/OL]．Http://www.ti.com.cn，2008．

[6] Texas Instruments Incorporated.田黎育，何佩琨，朱梦宇，译.TMS320C6000系列DSP编程工具与指南[M].北京：清华大学出版社，2006.

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