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，系統基于此平臺實(shí)現。LTE系統中采用PRACH信道實(shí)現物理隨機接入，PRACH基帶信號生成包含有DFT和長(cháng)序列的IFFT過(guò)程，具有很高的時(shí)間復雜度，為滿(mǎn)足LTE系統的實(shí)時(shí)性要求，要選擇低運算量的信號處理方案。根據PRACH前導序列的特點(diǎn)，DFT運算可以通過(guò)適當的變形采用查表方式實(shí)現，避免了大量的復數乘運算。長(cháng)序列IFFT運算通過(guò)Cooley-Turkey算法分解為多級短序列IFFT，減少了運算量。上述方案滿(mǎn)足了系統的實(shí)時(shí)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(jìn)，始于2004年3GPP的多倫多會(huì )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，靈活使用現有的和新的頻段，簡(jiǎn)化架構，開(kāi)放接口，實(shí)現合理的終端消耗等方面考慮。LTE系統的主要需求指標包括：在20 MHz系統帶寬下，提供下行100 Mb／s和上行50 Mb／s的瞬時(shí)峰值速率；用戶(hù)面延遲小于5 ms控制面延遲小于100 ms；有更好的移動(dòng)性，針對低速移動(dòng)(小于15 km／h)優(yōu)化，高速移動(dòng)(低于120 km／h)下實(shí)現高性能，在大于120 km／h時(shí)可以保持蜂窩網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)性；支持最大100 km的小區覆蓋；靈活的頻譜分配，支持最小1．4 MHz，最大20 MHz系統帶寬。
在移動(dòng)通信系統中，隨機接入是用戶(hù)終端和網(wǎng)絡(luò )建立穩定連接，進(jìn)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(hù)終端已經(jīng)與系統取得上行同步時(shí)的接入過(guò)程，相反，非同步隨機接入是用戶(hù)終端尚未和系統取得或丟失了上行同步時(shí)的接入過(guò)程，因此非同步隨機接入區別于同步隨機接入的一個(gè)特點(diǎn)就是要估計、調整用戶(hù)終端上行發(fā)送時(shí)鐘，將同步誤差控制在循環(huán)前綴(CP)長(cháng)度之內。LTE系統通過(guò)物理隨機接入信道(PRACH)完成非同步隨機接入過(guò)程中隨機接入前導(Preamble)的發(fā)送。3GPP物理層協(xié)議規范中針對不同的小區覆蓋半徑需求，設計了多種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特殊幀結構設計的，用于小區半徑較小時(shí)的熱點(diǎn)覆蓋場(chǎng)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。飛思卡爾半導體公司的MSC8156AMC是一種高密度、Advanced MezzanineCard(AMC)DSP平臺，構建于3個(gè)MSC8156 DSP(18個(gè)SC3850 DSP內核)基礎之上，可插入緊湊型MicroTCA底板。這種18 GHz的處理能力與無(wú)線(xiàn)基礎架構應用的高度優(yōu)化架構相結合，使其成為開(kāi)發(fā)基于下一代無(wú)線(xiàn)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(gè)MSC8156 6核StarCoreDSP，高達1．0 GHz的主頻；
(2)內存：每個(gè)MSC8156有2×512 MB的64 bDDR3內存；
(3)4個(gè)串行Rapid I／O(SRIO)接口以及2個(gè)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(wú)線(xiàn)傳輸信道功能，提供了LTE物理層支持軟件庫，包括一個(gè)定制的操作系統SmartDSP、驅動(dòng)和主要的信號處理功能模塊(包括：調制、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(shí)時(shí)操作系統為參考實(shí)時(shí)運行。

1 PRACH信道處理
在LTE系統中，用戶(hù)終端通過(guò)發(fā)送Preamble獲取上行鏈路定時(shí)同步，完成與網(wǎng)絡(luò )非同步隨機接入。
LTE系統中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(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋性能。因此，為了適應不同的小區覆蓋場(chǎng)景，盡可能降低PRACH信道的資源開(kāi)銷(xiāo)，設計了5種Preamble Format，它們具有不同的CP長(cháng)度和Sequence長(cháng)度。
每個(gè)小區中存在64個(gè)可用的前導信號序列。64個(gè)序列中有兩個(gè)子集，其中每個(gè)子集中的一系列序列將被作為系統信息信令的一部分。在執行基于競爭的隨機接入時(shí)，用戶(hù)終端隨機選擇一個(gè)序列隨機接入嘗試，只要其他的UE沒(méi)有采用相同的序列，就不會(huì )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(hù)終端請求自由競爭的隨機接入，需要選擇自由競爭的前導信號。前導信號序子集的選擇是由用戶(hù)終端在上行共享信道(UL-SCH)發(fā)送的數據量定的。
時(shí)間連續的隨機接入信號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。，頻域位置由參數控制，表示為高層配置的資源塊數目，△fRA是隨機接入前導的子載波間隔，變量φ是一個(gè)固定偏移值，表示資源塊中隨機接入前導的頻域位置。
從式(1)中可以看到，基帶信號生成過(guò)程如圖1所示。

由圖1可知，時(shí)間復雜度比較高的運算是DFT和IDFT運算，下面重點(diǎn)分析這兩個(gè)過(guò)程的優(yōu)化處理以及在MSC8156AMC平臺的具體實(shí)現方式。