趙景濤 ，朱宇霞

（1.武漢郵電科學(xué)研究院湖北武漢430074；2.北京北方烽火科技有限公司北京100085）

LTE小基站（Small Cell），由于它可以提高LTE系統(tǒng)容量的本質(zhì)，成為4G時(shí)代的重要網(wǎng)絡(luò)組成部分。隨著4G普及，越來越多的場景需要成本低、布置方便且性能良好的Small Cell。未來，Small Cell會逐漸成為5G通信中的重要增長點(diǎn)。運(yùn)營商的需求使得國內(nèi)外各通信公司紛紛提出自己的Small Cell方案。上海貝爾基于Falt-IP架構(gòu)，通過自組網(wǎng)SON技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的Small Cell自動(dòng)配置。華為在2015年上海移動(dòng)世界大會上宣布，率先在全系列室內(nèi)外Small Cell產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)4.5 G關(guān)鍵技術(shù)，通過空口技術(shù)突破如256QAM、載波聚合和LAA[4-5]等核心技術(shù)，將通信速率大幅提升。中興提出的Qcell多頻多模室內(nèi)覆蓋解決方案解決了室內(nèi)高速無線寬帶覆蓋的問題。北方烽火的一體化基站率先提出了防水且耐高溫的惡劣環(huán)境解決方案。總之，國內(nèi)外各大通信公司都在積極開發(fā)Small Cell，并已經(jīng)著手將5G的一些技術(shù)嘗試運(yùn)用在Small Cell上。

在LTE與LTE-A系統(tǒng)中，隨機(jī)接入是eNodeB和UE建立連接的唯一方式。eNodeB檢測UE在接入機(jī)會上發(fā)射的PRACH前導(dǎo)碼，通過檢測到前導(dǎo)碼序列的索引確定UE的基本信息，并根據(jù)接收到的前導(dǎo)碼序列測量出時(shí)偏、頻偏的信道參數(shù)，對UE進(jìn)行發(fā)射調(diào)整，完成UE的隨機(jī)接入。因此，高效的完成隨機(jī)接入檢測是十分重要的。

1 傳統(tǒng)PRACH檢測方法

傳統(tǒng)的接收端算法設(shè)計(jì)：先從無線幀中抽取出前導(dǎo)碼的時(shí)域波形，去CP并移頻后進(jìn)行OFDM解調(diào)，即做24576/4096點(diǎn)FFT變換，得到24576/4096個(gè)頻域子載波。然后通過子載波解映射從中抽取出有用的839/139個(gè)子載波。通過離散傅里葉逆變換（Inverse Discrete Flourier Transform，IDFT）變換得到前導(dǎo)子載波的時(shí)域形式，然后通過和本地掩碼做相關(guān)計(jì)算得到時(shí)域功率延遲譜（Power Delay Profile，PDP），再通過一定的前導(dǎo)檢測算法將前導(dǎo)檢測出來。

前導(dǎo)序列檢測的基本原理是將接收并完成解調(diào)的前導(dǎo)序列與本地所有可能的64個(gè)ZC基序列進(jìn)行匹配（相關(guān)運(yùn)算）。待求前導(dǎo)的基序列即能夠得到尖銳峰值的ZC序列。而根據(jù)峰值出現(xiàn)的位置偏差，就能獲得循環(huán)移位值，實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)檢測。

傳統(tǒng)的前導(dǎo)檢測復(fù)雜度主要體現(xiàn)在ZC序列的生成、DFT和IDFT變換、峰值檢測等方面。因此，在進(jìn)行DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要針對以上步驟進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

2 硬件設(shè)計(jì)

BSC9132芯片是Freescale公司專為Small Cell定制的DSP芯片，處理速度主頻高達(dá)1.2 GHz，有兩個(gè)SC3850的DSP核，兩個(gè)e500的CPU核，還有協(xié)處理器MAPLE集成LTE物理層上下行處理單元，實(shí)時(shí)性好，功能強(qiáng)大。

MAPLE-B2P是DSP芯片BSC9132最獨(dú)特的地方，MAPLE-B2P的含義是Multi-Accelerator Platform Engine Baseband 2 for Pico，即專為 Pico Cell基帶設(shè)計(jì)的多加速平臺引擎。它可以實(shí)現(xiàn)信道編碼/譯碼、傅里葉變換、UMTS碼片速率處理和LTE上行信道處理和CRC檢測，由卷積、濾波、Turbo編碼、Viterbi譯碼、碼片速率處理和MIMO各模塊處理器組成。此外，BSC9132的AIC射頻接口可以和ADI的AD9631無縫連接；BSC9132的AIC射頻接口可以直接通過DMA訪問MAPLE-B2P，可以實(shí)現(xiàn)MAPLEB2P<-＞AIC射頻接口<-＞ 射頻收發(fā)信機(jī)（AD9631）的上下行數(shù)據(jù)通路。

因此，我們只需采用一塊BSC9132芯片，一塊AD9631芯片就能實(shí)現(xiàn)LTE 2天線1扇區(qū)的基站功能。AD9631完成RRU功能和AGC（增益控制）處理，BSC9132芯片的2個(gè)SC3850核和協(xié)處理器Maple完成除AGC之外的所有物理層上下行鏈路處理，Core0完成PRACH和PUCCH相關(guān)處理，Core1完成PUSCH和PDSCH的相關(guān)處理，而1個(gè)e500的CPU核完成層2的處理，另1個(gè)e500的CPU核完成層3的處理。

BSC9132單芯片本地方案如圖1所示，LTE2x2模式利用一個(gè)JDEC207接口和AD9631相連，基站直接出射頻信號。

此小基站的硬件方案實(shí)現(xiàn)簡單，同時(shí)完全可以實(shí)現(xiàn)LTE通信要求，可以和UE進(jìn)行4G通信，實(shí)際驗(yàn)證PRACH檢測算法可行性。此外，根據(jù)Freescale公司提供的DSP軟件開發(fā)平臺CodeWarrior可以查看PRACH檢測模塊的代碼運(yùn)行cycle數(shù)，即可轉(zhuǎn)化為執(zhí)行時(shí)間，驗(yàn)證優(yōu)化效率。

圖1 本地射頻示意圖

3 算法改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)優(yōu)化

為了提高隨機(jī)接入檢測的速率，一方面要改進(jìn)算法以盡量降低計(jì)算復(fù)雜度，另一方面要合理利用DSP芯片的自身優(yōu)勢，優(yōu)化代碼，提高計(jì)算效率。因此，本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化。

3.1 16倍CIC濾波抽取

與其他上行信道不同，PRACH信道單獨(dú)完成時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換。format0～3的PRACH的OFDM符號長度為24 576Ts，有效子載波個(gè)數(shù)839；format4的OFDM符號長度為4 096Ts，有效子載波個(gè)數(shù)139。如果按照實(shí)際OFDM符號長度進(jìn)行FFT運(yùn)算，需要的點(diǎn)數(shù)為24 576或4 096，運(yùn)算量太大，所以在移頻之后需要進(jìn)行16倍降采樣，將FFT點(diǎn)數(shù)降為1 536或256，減少了PRACH的運(yùn)算量和處理時(shí)間。

降采樣即降低采樣頻率，由傅里葉公式可推導(dǎo)得：

可知，在原序列頻率π/a的數(shù)將展寬到π的位置，若原序列[π/a，π]區(qū)間上有信息，則降采樣后會發(fā)生混疊。但如果先用一個(gè)低通濾波器（其通帶截止頻率為π/a）對原信號濾波，降采樣a倍抽取后的頻譜不會發(fā)生混疊。

CIC濾波器因其結(jié)構(gòu)簡單且易于實(shí)現(xiàn)，除延遲外只涉及加法和累加運(yùn)算，并且可以多級級聯(lián)達(dá)到較理想的效果，正適用于DSP實(shí)現(xiàn)PRACH的降采樣濾波。

一級CIC濾波器如圖2所示，由積分器和梳狀濾波器級聯(lián)而成，若R為抽取倍數(shù)，每級微分延遲D個(gè)樣本，其表達(dá)式為：

圖2 一級CIC濾波器

其中，D在工程實(shí)現(xiàn)中一般取值為1或2，則積分部分對應(yīng)y[n]=y[n-1]+c[n]，梳狀部分對應(yīng)c[n]=x[n]-x[n-R]，DSP代碼極易實(shí)現(xiàn)，且可實(shí)現(xiàn)流水線編程。

CIC濾波器的幅頻特性為：

通過計(jì)算可得，此時(shí)第一旁瓣電平與主瓣電平相比衰減13.46 dB。多級級聯(lián)可以提高通帶衰減和旁瓣抑制，提高性能，經(jīng)過MATLAB仿真計(jì)算，四級級聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)Small Cell的性能要求。

為了消除通帶衰減，應(yīng)該在后面進(jìn)行補(bǔ)償，其幅頻響應(yīng)為

幅頻響應(yīng)可以提前近似計(jì)算出并存儲在內(nèi)存中，提高濾波的精確度。

此方法的優(yōu)點(diǎn)：將大點(diǎn)數(shù)的FFT利用時(shí)域降采樣和濾波，轉(zhuǎn)化為1 536或256點(diǎn)的FFT，極大的降低了運(yùn)算量，節(jié)省了實(shí)現(xiàn)的時(shí)間。

3.2 PDP求取過程優(yōu)化

由于ZC序列時(shí)域變換到頻域后性質(zhì)不變，時(shí)域的卷積等同于頻域相乘。因此，傳統(tǒng)改進(jìn)是將本地掩碼序列（conj（DFT（本地序列）））與前導(dǎo)子載波相乘，再補(bǔ)零至IDFT點(diǎn)進(jìn)行IDFT運(yùn)算變換到時(shí)域，再進(jìn)行模值平方得到PDP（功率延遲譜）。

由BSC9132實(shí)現(xiàn)PDP求取的優(yōu)化：利用協(xié)處理器MAPLE的eFTPE模塊的前乘、補(bǔ)零和IDFT功能，直接實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)子載波和本地掩碼的相乘和IDFT運(yùn)算，不僅大大節(jié)約了緩存，節(jié)省了代碼量，還節(jié)約了運(yùn)算時(shí)間。

由BSC9132協(xié)處理器MAPLE手冊可知，eFTPE的部分功能：1）eFTPE支持前乘功能，eFTPE可以先將本地內(nèi)存數(shù)據(jù)與待IDFT的數(shù)據(jù)進(jìn)行定點(diǎn)小數(shù)相乘。2）eFTPE支持補(bǔ)零功能，因?yàn)閷τ诟袷?-3，ifft_size=1 536，實(shí)際數(shù)據(jù)為839，需要自動(dòng)補(bǔ)零。3）eFTPE支持各種格式的傅里葉正變換和逆變換。

由MAPLE協(xié)助實(shí)現(xiàn)PDP求取，較之其他方法，節(jié)省了Core的工作量，Core和MAPLE同時(shí)工作，效率提高了近30%。

3.3 PDP峰值檢測算法實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)化

文中提出了一種簡化的峰值檢測實(shí)現(xiàn)方法。首先簡化噪聲平均功率的計(jì)算即把所有的PDP進(jìn)行相加再做平均。然后在各個(gè)檢測窗內(nèi)找到PDP峰值，進(jìn)行峰均比的計(jì)算，再與設(shè)定的門限比較（MATLAB仿真求得），如果超過門限即為找到了峰值，即檢測到了前導(dǎo)序列。

具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先確定檢測窗的起始位置win_start=（int16）（win_st_tbl[cv]+IDFT_size-win_adv），其中 win_st_tbl[cv]=-ceil（IDFT_size/N_cz*N_cv），win_adv為考慮多徑時(shí)延擴(kuò)展影響，將窗口起點(diǎn)前推的提前量。

如果hs_flag=1時(shí)，即高速情形下，由于多普勒頻偏的影響，每個(gè)前導(dǎo)將會出現(xiàn)在3個(gè)相臨窗內(nèi)，則循環(huán)移位值cv=N_cv-du、cv=N_cv和cv=N_cv+du，分別帶入檢測窗的起始位置win_start公式，求出3個(gè)檢測窗口內(nèi)的PDP相加即可。

其次遍歷檢測窗中的數(shù)據(jù)，4個(gè)一組，如果是限制集的情況，還要分別累加負(fù)頻偏和正頻偏的檢測窗口的數(shù)據(jù)，再利用函數(shù)maxu選出其中的最大值，即PDP峰譜。

最后計(jì)算峰均比，如果峰均比大于設(shè)置的門限值，則判斷峰譜是不是真的存在，是否為虛檢，如果真實(shí)存在即成功檢測出前導(dǎo)，則把相關(guān)參數(shù)存儲到PRACH_rpt中。

此方法以近似值求取噪聲平均功率，并且以峰均比設(shè)置門限值，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度，且經(jīng)MATLAB驗(yàn)證，可以很好地檢測出前導(dǎo)，對于虛檢的檢測也避免了錯(cuò)誤情況的發(fā)生。

4 PRACH模塊的DSP流程與檢測

PRACH的處理由BSC9132的1個(gè)SC3850核和Maple共同完成，其DSP模塊流程如圖3所示。基站接收處理完整的PRACH流程為：去CP，移頻，16倍濾波抽取，DFT，DFT譜重整以及載波抽取，本地掩碼序列生成，頻域相乘，IFFT，模平方，噪聲功率計(jì)算，窗內(nèi)找PDP峰值，計(jì)算SNR，與門限判決找發(fā)送前導(dǎo)。

在時(shí)域，由Core完成移頻，降采樣和eFTPE的BD配置。通過配置eFTPE的BD來控制FFT和可用子載波抽取。Core完成eFTPE的BD配置后，Maple會完成時(shí)域到頻域的FFT處理，eFTPE輸出每天線839或者139點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)。

PRACH的頻域數(shù)據(jù)和本地掩碼相關(guān)通過eFTPE的前乘功能來實(shí)現(xiàn)，Core配置eFTPE的BD啟動(dòng)Maple完成頻域數(shù)據(jù)和本地掩碼相關(guān)，IFFT的處理。Core然后對IFFT輸出的數(shù)據(jù)求功率，并且把兩天線的功率合并得到1 536點(diǎn)或者256點(diǎn)功率，最后根據(jù)檢測算法進(jìn)行門限檢測。

通過多UE實(shí)際接入檢測，小區(qū)可以成功檢測出多UE的接入，且在CodeWarrior查看PRACH檢測模塊的代碼運(yùn)行cycle數(shù)，1個(gè)接入機(jī)會2-4條母碼PRACH模塊處理時(shí)間在40萬cycle到60萬cycle之間，在BSC9132 1.2 G主頻下不到0.5 ms，與傳統(tǒng)0.7～0.8 ms相比，大大提高了接入速率，即使很復(fù)雜的接入也能在一個(gè)上行子幀內(nèi)順利的完成檢測，十分理想。

圖3 PRACH處理流程圖

5 結(jié)束語

本文介紹了LTE小基站隨機(jī)接入過程的前導(dǎo)檢測算法及其DSP實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。隨機(jī)接入過程是UE與基站建立連接的必須過程，而且隨機(jī)接入還會在切換、輔助定位等很多場景中應(yīng)用。利用生成前導(dǎo)碼的基序列ZC序列恒幅零自相關(guān)的特性，由功率延遲譜峰值找到對應(yīng)序列，從而檢測出UE使用的前導(dǎo)和UE的信息。DSP芯片BSC9132是一款LTE小基站專用芯片，它主頻高，功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性好，可以和AD9631直接連接組成小基站，實(shí)現(xiàn)簡單且滿足LTE通信。本文從工程優(yōu)化角度，提出的基于BSC9132 DSP芯片的PRACH檢測優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，利用CIC降采樣減少計(jì)算量，利用BSC9132MAPLE優(yōu)化PDP計(jì)算，改進(jìn)峰值檢測算法來提高計(jì)算速率。通過與UE的實(shí)際通信驗(yàn)證，完全可以正常進(jìn)行4G通信且大大提高了小基站的PRACH檢測速率，使得小基站與UE的通信連接更加迅速，小基站的性能更加穩(wěn)定可靠。

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