基于MSC8156AMC平臺的PRACH基帶信號生成

摘要：MSC8156AMC具有很強大的處理能力，是LTE解決方案的理想平臺，系統(tǒng)基于此平臺實現(xiàn)。LTE系統(tǒng)中采用PRACH信道實現(xiàn)物理隨機接入，PRACH基帶信號生成包含有DFT和長序列的IFFT過程，具有很高的時間復(fù)雜度，為滿足LTE系統(tǒng)的實時性要求，要選擇低運算量的信號處理方案。根據(jù)PRACH前導(dǎo)序列的特點，DFT運算可以通過適當?shù)淖冃尾捎貌楸矸绞綄崿F(xiàn)，避免了大量的復(fù)數(shù)乘運算。長序列IFFT運算通過Cooley-Turkey算法分解為多級短序列IFFT，減少了運算量。上述方案滿足了系統(tǒng)的實時性要求。
關(guān)鍵詞：LTE；PRACH；物理隨機接入；Cooley-Turkey算法；MSC8156AMC

0 引言
LTE項目是3G的演進，始于2004年3GPP的多倫多會議。LTE不同于3G的碼分多址傳輸技術(shù)，采用頻譜效率更高的OFDM／FDMA技術(shù)，主要從降低每比特成本，擴展業(yè)務(wù)提供能力，靈活使用現(xiàn)有的和新的頻段，簡化架構(gòu)，開放接口，實現(xiàn)合理的終端消耗等方面考慮。LTE系統(tǒng)的主要需求指標包括：在20 MHz系統(tǒng)帶寬下，提供下行100 Mb／s和上行50 Mb／s的瞬時峰值速率；用戶面延遲小于5 ms控制面延遲小于100 ms；有更好的移動性，針對低速移動(小于15 km／h)優(yōu)化，高速移動(低于120 km／h)下實現(xiàn)高性能，在大于120 km／h時可以保持蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動性；支持最大100 km的小區(qū)覆蓋；靈活的頻譜分配，支持最小1．4 MHz，最大20 MHz系統(tǒng)帶寬。
在移動通信系統(tǒng)中，隨機接入是用戶終端和網(wǎng)絡(luò)建立穩(wěn)定連接，進行正常通信的首要步驟。隨機接入可以分為同步隨機接入和非同步隨機接入，同步隨機接入是在用戶終端已經(jīng)與系統(tǒng)取得上行同步時的接入過程，相反，非同步隨機接入是用戶終端尚未和系統(tǒng)取得或丟失了上行同步時的接入過程，因此非同步隨機接入?yún)^(qū)別于同步隨機接入的一個特點就是要估計、調(diào)整用戶終端上行發(fā)送時鐘，將同步誤差控制在循環(huán)前綴(CP)長度之內(nèi)。LTE系統(tǒng)通過物理隨機接入信道(PRACH)完成非同步隨機接入過程中隨機接入前導(dǎo)(Preamble)的發(fā)送。3GPP物理層協(xié)議規(guī)范中針對不同的小區(qū)覆蓋半徑需求，設(shè)計了多種PRACH Preamble格式，其中Preamble Format 0，1，2，3對FDD LTE和TD-LTE是通用的，Preamble Format 4是針對TD-LTE特殊幀結(jié)構(gòu)設(shè)計的，用于小區(qū)半徑較小時的熱點覆蓋場景。
要獲得LTE較高的技術(shù)需求指標，對基帶信號的處理芯片提出了更高的要求。飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MSC8156AMC是一種高密度、Advanced MezzanineCard(AMC)DSP平臺，構(gòu)建于3個MSC8156 DSP(18個SC3850 DSP內(nèi)核)基礎(chǔ)之上，可插入緊湊型MicroTCA底板。這種18 GHz的處理能力與無線基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用的高度優(yōu)化架構(gòu)相結(jié)合，使其成為開發(fā)基于下一代無線標準解決方案的理想平臺。
MSC8156AMC基帶處理器卡的特性包括：
(1)處理器：多達3個MSC8156 6核StarCoreDSP，高達1．0 GHz的主頻；
(2)內(nèi)存：每個MSC8156有2×512 MB的64 bDDR3內(nèi)存；
(3)4個串行Rapid I／O(SRIO)接口以及2個1000Base-X背板接口。
另外，飛思卡爾針對3GPP標準中定義的物理基帶信道處理和無線傳輸信道功能，提供了LTE物理層支持軟件庫，包括一個定制的操作系統(tǒng)SmartDSP、驅(qū)動和主要的信號處理功能模塊(包括：調(diào)制、信道編碼、傳輸方案、MIMO／分集、信道估計、信道均衡等)，這些信號處理模塊基本覆蓋了物理層上下行鏈路共享信道，它們以SmartDSP實時操作系統(tǒng)為參考實時運行。

1 PRACH信道處理
在LTE系統(tǒng)中，用戶終端通過發(fā)送Preamble獲取上行鏈路定時同步，完成與網(wǎng)絡(luò)非同步隨機接入。
LTE系統(tǒng)中PRACH Preamble采用Zadoff-Chu(ZC)序列，包括序列(Sequence)和CP兩部分。CP的作用是抗多徑時延擴展，最大限度地消除載波間和符號間的干擾。PRACH信道在LTE系統(tǒng)中是非常重要的信道，使用非常頻繁，合理的PRACH信道可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。因此，為了適應(yīng)不同的小區(qū)覆蓋場景，盡可能降低PRACH信道的資源開銷，設(shè)計了5種Preamble Format，它們具有不同的CP長度和Sequence長度。
每個小區(qū)中存在64個可用的前導(dǎo)信號序列。64個序列中有兩個子集，其中每個子集中的一系列序列將被作為系統(tǒng)信息信令的一部分。在執(zhí)行基于競爭的隨機接入時，用戶終端隨機選擇一個序列隨機接入嘗試，只要其他的UE沒有采用相同的序列，就不會發(fā)生沖突并且該嘗試在很大概率上可以被eNodeB檢測到。如果用戶終端請求自由競爭的隨機接入，需要選擇自由競爭的前導(dǎo)信號。前導(dǎo)信號序子集的選擇是由用戶終端在上行共享信道(UL-SCH)發(fā)送的數(shù)據(jù)量定的。
時間連續(xù)的隨機接入信號s(t)定義如下：

式中：0≤tTSEQ+TCP；βPRACH是功率控制所需要的幅度縮放因子；xu,v是循環(huán)偏移之后的ZC序列。，頻域位置由參數(shù)控制，表示為高層配置的資源塊數(shù)目，△fRA是隨機接入前導(dǎo)的子載波間隔，變量φ是一個固定偏移值，表示資源塊中隨機接入前導(dǎo)的頻域位置。
從式(1)中可以看到，基帶信號生成過程如圖1所示。

由圖1可知，時間復(fù)雜度比較高的運算是DFT和IDFT運算，下面重點分析這兩個過程的優(yōu)化處理以及在MSC8156AMC平臺的具體實現(xiàn)方式。