一種高速場景中的前導序列設計與檢測方案

(西安電子科技大學 綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

鐵路運輸系統(tǒng)高速化、密集化的發(fā)展，對GSM-R通信技術提出新的挑戰(zhàn)[1]。把LTE系統(tǒng)應用于高速通信網(wǎng)，符合國際化的鐵路通信標準。目前，在載頻2.6 GHz、速度350 km/h的高速移動場景中，LTE系統(tǒng)使用限制集產生前導序列，并利用3個搜索窗聯(lián)合檢測隨機接入用戶及時間提前量(Timing Advance，TA)[2]。而3GPP 標準要求未來高速場景中需支持速度高達500 km/h的設備連接，并使用未授權的高頻段以增加數(shù)據(jù)吞吐量[3]。此時，較大的多普勒頻偏及收發(fā)端本地振蕩器產生的高載波頻偏使相關峰的能量泄漏到搜索窗外，嚴重降低了數(shù)據(jù)解調的準確性，LTE系統(tǒng)的檢測方法幾乎失效。此外，隨著終端設備數(shù)量增加，隨機接入過程碰撞概率升高[4]，將導致網(wǎng)絡接入慢、通信質量差等問題。如何有效地解決高速環(huán)境下多普勒頻移及小區(qū)用戶容量問題，是高速通信技術面臨的重要挑戰(zhàn)。

對于高速場景下的LTE系統(tǒng)，已有許多關于這一領域的研究。但目前的研究側重于分析頻偏對LTE系統(tǒng)的影響[5-6]及提高頻偏估計精度的算法[7-9]。而這些方法仍基于LTE標準算法的3個檢測窗口進行峰值檢測，這將限制最高多普勒頻偏范圍，不能滿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[10]研究了一種新的前導序列生成方法，通過限制ZC序列根序列號的選擇，使相關峰值的偏移位置集中在單個搜索窗內，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序列的數(shù)量，不適合實際應用。

考慮到以上各方案的優(yōu)勢與不足，本文在分析頻偏對定時估計誤差影響的基礎上，提出一種能夠提高解調性能的前導序列設計與檢測方案。通過把兩個共軛對稱ZC序列組合的方式來構造前導序列，然后采用兩級序列聯(lián)合檢測算法降低整數(shù)倍頻偏對定時估計的影響。該方案不僅支持高載頻的使用，滿足用戶對數(shù)據(jù)速率的需求，而且不需要對根序列號的選擇進行限制，提高了小區(qū)中可用前導序列數(shù)量，從而為高速場景下的隨機接入過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接入信道(PRACH)建立。鑒于ZC序列在時域和頻域具有良好的恒模零自相關性[11]，PRACH 信號采用ZC序列。LTE系統(tǒng)設計了5種前導格式，每個小區(qū)支持64個可用的前導序列，這些序列可以從一個或多個ZC根序列通過不同的循環(huán)移位產生，循環(huán)移位大小由零相關區(qū)長度NCS-1決定。可根據(jù)小區(qū)半徑大小選擇合適的前導格式和循環(huán)移位值。根為u且長度為奇數(shù)的ZC序列定義為

(1)

式中，NZC為序列的長度；u為物理根序列索引值并且與NZC互質。由該根序列可得到零相關窗長度為Cv的隨機接入前導碼為

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

(2)

式中，Cv為循環(huán)移位長度；(n+Cv)modNZC為取模操作，對于高速場景下前導序列限制集的具體描述可參考文獻[12]。

LTE系統(tǒng)中UE與eNodeB(evolved eNodeB，演進基站)發(fā)送和接收前導序列的過程如圖1所示。每個發(fā)起隨機接入的UE根據(jù)高層廣播的系統(tǒng)信息選擇一個前導序列，經過傅里葉變換(DFT)、子載波映射、傅里葉逆變換(IFFT)生成SC-FDMA信號，然后通過上采樣達到系統(tǒng)要求的采樣速率(30.72 MHz)，并在前導序列首尾分別添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)和保護時間(Guard Time，GT)來抵抗多徑干擾。

時域連續(xù)的PRACH基帶信號定義為

(3)

式中，βPRACH為高層指定的功率因子；TCP為CP的長度，要求大于最大傳播時延，0≤t

圖1 前序導列xn(n)發(fā)送接收系統(tǒng)框圖

2 隨機接入前導序列設計

為克服高速場景中頻偏的影響，LTE標準中制定了根索引的限制集合和3個搜索窗聯(lián)合的相關檢測算法。但該方法不僅限制了最大頻偏，而且可用前導序列數(shù)量少，不能滿足用戶高速度、高容量的需求。對此，首先分析了頻偏對前導序列檢測性能的影響，然后對LTE系統(tǒng)中前導格式0進行擴展，構造了新的隨機接入前導序列及其檢測算法。

2.1 頻偏對前導序列的影響

根據(jù)圖1，eNodeB接收到的時域信號為

(4)

式中，hl為第l徑的信道衰落系數(shù)；dl為第l徑的傳播時延；Δλ=Δf/ΔfRA為歸一化頻偏；Δf為發(fā)射信號與接收信號存在的總頻偏，是多普勒頻移fd與收發(fā)端本地晶振誤差產生的載波頻率偏移fcfo之和，可假設在信號傳播時間內保持不變；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)與本地頻域前導序列Xu(k)做共軛點乘運算并進行IFFT操作，得到時域離散周期相關函數(shù)：

(5)

(6)

(7)

2.2 隨機接入前導序列的構造與檢測

圖2 兩級組合前導序列結構

(8)

(9)

聯(lián)立式(8)和式(9)，可得

(10)

由此提出一種兩級序列聯(lián)合判決的隨機接入檢測算法，具體檢測過程如圖3所示。

圖3 兩級序列聯(lián)合判決的隨機接入檢測過程

2.3 隨機接入前導序列的性能

① 序列數(shù)量。根據(jù)LTE標準，NZC=839，所以兩級組合的前導序列可選擇的根索引為u∈(1,838)，共838個。令每個根總共能產生的前導序列個數(shù)為seq_num，當NCS=0時，seq_num=1，當NCS≠0時，seq_num=|NZC/NCS|·838，新序列能夠產生的總序列數(shù)量為∑seq_num=294139。而按傳統(tǒng)的LTE標準，高速場景下使用限制集，每個根最多只能產生7條可用前導序列[2]，經計算可產生的總序列數(shù)量為56274。因此，新序列產生的可用前導序列數(shù)量是使用限制集的5.2倍，在基于競爭的隨機接入過程中能有效降低碰撞概率，符合小區(qū)終端設備數(shù)量不斷增加的發(fā)展趨勢。

② 解調性。在高速場景下，LTE系統(tǒng)使用3個搜索窗聯(lián)合檢測前導序列，只支持Δf≤ΔfRA的情況[10]。當Δf>ΔfRA時，由于峰值能量泄露到搜索窗口外，使得未發(fā)起隨機接入的位置可能存在錯誤的峰值。因此，LTE系統(tǒng)的前導格式和檢測方法不適合高載頻、高多普勒頻移情景。而新的序列設計和兩級聯(lián)合檢測方案巧妙利用ZC序列的共軛性質，降低了偽峰的影響，可有效降低錯檢概率，提高系統(tǒng)解調性能。

3 仿真分析

使用Matlab對隨機接入過程進行了仿真，主要評估所提出的前導序列設計方法和對應的檢測算法的解調性能，并與LTE標準中的檢測算法[12]做對比分析。仿真系統(tǒng)以 LTE 系統(tǒng)中的前導格式0為基準，設置載波頻率fc為4 GHz，分別在加性高斯白噪聲信道(AWGN)和擴展典型城市信道模型(Extended Typical Urban model，ETU)[9]下對所設計隨機接入前導序列的錯檢概率進行仿真分析，系統(tǒng)仿真的具體參數(shù)如表1所示。

仿真時按照3GPP的LTE標準[12]，在虛警概率小于0.1%的條件下確定判決門限VT。假設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頻偏為4 GHz×0.15 ppm=600 MHz。用戶移動速度分別為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信道條件下的錯檢概率仿真曲線。

表1 仿真參數(shù)

圖4 仿真結果

由圖4(a)可以看出，在AWGN信道條件下，當移動速度為120 km/h且錯檢概率為1%時，LTE標準序列與新序列的接收信噪比(SNR)約相差0.5 dB，檢測性能相近；但當移動速度為500 km/h時，LTE標準序列已完全無法正確判決，而新序列檢測性能比120 km/h好0.5 dB。這是因為速度為120 km/h時，歸一化頻偏為0.83，LTE標準的檢測算法能很好地工作。而在500 km/h的高速場景下，產生的歸一化頻偏為1.96，較大的頻偏導致接收序列峰值偏移出3個檢測窗范圍，LTE標準的檢測方法已無法正確判斷峰值位置。而新序列對頻偏不敏感，檢測性能不受速度限制，并且歸一化頻偏越接近整數(shù)解調效果越好。

由圖4(b)可以看出，在ETU信道條件下，當移動速度相同時，新序列的檢測性能比傳統(tǒng)序列低4 dB，因為多徑時延使PDP峰值能量泄露，LTE標準的檢測算法性能降低。當移動速度不同時，速度越高同一序列的檢測性能越差，這是由于在多徑傳播環(huán)境下，速度增加導致信道時變性增強，信號衰落深度加大。

4 結束語

在高速移動場景下，研究了隨機接入過程中多普勒頻移破壞OFDM信號子載波間的正交性，導致系統(tǒng)檢測性能降低的問題。通過分析頻偏對定時估計產生的影響，考慮到實際應用需求以及LTE 標準方法的不足，提出一種將兩個共軛對稱的ZC序列組合的前導序列設計和兩級聯(lián)合檢測方案。相比于LTE標準中的前導序列產生方式和檢測方法，該方案提高了小區(qū)中可用前導序列數(shù)量，能夠在不同的移動速度及信道條件下降低峰值檢測的不確定性，實現(xiàn) TA的正確估計。而且，該方案對所使用的載頻大小不敏感，可以通過使用高載頻提升數(shù)據(jù)傳輸速率，為高速通信中的多普勒頻偏及小區(qū)容量問題提供一個有效的解決方案。