基于BSC9132的PRACH檢測DSP優化實現

趙景濤 ，朱宇霞

（1.武漢郵電科學研究院湖北武漢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系統容量的本質，成為4G時代的重要網絡組成部分。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。運營商的需求使得國內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，通過自組網SON技術實現網絡的Small Cell自動配置。華為在2015年上海移動世界大會上宣布，率先在全系列室內外Small Cell產品上實現4.5 G關鍵技術，通過空口技術突破如256QAM、載波聚合和LAA[4-5]等核心技術，將通信速率大幅提升。中興提出的Qcell多頻多模室內覆蓋解決方案解決了室內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境解決方案。總之，國內外各大通信公司都在積極開發Small Cell，并已經著手將5G的一些技術嘗試運用在Small Cell上。

在LTE與LTE-A系統中，隨機接入是eNodeB和UE建立連接的唯一方式。eNodeB檢測UE在接入機會上發射的PRACH前導碼，通過檢測到前導碼序列的索引確定UE的基本信息，并根據接收到的前導碼序列測量出時偏、頻偏的信道參數，對UE進行發射調整，完成UE的隨機接入。因此，高效的完成隨機接入檢測是十分重要的。

1 傳統PRACH檢測方法

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

前導序列檢測的基本原理是將接收并完成解調的前導序列與本地所有可能的64個ZC基序列進行匹配（相關運算）。待求前導的基序列即能夠得到尖銳峰值的ZC序列。而根據峰值出現的位置偏差，就能獲得循環移位值，實現前導檢測。

傳統的前導檢測復雜度主要體現在ZC序列的生成、DFT和IDFT變換、峰值檢測等方面。因此，在進行DSP實現時，主要針對以上步驟進行改進和優化。

2 硬件設計

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1.2 GHz，有兩個SC3850的DSP核，兩個e500的CPU核，還有協處理器MAPLE集成LTE物理層上下行處理單元，實時性好，功能強大。

MAPLE-B2P是DSP芯片BSC9132最獨特的地方，MAPLE-B2P的含義是Multi-Accelerator Platform Engine Baseband 2 for Pico，即專為 Pico Cell基帶設計的多加速平臺引擎。它可以實現信道編碼/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，可以實現MAPLEB2P<-＞AIC射頻接口<-＞ 射頻收發信機（AD9631）的上下行數據通路。

因此，我們只需采用一塊BSC9132芯片，一塊AD9631芯片就能實現LTE 2天線1扇區的基站功能。AD9631完成RRU功能和AGC（增益控制）處理，BSC9132芯片的2個SC3850核和協處理器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相關處理，Core1完成PUSCH和PDSCH的相關處理，而1個e500的CPU核完成層2的處理，另1個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現簡單，同時完全可以實現LTE通信要求，可以和UE進行4G通信，實際驗證PRACH檢測算法可行性。此外，根據Freescale公司提供的DSP軟件開發平臺CodeWarrior可以查看PRACH檢測模塊的代碼運行cycle數，即可轉化為執行時間，驗證優化效率。

圖1 本地射頻示意圖

3 算法改進與實現優化

為了提高隨機接入檢測的速率，一方面要改進算法以盡量降低計算復雜度，另一方面要合理利用DSP芯片的自身優勢，優化代碼，提高計算效率。因此，本文從以下幾個方面進行了優化。

3.1 16倍CIC濾波抽取

與其他上行信道不同，PRACH信道單獨完成時域到頻域的轉換。format0～3的PRACH的OFDM符號長度為24 576Ts，有效子載波個數839；format4的OFDM符號長度為4 096Ts，有效子載波個數139。如果按照實際OFDM符號長度進行FFT運算，需要的點數為24 576或4 096，運算量太大，所以在移頻之后需要進行16倍降采樣，將FFT點數降為1 536或256，減少了PRACH的運算量和處理時間。

降采樣即降低采樣頻率，由傅里葉公式可推導得：

可知，在原序列頻率π/a的數將展寬到π的位置，若原序列[π/a，π]區間上有信息，則降采樣后會發生混疊。但如果先用一個低通濾波器（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生混疊。

CIC濾波器因其結構簡單且易于實現，除延遲外只涉及加法和累加運算，并且可以多級級聯達到較理想的效果，正適用于DSP實現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而成，若R為抽取倍數，每級微分延遲D個樣本，其表達式為：

圖2 一級CIC濾波器

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

CIC濾波器的幅頻特性為：

通過計算可得，此時第一旁瓣電平與主瓣電平相比衰減13.46 dB。多級級聯可以提高通帶衰減和旁瓣抑制，提高性能，經過MATLAB仿真計算，四級級聯就可以實現Small Cell的性能要求。

為了消除通帶衰減，應該在后面進行補償，其幅頻響應為

幅頻響應可以提前近似計算出并存儲在內存中，提高濾波的精確度。

此方法的優點：將大點數的FFT利用時域降采樣和濾波，轉化為1 536或256點的FFT，極大的降低了運算量，節省了實現的時間。

3.2 PDP求取過程優化

由于ZC序列時域變換到頻域后性質不變，時域的卷積等同于頻域相乘。因此，傳統改進是將本地掩碼序列（conj（DFT（本地序列）））與前導子載波相乘，再補零至IDFT點進行IDFT運算變換到時域，再進行模值平方得到PDP（功率延遲譜）。

由BSC9132實現PDP求取的優化：利用協處理器MAPLE的eFTPE模塊的前乘、補零和IDFT功能，直接實現前導子載波和本地掩碼的相乘和IDFT運算，不僅大大節約了緩存，節省了代碼量，還節約了運算時間。

由BSC9132協處理器MAPLE手冊可知，eFTPE的部分功能：1）eFTPE支持前乘功能，eFTPE可以先將本地內存數據與待IDFT的數據進行定點小數相乘。2）eFTPE支持補零功能，因為對于格式0-3，ifft_size=1 536，實際數據為839，需要自動補零。3）eFTPE支持各種格式的傅里葉正變換和逆變換。

由MAPLE協助實現PDP求取，較之其他方法，節省了Core的工作量，Core和MAPLE同時工作，效率提高了近30%。

3.3 PDP峰值檢測算法實現過程優化

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

具體實現過程如下：

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為考慮多徑時延擴展影響，將窗口起點前推的提前量。

如果hs_flag=1時，即高速情形下，由于多普勒頻偏的影響，每個前導將會出現在3個相臨窗內，則循環移位值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個檢測窗口內的PDP相加即可。

其次遍歷檢測窗中的數據，4個一組，如果是限制集的情況，還要分別累加負頻偏和正頻偏的檢測窗口的數據，再利用函數maxu選出其中的最大值，即PDP峰譜。

最后計算峰均比，如果峰均比大于設置的門限值，則判斷峰譜是不是真的存在，是否為虛檢，如果真實存在即成功檢測出前導，則把相關參數存儲到PRACH_rpt中。

此方法以近似值求取噪聲平均功率，并且以峰均比設置門限值，大大降低了計算復雜度，且經MATLAB驗證，可以很好地檢測出前導，對于虛檢的檢測也避免了錯誤情況的發生。

4 PRACH模塊的DSP流程與檢測

PRACH的處理由BSC9132的1個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，噪聲功率計算，窗內找PDP峰值，計算SNR，與門限判決找發送前導。

在時域，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會完成時域到頻域的FFT處理，eFTPE輸出每天線839或者139點頻域數據。

PRACH的頻域數據和本地掩碼相關通過eFTPE的前乘功能來實現，Core配置eFTPE的BD啟動Maple完成頻域數據和本地掩碼相關，IFFT的處理。Core然后對IFFT輸出的數據求功率，并且把兩天線的功率合并得到1 536點或者256點功率，最后根據檢測算法進行門限檢測。

通過多UE實際接入檢測，小區可以成功檢測出多UE的接入，且在CodeWarrior查看PRACH檢測模塊的代碼運行cycle數，1個接入機會2-4條母碼PRACH模塊處理時間在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0.7～0.8 ms相比，大大提高了接入速率，即使很復雜的接入也能在一個上行子幀內順利的完成檢測，十分理想。

圖3 PRACH處理流程圖

5 結束語

本文介紹了LTE小基站隨機接入過程的前導檢測算法及其DSP實現優化。隨機接入過程是UE與基站建立連接的必須過程，而且隨機接入還會在切換、輔助定位等很多場景中應用。利用生成前導碼的基序列ZC序列恒幅零自相關的特性，由功率延遲譜峰值找到對應序列，從而檢測出UE使用的前導和UE的信息。DSP芯片BSC9132是一款LTE小基站專用芯片，它主頻高，功能強大，實時性好，可以和AD9631直接連接組成小基站，實現簡單且滿足LTE通信。本文從工程優化角度，提出的基于BSC9132 DSP芯片的PRACH檢測優化實現，利用CIC降采樣減少計算量，利用BSC9132MAPLE優化PDP計算，改進峰值檢測算法來提高計算速率。通過與UE的實際通信驗證，完全可以正常進行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定可靠。

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