一種PRACH信道最大相關值算法的研究與仿真

周 全，劉曉東

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430072；2.武漢虹旭信息技術有限責任公司 湖北 武漢430072）

一種PRACH信道最大相關值算法的研究與仿真

周 全1，2，劉曉東1，2

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430072；2.武漢虹旭信息技術有限責任公司 湖北 武漢430072）

針對快速對PRACH信道進行解擾和解擴的目的，采用了一種基于步移的最大相關值算法來確定PRACH信道中前綴部分和導頻部分的位置，通過matlab對采集的PRACH信息進行仿真試驗，結果表示在對PRACH信息進行解擾和解擴時，這種最大相關值算法能夠保證進行最少次數的相關計算，并得出最大相關峰，加快了對PRACH信道的解碼速率。

PRACH；最大相關；解擾；解擴

PRACH（Physical Random Access Channel）物理隨機接入信道，是用來傳輸RACH的，而RACH信道是上行傳輸信道，用來傳輸來自UE的控制消息（如RRC連接建立），同時也可以用來傳輸終端到網絡的少量分組數據（如短信）。對PRACH信道進行解析需要先對前綴進行最大相關，找出前綴的位置，然后才能分析出數據部分和控制部分的起始位置，并且通過導頻確定出相位參考。本文針對該信道的結構特點，提出的最大相值的算法，可以有效的提高解析性能。

1 PRACH信道介紹及編碼過程

隨機接入過程是一個復雜的物理層的過程，涉及到了隨機接入信道，捕獲指示信道等，PRACH信道用于承載隨機接入信道的所有信息[1]。下行的捕獲指示信道用來發送網絡側的接入指示符AI，通過AI的值，UE可以判斷接入請求是否被基站正確接收。物理層通過PRACH信道完成UE與網絡側的數據交互，最終完成物理隨機接入這個過程。在對隨機接入信道進行編碼復用后，完成RACH信道數據的糾錯編碼，交織以及速率匹配，最后映射到PRACH信道上[2]。

PRACH信道是UE一開始發起呼叫時的接入信道，UE通過發送前導，與網絡側基站取得聯系。首先PRACH信道會在下一個接入時隙中獲得有效的上行接入時間，并隨機選擇一個有效的接入時隙，確定接入時隙后，在有效的簽名中隨機選擇一個簽名，并以一定的步長增長在初始發射功率的基礎上發射前綴部分，當網絡側收到前綴部分后，則返回與簽名對應的肯定應答。反之若UE收到否定應答或沒有收到應答，那么UE將在前綴最大重傳次數之內重新選擇接入時隙，進行重傳[3]。在UE收到網絡側的肯定應答之后，物理層將在一定的時間間隔之后開始傳遞消息部分的數據，時間間隔由高層進行分配，在Sib5消息中可以得到，消息部分由導頻和傳輸格式控制指示信息組成。

隨機接入的前綴部分長度為4 096 chips，是將長度為16chips的一個由Hadarmard碼矩陣產生的特征碼（signature）進行256次重復[4]，總共有16個可選的不同特征碼。PRACH使用的前綴擾碼由長擾碼產生，共有8 192個供使用的擾碼，分為512組，因此每組有16個[5]。一個小區的PRACH接入前導擾碼組與該小區中下行方向的主擾碼一一對應，即編號相同，這樣網絡側就可以區分來自不同小區中的終端發送的信息。

根據3GPP TS 25.213協議規定，消息部分中的數據和控制部分是并行發射的，消息部分結構如圖1所示[6]。數據部分每個時隙為10*2k比特，擴頻因子SF為256/2k，k取值為0、1、2、3。而控制部分每個時隙則包括8 bits的導頻信息，用以支持相干解調，提供相位參考，以及 2 bits的 TFCI，用來指明RACH傳輸信道的傳輸格式。控制部分擴頻因子固定為256[7]。

圖1 消息部分結構

1.1 Preamble編碼過程

1.2 Message part編碼過程

PRACH消息部分包括Data和Control部分，其編碼過程如圖2所示。用于擴頻的消息部分用實數序列表示，即0映射為實數+1，1映射為實數-1。數據部分和控制部分首先會與信道碼相乘進行擴頻，信道碼均為擁有正交性的OVSF碼，數據部分的擴頻因子為32至256中的任一個[9]。Cd=Cch，sF，m，m=SF× S/16。控制部分使用的信道碼位于碼樹最底端，SF= 256，Cc=Cch，256，m，m=16×S+15。

擴頻完成后，會對實數的擴頻信號進行加權處理，數據部分乘以βd，控制部分乘以βc，β均被量化為4 bits[10]。用數學的方法表述為，讓數據部分為I路，控制部分乘以復數j，為Q路，相加形成I+jQ。然后對I+jQ進行加擾處理，所有上行的物理信道都要與復數值的擾碼進行加擾處理。Prach使用復數值長擾碼，10 ms的擾碼與10 ms的消息部分對應Clong，n（i）=Clong，1，n（i）（1+j（-1）iClong，2，n（2[i/2]））。

圖2 消息部分擴頻與加擾

2 最大相關值算法及解析仿真

2.1 前綴部分解擾及最大相關

首先對前綴進行解析，前綴特征碼由哈達碼產生SigCode=hadamard（16）；對其進行256次重復RepeatSigCode=repmat（SigCode，1，256），即 1.1節中提 到 的 Csig，s[11]。 前 綴 擾 碼 由 [S_ul_long]= UL_long_scrambling_codes_optimize_RACH（ScrRach）產生，即Sr-pre，n。由于PRACH前綴擾碼與下行擾碼一一對應，擾碼信息由高層進行分配，在sib5信息中可以獲取[12]。

設置一個4 096碼片的搜索窗口RecCode，為提高可靠性，進行150次移位，每次滑動1bits。并逐一對 其 進 行 解 擾 ，Des_Scr=RecCode.*conj（pre_src_ph），利用解擾后的數據來與16個特征碼逐一相關，算出最大的相關值CorrValue，可以得出使用的特征碼編號s，和所處位置MapIndex。利用Matlab仿真，最大相關峰值如圖3所示。

圖3 前綴部分最大相關值

2.2 消息部分解擾與解擴

消息部分與前綴部分間隔interval通常為 3*5 120 chips，確定前綴最大相關值后，可以得到消息部分的碼片，因此消息部分的數據為SampleChipIQ= SampleChipIQ_all（MapIndex+5 120*interval-10:end），分別取其實部與虛部[13]。實部對應數據部分，虛部對應控制部分。先對控制部分的導頻進行解擾和解擴，DeS=SampleChipIQ

（i+j*2 560+（0:SymNum*SF-1））.*conj（S）.*repmat（Cc（1，:），1，SymNum），相關后得出最大峰值如圖4。

圖4 導頻部分最大相關值

由于多徑等干擾[7]，將峰值范圍16內的數據進行歸零，減小誤差，計算出信噪比 SNR=10*log（peak_avg（s+1，cnt）），在信噪比大于12的情況下對數據進行解析。數據部分為Frame_IQ=SampleChipIQ（（cnt-1）*RachChip+maxLoc-1+（1:len）），解擾后為De_Scr=round（Frame_IQ.*conj（repmat（S_ul_long，1，tti））/2），解擴后為DeS_Data1=De_Scr（i*TS_Chip+（1:DataNum*SF_data））.*

repmat（Cd，1，DataNum），將其調整為128行的矩陣，每行求和并向負方向取整，得到Des_Data，理論上的實部和虛部數據應該分別在0度和90度上，利用導頻得到的相位參考conj（H2），對Des_Data進行調整即DeSym=Des_Data.*conj（H2），則還原出了原始的數據，用Matlab仿真出其星座圖如圖5所示[15]。

3 結束語

手機通話需要PRACH信道，PRACH信道承載了UE的上行數據。通過仿真結果表明，只有正確的解析出前綴，和控制部分的信息，才能獲得數據部分原始的碼片，文中研究了PRACH信道，提出了一種以逐項相關為基礎的最大相關值確定的解擾與解擴算法，該算法確保使用較少的次數計算出最大相干峰值，加快了對PRACH信道的解析速率，有利于對數據部分的進一步分析。

圖5 數據部分星座圖

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[14]啜剛，王文博，常永寧.移動通信原理與系統[M].北京：北京郵電大學出版社，2015.

[15]周炯槃，龐沁華，續大我.通信原理[M].北京：北京郵電大學出版社，2015.

Study and simulation of the maximum correlation algorithm in PRACH

ZHOU Quan1，2，LIU Xiao-dong1，2
（1.WuHan Research Institution of Posts and Telecommunications，WuHan 430072，China；2.Wuhan Hongxu Information Technology co.，LTD，Wuhan 430072，China）

For the purpose of descrambling and despreading PRACH rapidly，a algorithm of the maximum correlation was put forwarded to locate preamble and pilot parts，the data of PRACH was simulated by matlab，and simulation results demonstrated that this algorithm used the minimum times to calculate the maximum correlation value，to speed up the decoding rate of PRACH.

PRACH；the maximum correlation；descrambling；despreading

TN929.533

：A

：1674-6236（2017）02-0172-03

2016-02-25稿件編號：201602146

周 全（1992—），男，湖北武漢人，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理。