(西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)高速化、密集化的發(fā)展，對(duì)GSM-R通信技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)[1]。把LTE系統(tǒng)應(yīng)用于高速通信網(wǎng)，符合國(guó)際化的鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)。目前，在載頻2.6 GHz、速度350 km/h的高速移動(dòng)場(chǎng)景中，LTE系統(tǒng)使用限制集產(chǎn)生前導(dǎo)序列，并利用3個(gè)搜索窗聯(lián)合檢測(cè)隨機(jī)接入用戶(hù)及時(shí)間提前量(Timing Advance，TA)[2]。而3GPP 標(biāo)準(zhǔn)要求未來(lái)高速場(chǎng)景中需支持速度高達(dá)500 km/h的設(shè)備連接，并使用未授權(quán)的高頻段以增加數(shù)據(jù)吞吐量[3]。此時(shí)，較大的多普勒頻偏及收發(fā)端本地振蕩器產(chǎn)生的高載波頻偏使相關(guān)峰的能量泄漏到搜索窗外，嚴(yán)重降低了數(shù)據(jù)解調(diào)的準(zhǔn)確性，LTE系統(tǒng)的檢測(cè)方法幾乎失效。此外，隨著終端設(shè)備數(shù)量增加，隨機(jī)接入過(guò)程碰撞概率升高[4]，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)接入慢、通信質(zhì)量差等問(wèn)題。如何有效地解決高速環(huán)境下多普勒頻移及小區(qū)用戶(hù)容量問(wèn)題，是高速通信技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)。

對(duì)于高速場(chǎng)景下的LTE系統(tǒng)，已有許多關(guān)于這一領(lǐng)域的研究。但目前的研究側(cè)重于分析頻偏對(duì)LTE系統(tǒng)的影響[5-6]及提高頻偏估計(jì)精度的算法[7-9]。而這些方法仍基于LTE標(biāo)準(zhǔn)算法的3個(gè)檢測(cè)窗口進(jìn)行峰值檢測(cè)，這將限制最高多普勒頻偏范圍，不能滿(mǎn)足高鐵速度不斷提高、終端數(shù)量以及數(shù)據(jù)速率不斷增加的發(fā)展要求。文獻(xiàn)[10]研究了一種新的前導(dǎo)序列生成方法，通過(guò)限制ZC序列根序列號(hào)的選擇，使相關(guān)峰值的偏移位置集中在單個(gè)搜索窗內(nèi)，可以抵抗大多普勒頻移，但是該方法極大地減少了可用前導(dǎo)序列的數(shù)量，不適合實(shí)際應(yīng)用。

考慮到以上各方案的優(yōu)勢(shì)與不足，本文在分析頻偏對(duì)定時(shí)估計(jì)誤差影響的基礎(chǔ)上，提出一種能夠提高解調(diào)性能的前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)與檢測(cè)方案。通過(guò)把兩個(gè)共軛對(duì)稱(chēng)ZC序列組合的方式來(lái)構(gòu)造前導(dǎo)序列，然后采用兩級(jí)序列聯(lián)合檢測(cè)算法降低整數(shù)倍頻偏對(duì)定時(shí)估計(jì)的影響。該方案不僅支持高載頻的使用，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)速率的需求，而且不需要對(duì)根序列號(hào)的選擇進(jìn)行限制，提高了小區(qū)中可用前導(dǎo)序列數(shù)量，從而為高速場(chǎng)景下的隨機(jī)接入過(guò)程提供有效的方案支持。

1 系統(tǒng)模型

在LTE系統(tǒng)中，初始上行鏈路由物理隨機(jī)接入信道(PRACH)建立。鑒于ZC序列在時(shí)域和頻域具有良好的恒模零自相關(guān)性[11]，PRACH 信號(hào)采用ZC序列。LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5種前導(dǎo)格式，每個(gè)小區(qū)支持64個(gè)可用的前導(dǎo)序列，這些序列可以從一個(gè)或多個(gè)ZC根序列通過(guò)不同的循環(huán)移位產(chǎn)生，循環(huán)移位大小由零相關(guān)區(qū)長(zhǎng)度NCS-1決定?？筛鶕?jù)小區(qū)半徑大小選擇合適的前導(dǎo)格式和循環(huán)移位值。根為u且長(zhǎng)度為奇數(shù)的ZC序列定義為

(1)

式中，NZC為序列的長(zhǎng)度；u為物理根序列索引值并且與NZC互質(zhì)。由該根序列可得到零相關(guān)窗長(zhǎng)度為Cv的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼為

xu,v(n)=xu((n+Cv)modNZC)

(2)

式中，Cv為循環(huán)移位長(zhǎng)度；(n+Cv)modNZC為取模操作，對(duì)于高速場(chǎng)景下前導(dǎo)序列限制集的具體描述可參考文獻(xiàn)[12]。

LTE系統(tǒng)中UE與eNodeB(evolved eNodeB，演進(jìn)基站)發(fā)送和接收前導(dǎo)序列的過(guò)程如圖1所示。每個(gè)發(fā)起隨機(jī)接入的UE根據(jù)高層廣播的系統(tǒng)信息選擇一個(gè)前導(dǎo)序列，經(jīng)過(guò)傅里葉變換(DFT)、子載波映射、傅里葉逆變換(IFFT)生成SC-FDMA信號(hào)，然后通過(guò)上采樣達(dá)到系統(tǒng)要求的采樣速率(30.72 MHz)，并在前導(dǎo)序列首尾分別添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)和保護(hù)時(shí)間(Guard Time，GT)來(lái)抵抗多徑干擾。

時(shí)域連續(xù)的PRACH基帶信號(hào)定義為

(3)

式中，βPRACH為高層指定的功率因子；TCP為CP的長(zhǎng)度，要求大于最大傳播時(shí)延，0≤t

圖1 前序?qū)Я衳n(n)發(fā)送接收系統(tǒng)框圖

2 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)

為克服高速場(chǎng)景中頻偏的影響，LTE標(biāo)準(zhǔn)中制定了根索引的限制集合和3個(gè)搜索窗聯(lián)合的相關(guān)檢測(cè)算法。但該方法不僅限制了最大頻偏，而且可用前導(dǎo)序列數(shù)量少，不能滿(mǎn)足用戶(hù)高速度、高容量的需求。對(duì)此，首先分析了頻偏對(duì)前導(dǎo)序列檢測(cè)性能的影響，然后對(duì)LTE系統(tǒng)中前導(dǎo)格式0進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)造了新的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列及其檢測(cè)算法。

2.1 頻偏對(duì)前導(dǎo)序列的影響

根據(jù)圖1，eNodeB接收到的時(shí)域信號(hào)為

(4)

式中，hl為第l徑的信道衰落系數(shù)；dl為第l徑的傳播時(shí)延；Δλ=Δf/ΔfRA為歸一化頻偏；Δf為發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)存在的總頻偏，是多普勒頻移fd與收發(fā)端本地晶振誤差產(chǎn)生的載波頻率偏移fcfo之和，可假設(shè)在信號(hào)傳播時(shí)間內(nèi)保持不變；w(n)為信道中的高斯白噪聲，均值為0，方差為σ2。接收序列Y(k)與本地頻域前導(dǎo)序列Xu(k)做共軛點(diǎn)乘運(yùn)算并進(jìn)行IFFT操作，得到時(shí)域離散周期相關(guān)函數(shù)：

(5)

(6)

(7)

2.2 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列的構(gòu)造與檢測(cè)

圖2 兩級(jí)組合前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)

(8)

(9)

聯(lián)立式(8)和式(9)，可得

(10)

由此提出一種兩級(jí)序列聯(lián)合判決的隨機(jī)接入檢測(cè)算法，具體檢測(cè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 兩級(jí)序列聯(lián)合判決的隨機(jī)接入檢測(cè)過(guò)程

2.3 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列的性能

① 序列數(shù)量。根據(jù)LTE標(biāo)準(zhǔn)，NZC=839，所以?xún)杉?jí)組合的前導(dǎo)序列可選擇的根索引為u∈(1,838)，共838個(gè)。令每個(gè)根總共能產(chǎn)生的前導(dǎo)序列個(gè)數(shù)為seq_num，當(dāng)NCS=0時(shí)，seq_num=1，當(dāng)NCS≠0時(shí)，seq_num=|NZC/NCS|·838，新序列能夠產(chǎn)生的總序列數(shù)量為∑seq_num=294139。而按傳統(tǒng)的LTE標(biāo)準(zhǔn)，高速場(chǎng)景下使用限制集，每個(gè)根最多只能產(chǎn)生7條可用前導(dǎo)序列[2]，經(jīng)計(jì)算可產(chǎn)生的總序列數(shù)量為56274。因此，新序列產(chǎn)生的可用前導(dǎo)序列數(shù)量是使用限制集的5.2倍，在基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程中能有效降低碰撞概率，符合小區(qū)終端設(shè)備數(shù)量不斷增加的發(fā)展趨勢(shì)。

② 解調(diào)性。在高速場(chǎng)景下，LTE系統(tǒng)使用3個(gè)搜索窗聯(lián)合檢測(cè)前導(dǎo)序列，只支持Δf≤ΔfRA的情況[10]。當(dāng)Δf>ΔfRA時(shí)，由于峰值能量泄露到搜索窗口外，使得未發(fā)起隨機(jī)接入的位置可能存在錯(cuò)誤的峰值。因此，LTE系統(tǒng)的前導(dǎo)格式和檢測(cè)方法不適合高載頻、高多普勒頻移情景。而新的序列設(shè)計(jì)和兩級(jí)聯(lián)合檢測(cè)方案巧妙利用ZC序列的共軛性質(zhì)，降低了偽峰的影響，可有效降低錯(cuò)檢概率，提高系統(tǒng)解調(diào)性能。

3 仿真分析

使用Matlab對(duì)隨機(jī)接入過(guò)程進(jìn)行了仿真，主要評(píng)估所提出的前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)方法和對(duì)應(yīng)的檢測(cè)算法的解調(diào)性能，并與LTE標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)算法[12]做對(duì)比分析。仿真系統(tǒng)以 LTE 系統(tǒng)中的前導(dǎo)格式0為基準(zhǔn)，設(shè)置載波頻率fc為4 GHz，分別在加性高斯白噪聲信道(AWGN)和擴(kuò)展典型城市信道模型(Extended Typical Urban model，ETU)[9]下對(duì)所設(shè)計(jì)隨機(jī)接入前導(dǎo)序列的錯(cuò)檢概率進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)仿真的具體參數(shù)如表1所示。

仿真時(shí)按照3GPP的LTE標(biāo)準(zhǔn)[12]，在虛警概率小于0.1%的條件下確定判決門(mén)限VT。假設(shè)UE和eNodeB射頻部分的晶體振蕩器精度分別為±0.1 ppm和±0.05 ppm，即收發(fā)端晶振誤差造成的最大相對(duì)頻偏為4 GHz×0.15 ppm=600 MHz。用戶(hù)移動(dòng)速度分別為120 km/h和500 km/h。根據(jù)最大多普勒頻移與速度的關(guān)系fd=fc·v/c，其中c為光速，c=3×108m/s，等效的多普勒頻移約為444 Hz和1850 Hz，在晶振精度影響下，總頻偏為1044 Hz和2450 Hz。圖4(a)和圖4(b)分別給出了在AWGN信道和ETU信道條件下的錯(cuò)檢概率仿真曲線(xiàn)。

表1 仿真參數(shù)

圖4 仿真結(jié)果

由圖4(a)可以看出，在AWGN信道條件下，當(dāng)移動(dòng)速度為120 km/h且錯(cuò)檢概率為1%時(shí)，LTE標(biāo)準(zhǔn)序列與新序列的接收信噪比(SNR)約相差0.5 dB，檢測(cè)性能相近；但當(dāng)移動(dòng)速度為500 km/h時(shí)，LTE標(biāo)準(zhǔn)序列已完全無(wú)法正確判決，而新序列檢測(cè)性能比120 km/h好0.5 dB。這是因?yàn)樗俣葹?20 km/h時(shí)，歸一化頻偏為0.83，LTE標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)算法能很好地工作。而在500 km/h的高速場(chǎng)景下，產(chǎn)生的歸一化頻偏為1.96，較大的頻偏導(dǎo)致接收序列峰值偏移出3個(gè)檢測(cè)窗范圍，LTE標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法已無(wú)法正確判斷峰值位置。而新序列對(duì)頻偏不敏感，檢測(cè)性能不受速度限制，并且歸一化頻偏越接近整數(shù)解調(diào)效果越好。

由圖4(b)可以看出，在ETU信道條件下，當(dāng)移動(dòng)速度相同時(shí)，新序列的檢測(cè)性能比傳統(tǒng)序列低4 dB，因?yàn)槎鄰綍r(shí)延使PDP峰值能量泄露，LTE標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)算法性能降低。當(dāng)移動(dòng)速度不同時(shí)，速度越高同一序列的檢測(cè)性能越差，這是由于在多徑傳播環(huán)境下，速度增加導(dǎo)致信道時(shí)變性增強(qiáng)，信號(hào)衰落深度加大。

4 結(jié)束語(yǔ)

在高速移動(dòng)場(chǎng)景下，研究了隨機(jī)接入過(guò)程中多普勒頻移破壞OFDM信號(hào)子載波間的正交性，導(dǎo)致系統(tǒng)檢測(cè)性能降低的問(wèn)題。通過(guò)分析頻偏對(duì)定時(shí)估計(jì)產(chǎn)生的影響，考慮到實(shí)際應(yīng)用需求以及LTE 標(biāo)準(zhǔn)方法的不足，提出一種將兩個(gè)共軛對(duì)稱(chēng)的ZC序列組合的前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)和兩級(jí)聯(lián)合檢測(cè)方案。相比于LTE標(biāo)準(zhǔn)中的前導(dǎo)序列產(chǎn)生方式和檢測(cè)方法，該方案提高了小區(qū)中可用前導(dǎo)序列數(shù)量，能夠在不同的移動(dòng)速度及信道條件下降低峰值檢測(cè)的不確定性，實(shí)現(xiàn) TA的正確估計(jì)。而且，該方案對(duì)所使用的載頻大小不敏感，可以通過(guò)使用高載頻提升數(shù)據(jù)傳輸速率，為高速通信中的多普勒頻偏及小區(qū)容量問(wèn)題提供一個(gè)有效的解決方案。