LTE系統(tǒng)高速移動(dòng)接收機(jī)算法
2018-09-04 10:04:30閔鐵銳溫文坤徐子龍
移動(dòng)通信 2018年6期
閔鐵銳 溫文坤 徐子龍
【摘 要】當(dāng)終端高速移動(dòng)時(shí)，多普勒頻移效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響基站對(duì)PRACH的檢測(cè)能力。為此需要分析終端在以較高速度移動(dòng)時(shí)，多普勒頻移對(duì)PRACH檢測(cè)性能的影響。為了對(duì)抗多普勒頻移效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種適用于高速移動(dòng)終端的PRACH三窗口聯(lián)合檢測(cè)算法。理論分析和仿真結(jié)果顯示該算法可以有效提高移動(dòng)終端對(duì)PRACH的檢測(cè)性能，能夠滿足3GPP協(xié)議規(guī)范對(duì)PRACH檢測(cè)性能的要求。
【關(guān)鍵詞】物理隨機(jī)接入信道；高速移動(dòng)終端；多普勒頻移；接收機(jī)性能
1 引言
在LTE無線通信系統(tǒng)中，用戶終端必須首先進(jìn)行和基站之間的空口無線接入，才能進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)無線接入，終端需要先從基站獲取下行同步和系統(tǒng)配置信息。當(dāng)用戶終端靜止不動(dòng)時(shí)，接入過程通常比較易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)終端進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，盡管終端可以檢測(cè)出自身和基站相對(duì)移動(dòng)引起的多普勒頻率偏移，但是，終端在發(fā)送上行前導(dǎo)序列時(shí)，并不對(duì)檢測(cè)到的下行頻偏做相應(yīng)的補(bǔ)償，這會(huì)使得基站在做物理隨機(jī)接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）檢測(cè)時(shí)，需要處理兩倍的多普勒頻偏。當(dāng)終端低速移動(dòng)的時(shí)候，多普勒頻率偏移的影響很??；但是，當(dāng)終端以較高速度移動(dòng)時(shí)（例如350 km/h），基站如果使用常規(guī)速度下的檢測(cè)算法，會(huì)出現(xiàn)物理隨機(jī)接入信道檢測(cè)性能急劇下降的現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤檢，從而降低用戶的系統(tǒng)接入概率甚至無法接入，這種情況在高速公路、高速鐵路等無線通信應(yīng)用中常常發(fā)生。因此，本文設(shè)計(jì)一種新的物理隨機(jī)接入信道檢測(cè)算法來保證高速用戶終端的無線接入。
在簡(jiǎn)要描述物理隨機(jī)接入信道的工作原理之后，本文先分析終端高速運(yùn)動(dòng)對(duì)物理隨機(jī)接入信道檢測(cè)性能的影響，然后提出一種三窗口聯(lián)合檢測(cè)算
法，最后，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。
2 物理隨機(jī)接入信道工作原理
圖1顯示了物理層隨機(jī)接入信道采用的一種典型信號(hào)幀結(jié)構(gòu)。具體而言，在時(shí)域上，每個(gè)信號(hào)幀占用一個(gè)傳輸時(shí)間間隔（Transmission Time Interval，TTI）或者多個(gè)TTI（1個(gè)TTI=1 ms）。每個(gè)TTI包含一個(gè)循環(huán)前綴TCP、一個(gè)前導(dǎo)序列TSEQ和一個(gè)保護(hù)間隔TGT。其中，循環(huán)前綴和保護(hù)間隔都會(huì)受到最大往返時(shí)延（Round Trip Delay，RTD）和時(shí)延擴(kuò)展的影響。在頻域上，每個(gè)信號(hào)幀占用6個(gè)資源塊（Resource Blocks，RBs），對(duì)應(yīng)1.08 MHz的頻域帶寬[1， 2， 7， 8， 9]。
如表1所示，上述幀結(jié)構(gòu)中的前導(dǎo)序列包含5種不同格式，編號(hào)從0到4。不同格式的循環(huán)前綴、前導(dǎo)序列占用時(shí)長(zhǎng)、占用TTI個(gè)數(shù)以及時(shí)延擴(kuò)展各不相同，支持不同的小區(qū)覆蓋半徑。例如，格式3支持的小區(qū)半徑為100 km，格式4僅適用于時(shí)分雙工（Time Division Duplex，TDD）模式，且其長(zhǎng)度只有2個(gè)符號(hào)（小于1個(gè)TTI），對(duì)應(yīng)的小區(qū)覆蓋半徑只有1.4 km。
物理隨機(jī)接入信道使用Zadoff-Chu序列作為前導(dǎo)訓(xùn)練序列。利用Zadoff-Chu序列具有恒定幅度的特性，可以有效地限制發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率峰均比，并簡(jiǎn)化發(fā)射機(jī)的計(jì)算量。同時(shí)，利用Zadoff-Chu序列理想的循環(huán)自相關(guān)特性和很低的互相關(guān)特性，可以有效地同時(shí)解碼多個(gè)終端同時(shí)發(fā)送的前導(dǎo)序列[2， 7， 8， 9]。具體而言，一個(gè)根為u的Zadoff-Chu序列可以表示為[1]：
（1）
其中，NZC表示Zadoff-Chu序列的長(zhǎng)度。當(dāng)根序列進(jìn)行循環(huán)移位后，得到的新序列為：
xu，v（n）=xu（（n+Cv）modNZC） （2）
其中，
（3）
NCS是高層協(xié)議指定的零相關(guān)區(qū)配置對(duì)應(yīng)的循環(huán)位移取值，如表2所示。在表2中，非限制集合和限制集合的選擇是通過協(xié)議高層指定的一個(gè)標(biāo)識(shí)來選擇的，該標(biāo)識(shí)簡(jiǎn)稱為小區(qū)高速標(biāo)識(shí)。非限制集合對(duì)應(yīng)常速情況下的物理隨機(jī)接入信道生成，而限制集合對(duì)應(yīng)高速情況下的物理隨機(jī)接入信道生成。
公式（3）中參數(shù)、、、dstart的取值和多普勒偏移對(duì)應(yīng)的循環(huán)位移（du）密切相關(guān)。具體而言，du的值可以表示為[1]：
du （4）
其中，p是滿足（pu）modNZC=1的非負(fù)整數(shù)。首先當(dāng)du滿足NCS≤du （5） 其次，當(dāng)du滿足NZC/3≤du≤（NZC-NCS）/2，公式（3）中的參數(shù)定義表示如下： （6） 最后，當(dāng)du取其他數(shù)值時(shí)，限制集合內(nèi)沒有循環(huán)位移。 3 終端高速運(yùn)動(dòng)對(duì)物理隨機(jī)接入信道檢 測(cè)性能的影響 當(dāng)終端在移動(dòng)情況下進(jìn)行通信時(shí)，由于終端和基站之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成基站接收端的信號(hào)發(fā)生多普勒效應(yīng)，引起多普勒頻移，如果在沒有任何頻偏校正的情況下，基站發(fā)射頻率和接收頻率之間存在兩倍多普勒頻偏。 假設(shè)終端發(fā)送的前導(dǎo)序列為xu（n）且沒有發(fā)生任何頻率偏移，基站接收端收到的前導(dǎo)序列表示為r[n]。那么，當(dāng)存在頻率偏移為Δω的時(shí)候，基站接收到的前導(dǎo)序列可以表示為： [n]=ej△ε×nr[n] （7） 其中，Δω=2πΔf/fs，Δf是指頻率偏移，fs是前導(dǎo)序列的采樣頻率。和前導(dǎo)序列xu（n）的互相關(guān)函數(shù)可以表示為： （8） 假設(shè)du是終端移動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻偏對(duì)應(yīng)的循環(huán)位移，物理隨機(jī)接入信道最大多普勒頻偏為1.25 kHz。在沒有發(fā)生偏移時(shí)的接收信號(hào)可以表示為。當(dāng)發(fā)生頻率偏移時(shí)，接收端接收到的前導(dǎo)序列和終端發(fā)送的前導(dǎo)序列的互相關(guān)函數(shù)也可以表示為： （9） 其中，乘積項(xiàng)udu對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)偏移后的根索引。從公式（9）中可以看出：高速產(chǎn)生一對(duì)側(cè)峰會(huì)出現(xiàn)在距離主峰du處。
4 三窗口聯(lián)合檢測(cè)算法及系統(tǒng)參數(shù)配置
從上一節(jié)的分析可以看出，當(dāng)用戶終端高速移動(dòng)時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)物理隨機(jī)接入信道的檢測(cè)算法以對(duì)抗多普勒頻移效應(yīng)。圖2顯示了本文提出的三窗口聯(lián)合檢測(cè)算法原理圖。三窗口聯(lián)合算法是基站使用預(yù)先配置的前導(dǎo)序列和接收到的終端前導(dǎo)序列在頻域進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換到時(shí)域；然后，在時(shí)域收集三個(gè)窗口的接收信號(hào)，如公式（10）所示，后續(xù)檢測(cè)和原來常速檢測(cè)算法相同。經(jīng)疊加后再和設(shè)定的閾值比較并作出判決；決定是否正確接收到了終端發(fā)送的前導(dǎo)序列。圖2中定時(shí)模塊的作用是基于檢測(cè)出來的前導(dǎo)序列在時(shí)域的位置，來判斷終端和基站之間的距離，基站根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算出終端發(fā)送上行數(shù)據(jù)需要的時(shí)間提前量，并通過隨機(jī)接入過程中的消息2發(fā)送給對(duì)應(yīng)的終端。
（10）
公式中R表示三個(gè)窗口疊加后的時(shí)域信號(hào)，R[i， n]表示窗口i的時(shí)域信號(hào)。
當(dāng)多個(gè)高速移動(dòng)終端使用相同根序列但不同的循環(huán)位移時(shí)，為了保證不同終端的檢測(cè)峰值窗口之間沒有重疊，必須對(duì)循環(huán)位移進(jìn)行約束[4， 5]。以兩個(gè)終端為例，必須考慮下列約束條件：
（1）終端1的兩個(gè)側(cè)峰窗口不能與終端1自身的正常峰值窗口重疊；
（2）終端1的兩個(gè)側(cè)峰窗口之間不能重疊；
（3）終端1的兩個(gè)側(cè)峰窗口不能與終端2的正常峰值窗口重疊；
（4）終端1的兩個(gè)側(cè)峰窗口不能與終端2的兩個(gè)側(cè)峰窗口重疊。
如圖3所示，以上述約束條件（4）為例，當(dāng)終端1的“+副峰窗口”和終端2的“-副峰窗口”重疊后，雖然終端1的前導(dǎo)序列可以被正常檢出，但是終端2的前導(dǎo)序列將出現(xiàn)檢出誤警。對(duì)于其他三個(gè)約束條件，可以采用類似的分析方法。
對(duì)循環(huán)移位du的取值也存在兩個(gè)約束條件。如圖4（a）所示，如果du
根據(jù)上述對(duì)循環(huán)移位的約束條件，形成了兩種不同的系統(tǒng)參數(shù)配置，系統(tǒng)參數(shù)配置見第二節(jié)中相應(yīng)描述。當(dāng)NCS≤du﹤NZC/3時(shí)，表示du中可以容許多少個(gè)終端并發(fā)；表示可以由多少個(gè)高速終端三個(gè)峰值窗口；是一個(gè)終端三個(gè)窗口之外還剩下的頻域點(diǎn)數(shù)；dstart表示三個(gè)峰值窗口的頻域總長(zhǎng)度，如圖5所示。
當(dāng)NZC/3≤du≤（NZC-NCS）/2，如圖6所示，有一個(gè)副峰窗口和原峰值窗口間隔相等，但它們與另外一個(gè)峰值窗口的間隔不同。
5 仿真結(jié)果
本節(jié)主要討論了物理隨機(jī)接入信道檢測(cè)性能的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相關(guān)的仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示。
當(dāng)終端在以120 km/h的速度移動(dòng)時(shí)，如圖7（a）顯示了基站接收到前導(dǎo)序列并在進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算后在時(shí)域上的峰值情況。顯而易見，該圖上只存在單個(gè)峰值。但是，如圖7（b）所示，當(dāng)終端在以350 km/h的速度移動(dòng)時(shí)，時(shí)域上會(huì)出現(xiàn)三個(gè)峰值，而且，在原來正常峰值出現(xiàn)的窗口處的峰值不一定是最高峰值。因此，原有基于單個(gè)峰值的基站檢測(cè)算法不適用于高速移動(dòng)終端的物理隨機(jī)接入信道的檢測(cè)。
根據(jù)3GPP的要求，物理隨機(jī)接入信道的檢出率要求至少是99%，對(duì)應(yīng)的漏檢率不超過1%，誤警率不超過0.1%[3]。基于本文提出的三窗口聯(lián)合檢查算法，圖8（a）和圖8（b）分別顯示了終端以120 km/h和350 km/h的速度移動(dòng)時(shí)的基站漏檢率?？梢钥闯?，即使在終端高速情況下，三窗口聯(lián)合檢測(cè)算法可以達(dá)到常速下的漏檢率水平，滿足3GPP規(guī)定的小于1%的要求。盡管高速情況下漏檢率對(duì)應(yīng)的載干噪比會(huì)下降2～3個(gè)dB，這也能夠滿足3GPP的要求[3]。圖9（a）和圖9（b）分別顯示了終端分別以120 km/h的速度和350 km/h的速度移動(dòng)時(shí)的基站側(cè)誤警率，顯而易見，即使在終端高速移動(dòng)情況下，三窗口聯(lián)合檢測(cè)算法可以達(dá)到常速下的誤警率水平，能夠滿足3GPP規(guī)定的0.1%的要求[3]。
由于每個(gè)小區(qū)使用的根序列個(gè)數(shù)是由NCS的配置決定的，物理隨機(jī)接入信道使用的前導(dǎo)序列的互相關(guān)特性決定了如果存在多個(gè)根序列情況下，每個(gè)根序列對(duì)于其他根序列會(huì)產(chǎn)生干擾。本文的仿真實(shí)驗(yàn)中分別使用了1、2、4個(gè)干擾。從圖8所示的漏檢率曲線可以看出，在120 km/h的時(shí)速下，2個(gè)干擾的情況相比于1個(gè)干擾的情況，在漏檢率1%的要求下，載干噪比（Carrier to Interference and Noise Ratio，CINR）上升大約0.3 dB。4個(gè)干擾的情況相比于1個(gè)干擾的情況，在漏檢率1%的要求下，載干噪比上升大約1 dB左右。在350 km/h時(shí)速下，2個(gè)干擾的情況相比于1個(gè)干擾的情況，在漏檢率1%的要求下，載干噪比會(huì)上升大約1 dB左右。
4個(gè)干擾的情況相比于1個(gè)干擾的情況，在漏檢率1%的要求下，載干噪比上升大約2.5 dB。最后，圖9所示誤警率曲線顯示，不同干擾情況和不同終端移動(dòng)速度下，本文所提出的三窗口聯(lián)合檢測(cè)算法都能滿足3GPP規(guī)定的0.1%的要求。
6 結(jié)束語
為了提高移動(dòng)終端對(duì)LTE無線通信系統(tǒng)的接入能力，本文從理論上分析了終端高速移動(dòng)對(duì)物理隨機(jī)接入信道在基站側(cè)的檢測(cè)性能的影響，并提出了一種三窗口聯(lián)合檢測(cè)算法。通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了終端在常速和高速運(yùn)動(dòng)兩種不同情況下的基站檢測(cè)率和誤警率，結(jié)果顯示所提算法可以很好地檢測(cè)出物理隨機(jī)接入信道，并且能夠滿足3GPP規(guī)定的漏檢率不超過1%，誤警率不超過0.1%的要求。
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