TD-LTE系统中RACH信号检测的仿真与实现

摘  要： 提出了TD-LTE系统中RACH（随机接入）信号检测算法。该算法利用ZC(Zadoff-Chu)序列和FFT（快速傅里叶变换）特点，结合循环相关函数为eNodeB提供快速有效的随机接入。仿真结果表明，在不同的信道环境下，该检测算法都能较好地工作，具有快速稳定、易于实现等优点。
关键词： TD-LTE系统； 随机接入； 前导检测

    在TD-LTE系统中, 随机接入过程的目的是使 UE 与网络建立连接或是使UE获得上行同步[1-2]。只有在随机接入过程完成后，UE和eNode才可以进行正常的数据传输和接收。然而由于有限的接入资源，在相同时间上多个UE同时发起随机接入就会产生碰撞，碰撞概率越大，UE接入eNode的延迟越大[3]。LTE系统要求提供更大的容量及更短的时延，所以能够设计出快速有效的随机接入过程对于LTE系统的性能很重要。TD-LTE系统无线帧中的RACH信号使用了ZC(Zadoff-Chu)序列[4]，由于ZC序列在时域和频率具有良好的相关性，所以利用接收端接收到的信号与本地生成前导序列的互相关，可以得到发送的前导序列号，但是这种算法运算量很大，给eNode带来很大的负担[1]。
    本文提出了一种快速稳定、易于实现的利用FFT和循环相关求RACH信号检测的方法。首先分析了时域上前导检测算法和基于FFT和循环相关的检测算法，然后进行了算法的仿真及仿真结果分析。仿真结果显示，与时域的前导检测算法相比，基于FFT的循环相关的RACH检测算法在符合LTE物理层协议的性能要求时，大大减少了eNode的运算复杂度，对LTE整体性能有很好影响。

    (1)计算两个序列各自的DFT;
    (2)将其中一个DFT函数取共轭后与另一个DFT函数相乘，即是点乘;
    (3)对该乘积取IDFT。
    本文提出的基于FFT的循环相关RACH序列检测的算法利用FFT快速计算循环相关，在输出的序列中查找到峰值，即可确定发送的前导序列号和时间提前量。基于FFT的PRACH信号的检测流程如图3所示。

3 性能仿真
    使用Matlab仿真工具，对循环相关函数采用直接和FFT的运算量进行分析。从图4可以看出,随着序列长度的增加，采用直接计算的计算量将急剧增加，而采用FFT后，计算量增长缓慢，可知对于NZC=839点的前导序列采用FFT后将大大减少运算量。

    对提出的算法来估计RACH信号成功检测进行分析。协议要求的PRACH的误检测率[4]要求性能如表2[3]所示。仿真中用到的主要参数如表3。

　仿真结果如图5所示。图5表明，对于AWGN信道，当信噪比SNR=-11.5 dB时成功检测概率可以达到99%，表2中此时的情况SNR=-13.4 dB。由于表2中显示的是两天线情况，本文仿真是在单天线情况下进行的，所以结果略有差别。同理，对于ETU 70信道，图5满足性能要求时信噪比SNR=-6,表2中此时的情况SNR=-5.7 dB。由以上仿真结果可以看出，本文提出的算法能较好地工作，并且降低了eNode端的运算复杂度。

    本文首先介绍了用TD-LTE系统无线帧中的ZC序列求RACH前导序列，并对时域的RACH信号检测算法进行分析，在此基础上提出了一种采用FFT和循环相关函数的检测算法。仿真表明,本文提出的算法能够满足TD-LTE系统上行随机接入的需要。该算法已经用到国家科技重大专项项目“TD-LTE无线终端综合测试仪表”的开发中，并验证了其有效性。
参考文献
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[3]  SESIA S, TOUFIK L, BAKER M著. LTE-UMTS长期演进理论与实践.马霓,乌钢，张晓博，等译.北京：人民邮电出版社，2009.
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[9] 3GPP TS 36.104 v9.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access; BaseStation(BS) radio transmission and reception(Release 9)[S].2009-12.