基于MSC8156AMC平台的PRACH基带信号生成

摘要：MSC8156AMC具有很强大的处理能力，是LTE解决方案的理想平台，系统基于此平台实现。LTE系统中采用PRACH信道实现物理随机接入，PRACH基带信号生成包含有DFT和长序列的IFFT过程，具有很高的时间复杂度，为满足LTE系统的实时性要求，要选择低运算量的信号处理方案。根据PRACH前导序列的特点，DFT运算可以通过适当的变形采用查表方式实现，避免了大量的复数乘运算。长序列IFFT运算通过Cooley-Turkey算法分解为多级短序列IFFT，减少了运算量。上述方案满足了系统的实时性要求。
关键词：LTE；PRACH；物理随机接入；Cooley-Turkey算法；MSC8156AMC

0 引言
LTE项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE不同于3G的码分多址传输技术，采用频谱效率更高的OFDM／FDMA技术，主要从降低每比特成本，扩展业务提供能力，灵活使用现有的和新的频段，简化架构，开放接口，实现合理的终端消耗等方面考虑。LTE系统的主要需求指标包括：在20 MHz系统带宽下，提供下行100 Mb／s和上行50 Mb／s的瞬时峰值速率；用户面延迟小于5 ms控制面延迟小于100 ms；有更好的移动性，针对低速移动(小于15 km／h)优化，高速移动(低于120 km／h)下实现高性能，在大于120 km／h时可以保持蜂窝网络的移动性；支持最大100 km的小区覆盖；灵活的频谱分配，支持最小1．4 MHz，最大20 MHz系统带宽。
在移动通信系统中，随机接入是用户终端和网络建立稳定连接，进行正常通信的首要步骤。随机接入可以分为同步随机接入和非同步随机接入，同步随机接入是在用户终端已经与系统取得上行同步时的接入过程，相反，非同步随机接入是用户终端尚未和系统取得或丢失了上行同步时的接入过程，因此非同步随机接入区别于同步随机接入的一个特点就是要估计、调整用户终端上行发送时钟，将同步误差控制在循环前缀(CP)长度之内。LTE系统通过物理随机接入信道(PRACH)完成非同步随机接入过程中随机接入前导(Preamble)的发送。3GPP物理层协议规范中针对不同的小区覆盖半径需求，设计了多种PRACH Preamble格式，其中Preamble Format 0，1，2，3对FDD LTE和TD-LTE是通用的，Preamble Format 4是针对TD-LTE特殊帧结构设计的，用于小区半径较小时的热点覆盖场景。
要获得LTE较高的技术需求指标，对基带信号的处理芯片提出了更高的要求。飞思卡尔半导体公司的MSC8156AMC是一种高密度、Advanced MezzanineCard(AMC)DSP平台，构建于3个MSC8156 DSP(18个SC3850 DSP内核)基础之上，可插入紧凑型MicroTCA底板。这种18 GHz的处理能力与无线基础架构应用的高度优化架构相结合，使其成为开发基于下一代无线标准解决方案的理想平台。
MSC8156AMC基带处理器卡的特性包括：
(1)处理器：多达3个MSC8156 6核StarCoreDSP，高达1．0 GHz的主频；
(2)内存：每个MSC8156有2×512 MB的64 bDDR3内存；
(3)4个串行Rapid I／O(SRIO)接口以及2个1000Base-X背板接口。
另外，飞思卡尔针对3GPP标准中定义的物理基带信道处理和无线传输信道功能，提供了LTE物理层支持软件库，包括一个定制的操作系统SmartDSP、驱动和主要的信号处理功能模块(包括：调制、信道编码、传输方案、MIMO／分集、信道估计、信道均衡等)，这些信号处理模块基本覆盖了物理层上下行链路共享信道，它们以SmartDSP实时操作系统为参考实时运行。

1 PRACH信道处理
在LTE系统中，用户终端通过发送Preamble获取上行链路定时同步，完成与网络非同步随机接入。
LTE系统中PRACH Preamble采用Zadoff-Chu(ZC)序列，包括序列(Sequence)和CP两部分。CP的作用是抗多径时延扩展，最大限度地消除载波间和符号间的干扰。PRACH信道在LTE系统中是非常重要的信道，使用非常频繁，合理的PRACH信道可以提高整个网络的覆盖性能。因此，为了适应不同的小区覆盖场景，尽可能降低PRACH信道的资源开销，设计了5种Preamble Format，它们具有不同的CP长度和Sequence长度。
每个小区中存在64个可用的前导信号序列。64个序列中有两个子集，其中每个子集中的一系列序列将被作为系统信息信令的一部分。在执行基于竞争的随机接入时，用户终端随机选择一个序列随机接入尝试，只要其他的UE没有采用相同的序列，就不会发生冲突并且该尝试在很大概率上可以被eNodeB检测到。如果用户终端请求自由竞争的随机接入，需要选择自由竞争的前导信号。前导信号序子集的选择是由用户终端在上行共享信道(UL-SCH)发送的数据量定的。
时间连续的随机接入信号s(t)定义如下：

式中：0≤tTSEQ+TCP；βPRACH是功率控制所需要的幅度缩放因子；xu,v是循环偏移之后的ZC序列。，频域位置由参数控制，表示为高层配置的资源块数目，△fRA是随机接入前导的子载波间隔，变量φ是一个固定偏移值，表示资源块中随机接入前导的频域位置。
从式(1)中可以看到，基带信号生成过程如图1所示。