LTELTELTE
LTE
随机接入前导检测模块的设计与实现随机接入前导检测模块的设计与实现随机接入前导检测模块的设计与实现
随机接入前导检测模块的设计与实现
叶春艳
北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876）
摘要摘要摘要
摘要
：随机接入是移动通信系统中用户与网络建立联系，进行通信的首要步骤，而随机接入
前导序列的检测更是随机接入的首要步骤。本文首先对 LTE 随机接入前导序列的性质和随机
接入基带信号进行分析，然后结合 picochip 多核并行处理器的特点，给出随机接入检测的
设计，并分配资源，进行代码实现，最后给出对实现结果的分析。
关键词关键词关键词
关键词
：Zadoff-chu 序列；LTE；AE；门限
中图分类号中图分类号中图分类号
中图分类号
：TN914
1.引言
LTE（长期演进）是 3GPP 近两年来启动的最大的新技术研发项目，以 OFDM/FDMA 为核
心的技术,可以被看成是“准 4G”技术。在 LTE 上行随机接入过程中，主要分为非同步和同
步随机接入。在非同步随机接入过程中是用来测量接收到的信号的时间的同时进行控制信息
的传送，完成上行链路的资源请求。同步随机接入的过程是获得上行链路的时间同步并且能
够接入网络[5]。
本文的随机接入前导检测即为非同步随机接入过程， 由于未来移动通信系统终端业务
是面向 IP 的优化原则，所以终端和基站间的同步和非同步的转化是比较频繁的，所以在设
计实现随机接入检测模块时，尽量使用效率高的算法，尽量占用较少资源，提炼代码以提高
吞吐率。
本文首先分析了 Zadoff-chu 序列的性质和基带信号的特点，然后介绍了用于实现的
DSP 处理器的特点，最后给出了随机接入前导检测模块的设计和实现性能。
2. Zadoff-chu 序列的性质和基带信号的分析
随机接入前导信号的主要作用是：标识发起随机接入请求的终端与进行上行传输时延的
测量。在 LTE 系统中，用于上行随机接入信号发送的信道与上行数据信道是相互正交的。
针对不同的小区覆盖范围大小与系统双工情况，LTE 系统中对上行随机接入信道的配置是不
同的，具体配置详见[1]。用户可以通过接收来自基站的广播信号来确定上行随机接入信道
的具体配置。
3GPP 协议 中规定，随机接入前导为 Zadoff-chu 序列，并且参数 Nzc 取素数，
有两种取值，839 和 139，本文仅考虑 839 情况，其表达式如下：
（） 10, ZC
)1(
ZC
Nnenx
N
nu n
j
u
我们定义周期序列 的周期自相关函数定义如下
u
x n
1
（）
1
*
0
ZC
N
u u
n=0
r = x (n) x (n)
（）
1 1
* * , 1, , 1
ZC ZC
ZC
N k N
k u u u u ZC ZC
n=0 n=N k
r = x (n) x (n k) x (n) x (n k N ) k N
则可得出： ， 。其自相关和移位互相关值0 ZCr = N 0, 1, , 1k ZCr = k N
通过 matlab 仿真得图 1：
图 1 Zadoff-chu root 序列自相关与移位互相关值
由此可以看出 Zadoff-chu 序列有非常好的自相关性和很低的互相关性，每个小区有 64
个可用前导，在终端发起随机接入请求之前将从可用序列中随机选择一个作为自己的随机接
入前导信号。前导的产生根据系统信息中的 RACH_ROOT_SEQUENCE作为逻辑索引，得到 u 值，
根据 u 值计算 Zadoff-chu 基本序列，然后进行循环移位，从而得到多个前导序列，一个 u
值经过循环得到的前导序列不足 64 个，则将逻辑索引顺序加一，得到另一个 U值，计算序
列，直到得到 64 个前导为止。逻辑索引值的顺序也是循环的，从 0到 837 连续变化。逻辑
索引与 u 值的关系见[1]（我们只考虑前导格式为 0~3 的情况）。
随机接入的基带信号表达式如下:
（）
1
0
2
1
0
2
,PRACH
ZC
CPRA2
1
0
ZC
ZC)(
N
k
TtfkKkj
N
n
N
nk
j
vu
eenxts
, 是幅度比例因子， 。频域的地址CPSEQ0 TTt PRACH 2
RB
sc
UL
RB
RB
sc0 NNNnk
RA
PRB
2
是由参数 控制的，对于帧结构类型一来说， 是作为物理资源模块数目被高层配置RA
PRB
n
RA
PRB
n
的，履行 。因子 说明随机接入前导和上行数据传输在载波间60 ULRBRA Nk RAffK
隔的区别，变量 是随机接入前导子载波间隔，变量 表示在物理资源块内，随即接入RAf
前导在频域的固定偏移。他们均在表 1 给出。
表 1 ， 与 Preamble format 对应关系RAf
随机接入的基带信号可以看作是 Zadoff-chu 序列进行 DFT 计算,然后进行 IDFT 变ZCN
换所得，而在接收端要检测出前导，必须用 Zadoff-chu 基础序列进行循环移位，与接收到
的前导进行相关，从而检测出随机接入前导序列，并计算出时延。
3. DSP 处理器
数字信号处理器（DSP）是对数字信号进行高速实时处理的专用处理器。在当今的数字
化的背景下，DSP 以其高性能和软件可编程等特点，已经成为电子工业领域增长最迅速的产
品之一。
图2 picoArray 多重核心处理器阵列元件原理
LTE数字移动通信标准增加了通信带宽，并更加强调高级数据应用。这就对核心处理器
的性能提出了更高的要求，能够同时支持LTE移动通信和数据应用。在现代化的LTE系统中，
对处理速度的要求大概要超过60~130 亿次每秒运算。多核DSP在嵌入式操作系统的实时调度
下，能够将多个任务划分到各个内核，大大提高了运算速度和实时处理性能。这些特点将使
LTE手机能够同时支援实时通信和用户互动式多媒体应用，支援用户下载各种应用程式。
Preamble format RAf
0 – 3 1250 Hz 7
4 7500 Hz 2
3
市面上现已推出各种多核处理器，本文的实现是在picoChip 公司推出的picoArray 多
重核心处理器上编程实现的，当然，文中所提出的设计也是适于所有DSP 处理器的。
picoChip 针对新一代无线系统的picoArray 多重核心处理器阵列元件，内建约200 个
以上的处理器，如图2，提供超过100GIPs 与25GMACs 的运算效能，大幅领先旧有的单核心
DSP。
表2 picoArray102的组成
picoArray有三种可编程处理器单元（AE），STAN，CTRL，MEM，它们在指令和数据存储
器的容量上有区别，在指令集的细节方面也有区别。此外，它还有一些专用AE，如FAU，用
来实现一些专门的计算，每个picoArray都有外部接口，来连接外部数据流，外部存储设备
SRAM或者SDRAM，和主处理器。表2 是picoArray102的AE组成。
图3 基本AE结构
每个处理器均为功能完备的DSP，内含16x16 乘数器与40 位元累加器、内部指令与资料
记忆体，采用一套改良式三路超长指令字元（LIW）架构，此意味著处理器可执行乘数-累加
4
（MAC）指令，每个周期最多可处理三个其他指令[2]。
DSP处理器的每个单元通常分为代码空间和数据空间。代码要实现时间和空间上的压缩，
以节省硬件资源和提高运行速率；而辅助数据（如表和常用数据等）则要尽可能的储备在数
据空间。采用DSP实现算法时，应遵循下面准则：一是充分利用处理器的代码空间，尽可能
在同一指令周期内完成多个操作；二是减少存储器的访问次数，尽量一次读写并处理8的整
数倍个比特，提高处理效率[3]。图3是基本AE的内部结构。
4.设计与实现
LTE 系统中，随机接入前导信号在频域上占用 6 个上行资源块（），这是为了
匹配 LTE 系统规定的最小传输带宽。前导信号将由循环移位的 Zadoff-Chu 序列添加循环前
缀产生，这是由于该序列有着良好的自相关与互相关特性，便于基站进行随机信号检测，减
少邻小区随机接入信号的干扰。LTE 系统中规定每个小区中可用的随机接入前导序列为 64
个，基站可以通过下行的广播信号告知用户本小区可用的前导序列相关参数[1]。
在终端发起随机接入请求之前将从可用序列中随机选择一个作为自己的随机接入前导
信号。而在基站端，可以从高层的的指示里，获取随机接入前导序列相关参数，从而在基站
端生成基本序列，移位与接收到的前导序列做相关，在网络侧基站就可以正确检测出终端的
接入序列并且得到用户的传输时延。
根据picoArray 203 的组成和AE特点，以及 LTE系统对随机接入前导检测的吞吐要求 ，
设计和实现随机接入前导检测模块，选取较简单的算法，实现时尽量使用汇编语言和 DSP
长指令语句，只有控制使用 C 语言。最终占用 5 个 STAN，1 个 MEM，1 个 CTRL，4 个 FAU。
本文采用基于门限检测方法，基本的思想是根据接收到的序列和基本序列所有可能的移位序
列作相关运算后，计算峰均比作为信号的检测门限。相关运算在频域进行。在性能评估上采
用错误检测概率和虚警概率，其定义为：
虚警概率= Pr（第 n 个信号被检测到|传输的为第 m个信号或没有信号传输）
错误检测概率=Pr(信号没有被检测到|RACH 信号己传输)
门限值由虚警概率确定。由[4]知，取虚警概率应小于 Pfa = 10-3，，我们在设计中，通
过对不发送前导序列进行检测仿真，得到表 3：
表 3 峰均比与错误检测概率
可知在峰值七倍于均值情况下满足要求 ，故设置门限为七。一旦检测的峰均比值大于
门限值，RACH 前导就被检测到。
峰均比 5 6 7 8
检测前导次数 1000 1000 10000 10000
前导过门限次数 9 3 4 10000
错误检测概率 9*10-3 3*10-3 4*10-4 〈10-4
5
因此，本文的检测算法，主要有以下几个主要步骤：
(1) 把接收到的序列和本地存储的基本序列的移位序列做相关运算；
(2) 把得到的所有的相关后的序列进行峰均比的计算。其峰值定义为最大点及其周围 7
个点的功率平均值，均值定义为与最大点相隔 150 个点的八个点的功率平均值，峰均比定义
为峰值与均值的比值。
(3) 进行门限的判决。超过门限，则 RACH 前导符号被检测，进行时延计算，否则继续
判断下一个相关序列，如果所有可能序列均判断完，仍没有过门限值，则 RACH 前导被丢弃，
认为没有前导发送。
(4)计算时延。根据检测到的峰值点与理论推算出来的最大值点的间距与时间间隔的乘
积计算出时间延迟。
在实现时，通过对10000次随机接入前导序列进行检测，统计出随机接入前导检测模块
在1ms内完成需处理两个基本序列的前导检测次，由[1]知，基本Zadoff-chu序列可能有
多个，最多可有32个基本序列，而两个随机接入前导到达间隔至少为2ms，即在2ms内我们实
际可处理52个基本序列一次，完全能够达到要求，此外，我们测出的时延可精确到百ns，也
在系统可控的范围内。实现流程如图4：
前导序列到达？
将前导序列变换到频域，与 本 地
Zaddoff_c h u 频域序列做移位相关，用 滑 动
窗寻找最大值，得 到 峰 均 比，与 门 限 比
较，过 门 限 ，则此序列移位与前导序列相
同，记录最大值点，与理论最大值点作比
较，得 出 时 延，无 过 门 限 值，则 认 为 没 有
前 导 到 达
N
接收高层控制，计 算
Zaddoff_chu root 序 列 ，并 存
储其频域变换，计 算 前 导 序
列的各种可能移位位数
开 始
检测前导序列端口
Y
图4 RACH随机接入前导检测流程图
5.总结
本文重点分析了随机接入前导序列的特性，并给出了在此特性之上的随机接入检测模
6
块的设计。同时因为picoChip 公司推出的picoArray 多重核心处理器的高速实时处理，以
及使用高效率语言和指令集实现，使LTE随机接入前导检测的实现性能和指标达到了要求。
参考文献参考文献参考文献
参考文献
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Channels (TDD)".
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[5] Erik,Dahlman,Ericsson, 3G Evolution-HSPA and LTE for Mobile Broadband,2007.
TheTheThe
The
designdesigndesign
design
andandand
and
implementationimplementationimplementation
implementation
ofofof
of
RandomRandomRandom
Random
AccessAccessAccess
Access
PreamblePreamblePreamble
Preamble
SequenceSequenceSequence
Sequence
DetectionDetectionDetection
Detection
ininin
in
LTELTELTE
LTE
SystemSystemSystem
System
Ye Chunyan
Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)
AbstractAbstractAbstract
Abstract
Random access procedure is the first step for UE to communicate with the network in mobile
telecommunication systems, and random access preamble sequence detection procedure is the first step
of random access procedure. This paper first analyzes the property of the random access preamble
sequence and the base band signal of random access. Then according to the characteristic of DSP
manufactured by picochip, presents the design of random access preamble sequence detection, allocates
the AEs, implements it, and the results are analyzed.
Keywords:Keywords:Keywords:
Keywords:
Zadoff-chu sequence, LTE, AE, threshold
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