LTE上行链路SC-FDMA频域均衡技术概述

zi n
N ZC 1 m0
r m c m n mod N ,n 0,1,
i ZC
, NCS 1
(1)
其中， ci n 为第 i 个本地前导序列， zi n 为 r n 与 ci n 的相关值， NCS 是通过 根序列循环移位生成前导码时所需的最小循环移位间隔。 令 i n zi n ， i ,max max i n , n 0,1,
3.1 线性均衡
由于最大似然概率译码（ML）具有很大的计算复杂度，研究人员提出线性 均衡算法，因为 MMSE/ZF 均衡算法只需矩阵求逆运算，因此具有较低的计算复 杂度。
1) MMSE/ZF
在文献[3]中， 作者提出基于先验信息的 MMSE 软输出均衡， 在和 MAP 算法 性能相差不大的情况下，大大减低了检测的计算复杂度；由于普通 MMSE 算法 在每计算一个码片的每一位时都需要计算一次均衡的系数，作者又提出一种 low-complexity MMSE solution，避免了频繁的系数计算。 文献[4]提出将 QR 算法作为 LTE 上行检测算法的辅助算法， 仿真结果说明采 用 QR 辅助算法的 ZF/MMSE 性能优于常规的 ZF/MMSE。文献[5]提出一种基于 Givens 旋转的可并行实现的排序 QR 分解方法，提高硬件的并行执行度。
(2)
1.2 建议方法(频域检测)
通过研读 LTE 随机接入相关协议和文献，并结合项目实际需求(着重考虑算 法的运算量以及并行化可行性)，我们拟采用频域并行检测算法来实现 RACH 信 号检测。
第1个核
Ci (k ), i A1 1, 2,3， , q / n 2， q / n 1， q / n
zi n
20481 m0
从 zi n 中， 我们根据相关峰的位置， 便可判断出哪些前导码被用户选取并
2
发送。具体判断方法为 ( 以 Format 0 为例 ) ：设检测门限值为 a ，若存在整数
p 为整数 ，使得 zi n a ，则可知由根序列 ci n 循环左 k 1 NCS , kNCS ,k
图 1 为频域并行检测原理图。 假设小区的前导序列由 q 个根序列 ci ,i 1,
生成，则接收机将接收序列与这 q 个根序列分别作相关。对于 N 核 DSP，需将 q 次相关平均分配到 N 个核中，以并行实现随机接入的频域检测。 具体检测步骤如下： 1. 在接收到多个 UE 发送的前导后，首先去除 CP(循环前缀)和 GT(保护时 隙)，再通过 FIR 带通滤波器，提取出前导序列。然后在时域对前导序列 进行下采样，以降低后续数据处理量。下采样后输出的序列为 r n ，其 长度小于 2048。 2. 在 r n 后添零，使得添零后的序列 r ' n 长为 2048。对本地根序列做相 同添零操作，得到的长 2048 的序列 ci' n 。令 r ' n 和 ci' n 的 FFT 变换 分别为 R k 和 Ci k 。将 R k 与 Ci k 做如下运算：
2
... ...
...
接收 序列
r ' ( n)
去CP、 GT FIR带通 滤波 下采样 添零 FFT
R(k)
Z i (k ), i An 1
反转 IFFT
zi (n), i An 1
zi (n), i An
...
Ci (k ), i An1 n 2 q / n 1,
839 64 13 698048 次乘法；而频域并行检测法不考虑零填充时，在同根序列
情况下，只需 2048 log 2 2048 2048 log 2 2048 2048 q 次乘法，这里， q 为 根序列的个数。 根据时域并行检测法和频域并行检测法的乘法次数可知，当根序 列个数 q 27 时，频域法的乘法次数小于时域法。在 LET 中， q 22 对应的小区 半径为 39 公里。在绝大多数实际应用场景中，小区半径小于 39 公里，这意味着
2.
LTE 随机检测算法
目前，LTE RACH 信号的检测方法主要有以下 2 种：
1. 时域检测[1]； 2. 频域检测[2]。 本文首先介绍时域检测法，再结合项目需求，提出 LTE RACH 信号的频域 并行检测初步方案。
1.1 时域检测
时域检测算法即选择一个门限值 a ，让接收序列经过预处理后，与每个本地 前导码在零相关窗口内做滑动相关。在 LTE 中，每个小区有一个由 64 个序列组 成的备选序列集，小区内的 UE 选择备选序列集中一个序列作为前导码发送。在 时域检测算法中，eNodeB 需对接收信号做 64 次滑动相关运算。对 n 核 DSP，可 将这 64 次滑动相关运算平均分配到 n 个核并行实现。设接收信号经过预处理(去 CP、 GT， 滤波， 下采样)后提取出的待检测前导码为 r n ，N ZC 为 r n 和 ci n 为 长度，在协议标准中 N ZC 定为 839 。 首先对 r n 和 ci n 做滑动相关：
' '* i
, 2048 1
(4)
zi n 是 r ' n 与 ci ' n 左移 n 位后的序列间的相关函数值。
2048 NCS 移 kN ZC 位产生的前导序列被检测出，这里 NCS 。 839
在频域并行检测算法中，时间提前量 TA 的值可由下式计算出：

, n 1 q / n


Z i (k ), i An
Ci (k ), i An n 1 q / n 1, n 1 q / n 2,

,q
反转
IFFT
图1 LTE 随机接入频域并行检测原理图
,q
r m c m n mod 2048 , n 0,1,
1.
前言
在 LTE 系统中，已经将 OFDM 作为下行的多址技术，而 SC-FDMA 技术作 为上行链路的多址技术。对于 SC-FDMA 技术，又分为是采用频域实现和采用时 域实现；如果采用频域实现，则对应为 DFT-S-OFDM，如果采用时域实现，则 对应 SC-FDE/IFDMA，之所以采用 SC-FDMA 是因为它相对于 OFDM 有更低的 PAPR， 更适用于减少移动终端的功耗； SC-FDMA 和 MIMO 技术组合使用是 LTE 系统的重要特点， 使得系统的容量大大提升，因此基站的接收技术便成为一个研 究的热点。 在 GSM 系统中， 随机接入信道的主要作用是初始接入。 对于 GPRS 和 EDGE 系统，由于基于分组交换的数据传输功能的增强，RACH 不仅仅作为初始接入， 同时也作为数据传输的竞争信道。在 LTE 中，一些新的特性会影响到 RACH， 比如分组传输(包括实时数据)将会在分组交换域进行，用户平面数据则大部分在 共享信道传输，协议状态的数目也需要减少。本文着重研究 LTE 上行 RACH 信 号检测算法的并行化实施方案，具体内容详见后续部分。 在信号的实际传输过程中，由于信道的频率选择性衰落引起的符号间干扰 (ISI)影响了信息传输的可靠性。 通常采用高性能信道编码和均衡技术来抵抗和补 偿 ISI，而传统的均衡器和信道译码器是相互独立的，必然影响译码性能，即使 信道交织与编码能够克服误判传播，也只能获得极为有限的增益。近年来，受到 Turbo 码译码思想的启发，出现了将均衡和译码联合处理的 Turbo 均衡技术，将 软信息在均衡器和信道译码器之间迭代传递，直到收敛为止。 常用 Turbo 迭代检测算法有基于最大似然(ML)准则的检测、 基于最大后验概 率(MAP)准则的检测、 使用软干扰抵消(SIC: Soft interference cancellation)的检测、 基于最小均方误差(MMSE)准则的线性检测和基于 MMSE 准则的判决反馈 (MMSE-DFE: Decision feedback equalization)检测等。 本文对针对 RACH 信号检测，Turbo 均衡和 Turbo SIC 三大关键频域均衡技 术的研究现状进行了调研。文章的具体结构如下：第二部分介绍了 RACH 信号 的已有时域和频域检测方案， 第三部分给出 Turbo 均衡和 Turbo SIC 的文献综述.。
2
, N ZC 1 。如果 i ,max a ，
则使用 ci n 作用前导序列的 UE 被检测到。设 n i ,max ，则 n 为相关峰所在 位置，通过(2)式可估算出发送该前导码的 UE 需要调整的时间提前量 TA(Time Advance)：
TA n 800 s / 839
Zi 2048 1 k R k Ci* k , k 0,1, , 2048 1，i 0,1, ,q
(3)
3. 对填充零后的 Zi k 做 IFFT， 得到时域相关输出 zi n 。 由 FFT 的性质， 可知 Zi k 的逆变换 zi n 为
LTE 上行链路 SC-FDMA 频域均衡技术概述
摘要： 在 LTE 系统中， 已经将 SC-FDMA 技术作为上行链路的多址技术， SC-FDMA 和 MIMO 技术组合使用是 LTE 系统的重要特点，使得系统的容量大大提升，因此基站上行链路的接 入和均衡（信号检测）技术便成为当前研究的热点。算法研究的关键是从工程实现出发，考 虑可能用于或可以改进成并行运算的关键算法， 在不牺牲性能的同时尽可能降低运算的复杂 度和减少信号处理时延。
Z i (k ), i A1
反转 IFFT
zi (n), i A1
zi (n), i A2
IFFT
Z i (k ), i A2
第2个核
Ci (k ), i A2 q / n 1， q / n 2, , 2q / n
反转
第 n 1个核 第 n 个核
TA kNCS p 800 s / 2048
(5)
由于在频域相乘后， 进行了 0 填充， 使得 TA 的精度为 800 s / 2048 0.39 s 。 而时域相关法无法进行 0 填充，所以其 TA 精度为 800 s / 839 0.95 s 。比较两 者， 可知频域相乘填充 0 后， 使精度变为原来的 0.41， 能够更加精确地估计 TA。 至此随机接入检测的两大任务(RA 序列的检测和 TA 的计算)已完成。 比较时域并行检测法和频域并行检测法的乘法次数，可知：时域并行检测法 需要 839 64 NCS 次乘法( NCS 为循环左移位的单位，标准中规定循环移位为 NCS 的整数倍)，协议标准中 NCS 最小值为 13，所以时域相关法至少需要
q 22 。因此，源自文库于绝大多数的实际应用场景，频域法的计算复杂度小于时域法
(这里，计算复杂度以乘法次数衡量)。
3.
Turbo 均衡及 Turbo SIC
在实际传输过程中，由于信道的频率选择性衰落引起的符号间干扰(ISI)影响 了信息传输的可靠性。通常采用高性能信道编码和均衡技术来抵抗和补偿 ISI， 而传统的均衡器和信道译码器是相互独立的，必然影响译码性能，即使信道交织 与编码能够克服误判传播，也只能获得极为有限的增益。近年来，受到 Turbo 码 译码思想的启发，出现了将均衡和译码联合处理的 Turbo 均衡技术，将软信息在 均衡器和信道译码器之间迭代传递，直到收敛为止。 常用 Turbo 迭代检测算法有基于最大似然(ML)准则的检测、 基于最大后验概 率(MAP)准则的检测、 使用软干扰抵消(SIC: Soft interference cancellation)的检测、 基于最小均方误差 (MMSE) 准则的线性检测和基于 MMSE 准则的判决反馈 (MMSE-DFE: Decision feedback equalization)检测等。