基于BSC9132的PRACH检测DSP优化实现

赵景涛 ，朱宇霞

（1.武汉邮电科学研究院湖北武汉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系统容量的本质，成为4G时代的重要网络组成部分。随着4G普及，越来越多的场景需要成本低、布置方便且性能良好的Small Cell。未来，Small Cell会逐渐成为5G通信中的重要增长点。运营商的需求使得国内外各通信公司纷纷提出自己的Small Cell方案。上海贝尔基于Falt-IP架构，通过自组网SON技术实现网络的Small Cell自动配置。华为在2015年上海移动世界大会上宣布，率先在全系列室内外Small Cell产品上实现4.5 G关键技术，通过空口技术突破如256QAM、载波聚合和LAA[4-5]等核心技术，将通信速率大幅提升。中兴提出的Qcell多频多模室内覆盖解决方案解决了室内高速无线宽带覆盖的问题。北方烽火的一体化基站率先提出了防水且耐高温的恶劣环境解决方案。总之，国内外各大通信公司都在积极开发Small Cell，并已经着手将5G的一些技术尝试运用在Small Cell上。

在LTE与LTE-A系统中，随机接入是eNodeB和UE建立连接的唯一方式。eNodeB检测UE在接入机会上发射的PRACH前导码，通过检测到前导码序列的索引确定UE的基本信息，并根据接收到的前导码序列测量出时偏、频偏的信道参数，对UE进行发射调整，完成UE的随机接入。因此，高效的完成随机接入检测是十分重要的。

1 传统PRACH检测方法

传统的接收端算法设计：先从无线帧中抽取出前导码的时域波形，去CP并移频后进行OFDM解调，即做24576/4096点FFT变换，得到24576/4096个频域子载波。然后通过子载波解映射从中抽取出有用的839/139个子载波。通过离散傅里叶逆变换（Inverse Discrete Flourier Transform，IDFT）变换得到前导子载波的时域形式，然后通过和本地掩码做相关计算得到时域功率延迟谱（Power Delay Profile，PDP），再通过一定的前导检测算法将前导检测出来。

前导序列检测的基本原理是将接收并完成解调的前导序列与本地所有可能的64个ZC基序列进行匹配（相关运算）。待求前导的基序列即能够得到尖锐峰值的ZC序列。而根据峰值出现的位置偏差，就能获得循环移位值，实现前导检测。

传统的前导检测复杂度主要体现在ZC序列的生成、DFT和IDFT变换、峰值检测等方面。因此，在进行DSP实现时，主要针对以上步骤进行改进和优化。

2 硬件设计

BSC9132芯片是Freescale公司专为Small Cell定制的DSP芯片，处理速度主频高达1.2 GHz，有两个SC3850的DSP核，两个e500的CPU核，还有协处理器MAPLE集成LTE物理层上下行处理单元，实时性好，功能强大。

MAPLE-B2P是DSP芯片BSC9132最独特的地方，MAPLE-B2P的含义是Multi-Accelerator Platform Engine Baseband 2 for Pico，即专为 Pico Cell基带设计的多加速平台引擎。它可以实现信道编码/译码、傅里叶变换、UMTS码片速率处理和LTE上行信道处理和CRC检测，由卷积、滤波、Turbo编码、Viterbi译码、码片速率处理和MIMO各模块处理器组成。此外，BSC9132的AIC射频接口可以和ADI的AD9631无缝连接；BSC9132的AIC射频接口可以直接通过DMA访问MAPLE-B2P，可以实现MAPLEB2P<-＞AIC射频接口<-＞ 射频收发信机（AD9631）的上下行数据通路。

因此，我们只需采用一块BSC9132芯片，一块AD9631芯片就能实现LTE 2天线1扇区的基站功能。AD9631完成RRU功能和AGC（增益控制）处理，BSC9132芯片的2个SC3850核和协处理器Maple完成除AGC之外的所有物理层上下行链路处理，Core0完成PRACH和PUCCH相关处理，Core1完成PUSCH和PDSCH的相关处理，而1个e500的CPU核完成层2的处理，另1个e500的CPU核完成层3的处理。

BSC9132单芯片本地方案如图1所示，LTE2x2模式利用一个JDEC207接口和AD9631相连，基站直接出射频信号。

此小基站的硬件方案实现简单，同时完全可以实现LTE通信要求，可以和UE进行4G通信，实际验证PRACH检测算法可行性。此外，根据Freescale公司提供的DSP软件开发平台CodeWarrior可以查看PRACH检测模块的代码运行cycle数，即可转化为执行时间，验证优化效率。

图1 本地射频示意图

3 算法改进与实现优化

为了提高随机接入检测的速率，一方面要改进算法以尽量降低计算复杂度，另一方面要合理利用DSP芯片的自身优势，优化代码，提高计算效率。因此，本文从以下几个方面进行了优化。

3.1 16倍CIC滤波抽取

与其他上行信道不同，PRACH信道单独完成时域到频域的转换。format0～3的PRACH的OFDM符号长度为24 576Ts，有效子载波个数839；format4的OFDM符号长度为4 096Ts，有效子载波个数139。如果按照实际OFDM符号长度进行FFT运算，需要的点数为24 576或4 096，运算量太大，所以在移频之后需要进行16倍降采样，将FFT点数降为1 536或256，减少了PRACH的运算量和处理时间。

降采样即降低采样频率，由傅里叶公式可推导得：

可知，在原序列频率π/a的数将展宽到π的位置，若原序列[π/a，π]区间上有信息，则降采样后会发生混叠。但如果先用一个低通滤波器（其通带截止频率为π/a）对原信号滤波，降采样a倍抽取后的频谱不会发生混叠。

CIC滤波器因其结构简单且易于实现，除延迟外只涉及加法和累加运算，并且可以多级级联达到较理想的效果，正适用于DSP实现PRACH的降采样滤波。

一级CIC滤波器如图2所示，由积分器和梳状滤波器级联而成，若R为抽取倍数，每级微分延迟D个样本，其表达式为：

图2 一级CIC滤波器

其中，D在工程实现中一般取值为1或2，则积分部分对应y[n]=y[n-1]+c[n]，梳状部分对应c[n]=x[n]-x[n-R]，DSP代码极易实现，且可实现流水线编程。

CIC滤波器的幅频特性为：

通过计算可得，此时第一旁瓣电平与主瓣电平相比衰减13.46 dB。多级级联可以提高通带衰减和旁瓣抑制，提高性能，经过MATLAB仿真计算，四级级联就可以实现Small Cell的性能要求。

为了消除通带衰减，应该在后面进行补偿，其幅频响应为

幅频响应可以提前近似计算出并存储在内存中，提高滤波的精确度。

此方法的优点：将大点数的FFT利用时域降采样和滤波，转化为1 536或256点的FFT，极大的降低了运算量，节省了实现的时间。

3.2 PDP求取过程优化

由于ZC序列时域变换到频域后性质不变，时域的卷积等同于频域相乘。因此，传统改进是将本地掩码序列（conj（DFT（本地序列）））与前导子载波相乘，再补零至IDFT点进行IDFT运算变换到时域，再进行模值平方得到PDP（功率延迟谱）。

由BSC9132实现PDP求取的优化：利用协处理器MAPLE的eFTPE模块的前乘、补零和IDFT功能，直接实现前导子载波和本地掩码的相乘和IDFT运算，不仅大大节约了缓存，节省了代码量，还节约了运算时间。

由BSC9132协处理器MAPLE手册可知，eFTPE的部分功能：1）eFTPE支持前乘功能，eFTPE可以先将本地内存数据与待IDFT的数据进行定点小数相乘。2）eFTPE支持补零功能，因为对于格式0-3，ifft_size=1 536，实际数据为839，需要自动补零。3）eFTPE支持各种格式的傅里叶正变换和逆变换。

由MAPLE协助实现PDP求取，较之其他方法，节省了Core的工作量，Core和MAPLE同时工作，效率提高了近30%。

3.3 PDP峰值检测算法实现过程优化

文中提出了一种简化的峰值检测实现方法。首先简化噪声平均功率的计算即把所有的PDP进行相加再做平均。然后在各个检测窗内找到PDP峰值，进行峰均比的计算，再与设定的门限比较（MATLAB仿真求得），如果超过门限即为找到了峰值，即检测到了前导序列。

具体实现过程如下：

首先确定检测窗的起始位置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为考虑多径时延扩展影响，将窗口起点前推的提前量。

如果hs_flag=1时，即高速情形下，由于多普勒频偏的影响，每个前导将会出现在3个相临窗内，则循环移位值cv=N_cv-du、cv=N_cv和cv=N_cv+du，分别带入检测窗的起始位置win_start公式，求出3个检测窗口内的PDP相加即可。

其次遍历检测窗中的数据，4个一组，如果是限制集的情况，还要分别累加负频偏和正频偏的检测窗口的数据，再利用函数maxu选出其中的最大值，即PDP峰谱。

最后计算峰均比，如果峰均比大于设置的门限值，则判断峰谱是不是真的存在，是否为虚检，如果真实存在即成功检测出前导，则把相关参数存储到PRACH_rpt中。

此方法以近似值求取噪声平均功率，并且以峰均比设置门限值，大大降低了计算复杂度，且经MATLAB验证，可以很好地检测出前导，对于虚检的检测也避免了错误情况的发生。

4 PRACH模块的DSP流程与检测

PRACH的处理由BSC9132的1个SC3850核和Maple共同完成，其DSP模块流程如图3所示。基站接收处理完整的PRACH流程为：去CP，移频，16倍滤波抽取，DFT，DFT谱重整以及载波抽取，本地掩码序列生成，频域相乘，IFFT，模平方，噪声功率计算，窗内找PDP峰值，计算SNR，与门限判决找发送前导。

在时域，由Core完成移频，降采样和eFTPE的BD配置。通过配置eFTPE的BD来控制FFT和可用子载波抽取。Core完成eFTPE的BD配置后，Maple会完成时域到频域的FFT处理，eFTPE输出每天线839或者139点频域数据。

PRACH的频域数据和本地掩码相关通过eFTPE的前乘功能来实现，Core配置eFTPE的BD启动Maple完成频域数据和本地掩码相关，IFFT的处理。Core然后对IFFT输出的数据求功率，并且把两天线的功率合并得到1 536点或者256点功率，最后根据检测算法进行门限检测。

通过多UE实际接入检测，小区可以成功检测出多UE的接入，且在CodeWarrior查看PRACH检测模块的代码运行cycle数，1个接入机会2-4条母码PRACH模块处理时间在40万cycle到60万cycle之间，在BSC9132 1.2 G主频下不到0.5 ms，与传统0.7～0.8 ms相比，大大提高了接入速率，即使很复杂的接入也能在一个上行子帧内顺利的完成检测，十分理想。

图3 PRACH处理流程图

5 结束语

本文介绍了LTE小基站随机接入过程的前导检测算法及其DSP实现优化。随机接入过程是UE与基站建立连接的必须过程，而且随机接入还会在切换、辅助定位等很多场景中应用。利用生成前导码的基序列ZC序列恒幅零自相关的特性，由功率延迟谱峰值找到对应序列，从而检测出UE使用的前导和UE的信息。DSP芯片BSC9132是一款LTE小基站专用芯片，它主频高，功能强大，实时性好，可以和AD9631直接连接组成小基站，实现简单且满足LTE通信。本文从工程优化角度，提出的基于BSC9132 DSP芯片的PRACH检测优化实现，利用CIC降采样减少计算量，利用BSC9132MAPLE优化PDP计算，改进峰值检测算法来提高计算速率。通过与UE的实际通信验证，完全可以正常进行4G通信且大大提高了小基站的PRACH检测速率，使得小基站与UE的通信连接更加迅速，小基站的性能更加稳定可靠。

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