Physical Random Access Channel Implementation on FPGA
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021-10-18
Department
Major/Subject
Micro- and Nanoelectronic Circuit Design
Mcode
ELEC3036
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
63
Series
Abstract
The aim of this thesis is to design and implement physical random access channel (PRACH) for 5G on field-programmable gate array (FPGA). This implementation is part of a larger radio research project with focus on beamforming. A key feature in the PRACH implementation of this thesis is support for grid-of-beams (GoB) beamforming. GoB is a type of beamforming which uses a static set of beams which are used to cover all required beamforming directions. This PRACH implementation should be compatible with Third Generation Partnership Project's (3GPP) 5G specification. The 5G specification allows for a lot of different PRACH configurations and the implementation should be configurable so that a large part of these can be supported. The FPGA resources which are consumed by this PRACH implementation should be minimized because plenty of other functionalities need to implemented on the same FPGA board as a part of this larger project. Due to this the PRACH implementation needs to be resource efficient and small. Different PRACH configurations require varying amounts of processing power and thus this implementation should also be scalable to allow minimizing the resource usage per required PRACH configurations in a certain use scenario. To design the PRACH implementation for this thesis, existing PRACH designs are studied from the literature. It is found that typically PRACH implementations follow the same basic design. In this thesis this same basic design is followed but a notable deviation is the support for GoB beamforming. Matlab simulator was created and used to assess the planned design. The aim of the simulations was to verify that the design works acceptably but performance optimization was not in the scope of this thesis. Next, the design was implemented in VHDL and verified against the Matlab simulator to make sure it worked as expected. Xilinx Vivado tools were used to run synthesis and implementation for the VHDL implementation. No issues were seen in the Matlab simulator, VHDL simulation against Matlab, synthesis or implementation. In addition, utilization results from the implementation run were used to assess that the design goals are met acceptably. Based on these results the PRACH implementation was considered successful.Tämän diplomityön päämääränä on suunnitella ja toteuttaa fyysinen hajasaantikanava (PRACH) 5G:lle kenttäohjelmoitavalla porttimatriisilla (FPGA). Tämä toteutus on osa isompaa radiotutkimusprojektia, jonka pääpaino on keilanmuodostuksessa. Yksi avainominaisuus tässä PRACH-implementaatiossa on tuki keilaristikko-tyyppiselle (GoB) keilanmuodostukselle. GoB-tyyppinen keilanmuodostus hyödyntää staattista keilajoukkoa, jotka kattavat kaikki tarvittavat keilasuuntaukset. PRACH-toteutuksen tulee olla yhteensopiva Third Generation Partnership Projectin (3GPP) 5G-spesifikaation kanssa. 5G-spesifikaatio sallii monien erilaisten konfiguraatioiden käytön PRACH:ssa ja tämän toteutuksen tulee siitä syystä olla hyvin konfiguroitava, jotta iso osa näistä konfiguraatioista olisivat tuettuja. Tämän PRACH-toteutuksen vaatimat FPGA-resurssit tulisi pitää minimissä, koska monet muut tässä projektissa tarvitut toiminnallisuudet toteutetaan samalla FPGA-laitteella. Tämän takia PRACH-toteutuksen pitää käyttää resursseja tehokkaasti ja olla kaiken kaikkiaan pienikokoinen. Eri PRACH-konfiguraatiot vaativat eri määrän prosessointivoimaa, joten tämän toteutuksen täytyy olla lisäksi skaalattava, jotta resurssienkäyttöä voidaan optimoida eri käyttötarkoituksiin tarvittujen konfiguraatioiden mukaan. Tämän diplomityön PRACH-toteutuksen suunnittelua varten tehtiin kirjallisuustutkimus aikaisemmista PRACH-toteutuksista. Tutkimuksessa huomattiin, että tyypillisesti PRACH-toteutukset noudattavat samanlaista peruskaavaa. Tässä diplomityössä PRACH suunniteltiin tämän peruskaavan mukaisesti, mutta huomattavana lisäyksenä oli tuki GoB-keilanmuodostukselle. PRACH-suunnitelman luomisessa ja varmentamisessa käytettiin tämän diplomityön osana kehitettyä Matlab-simulaattoria. Simulaatioiden päämääränä oli varmentaa, että suunniteltu PRACH toimii hyväksyttävällä tasolla. Syvällisempi suorituskykyoptimointi ei ole osa tätä diplomityötä. Seuraavaksi suunnitelma toteutettiin VHDL:llä ja toteutusta verrattiin Matlab-simulaattoriin vastaavuuden varmentamiseksi. Xilinxin Vivado-työkaluja käytettiin synteesin ja implementaation suorittamiseksi VHDL-toteutukselle. Matlab-simulaattorissa, toteutuksen vertauksessa Matlab-simulaatioon, synteesissä tai implementaatiossa ei havaittu ongelmia. Lisäksi implementaation utilisaatiotuloksien perusteella arvioitiin, että toteutukselle määrätyt laadulliset tavoitteet saavutettiin hyväksyttävästi. Näiden tulosten perusteella PRACH-toteutus todettiin onnistuneeksi.Description
Supervisor
Ryynänen, JussiThesis advisor
Pallonen, JormaPiirainen, Olli
Keywords
5G, PRACH, FPGA, VHDL, GoB, beamforming