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北京邮电大学硕 学位论文 摘要 m 中随机接入技术的研究 摘要 3 g 演进带来了第三代移动通信之后新一轮技术发展的机遇与挑 战，目前正作为一项重要的内容在国际标准化组织内开展工作。为了 抓住这一轮技术发展的机遇，提高在国际通信领域的地位，我国也投 入了很大的力量。 本文主要针对长期演进发展( l t e ) 系统的随机接入技术进行研 究和仿真。第一章主要叙述与本文相关的课题背景，我国进行l t e 研究的重要性，同时介绍了随机接入中a l o h a 技术原理，以及简要 介绍了w c d m a 当中是如何实现随机接入的。第二章中主要介绍了 l t e 当中随机接入的一些概念，从广义上介绍了随机接入的接入过 程，还谈到了随机接入的目的以及分类，同步随机接入和非同步随机 接入两种方式下的异同。第三章是本文的重点，从物理层进行分析， 采用具有g c l ( g e n e m lc h i m 1 i k e ) 序列作为随机接入信道( r a c h ) 的前 导码，并加上了循环后缀，该结构能够有效利用g c l 序列良好的周 期相关特性提高检测性能。提出了一种基于相关窗内峰均比检测的前 导码检测算法；针对该算法设计了固定阈值，分析了虚警和漏检概率； 分析了该算法通过简单修正作为碰撞检测和信道估计方法的可行性； 分析和仿真结果证明这种前导码和相应的检测算法具有良好的性能。 采用交织多址( i d m a l 作为单步随机接入资源请求数据部分的多址接 入方式，设计了一种异步i d m a 接收机，保证在较多用户接入时数 据部分仍能够可靠检测；在数据段加入若干附加比特作为随机标识的 一部分，在数据部分可靠检测的条件下能够大大降低碰撞概率。第四 章主要讲了同步随机接入过程，设计了g c l 前导码，并采用新的检 测算法用来提高系统的漏检性能和检测性能，在a w g n 信道下做了 相应的仿真分析，通过仿真证明设计的前导码序列可以很好的用于系 统的随机接入。 关键词：随机接入前导码虚警漏检 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 卫h er e s e a r c ho fr a c hi n 硼h em a b s t r a c t a f t e r 廿1 et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，m el o n gt 锄 c v 0 1 v e m e n t ( l t e ) b r i n g sn c wc h a n c ea n dc b a l l e n g e 1 no r d e rt oe n h a n c e t h ep l a c eo f0 u rc o u n t r yi nt h ec o 舢m u n i c a t i o nf i l e d ，w eh a v ed ol o t so f h a j dw d r k i nt h i sp a p e rc h a p 缸l i n t r o d u c ct h et b f yo fa l o h a t e c h n o l o g y a n dh o wt oi m p l e m e n tt h er a c hi nt h ew c d m as y s t 锄c h a p t c r2 o v e r v i e w ss o m ec o n c 印t so fr a c h ，卸di t sp u r p o s e c h a p t e r3ak i n do f g c l ( g e n e r a l i z e dc h i r p l i k e ) s e q u e n c e sa r ca d o p t e da st h ep r e a m b l e so f m er a n d o ma c c e s sc b a l m e l ( r a c h ) t h i ss t r u c t u r ec a nu t i l i z et h ep c r f | 瞰 p e r i o d i cc o r r e i a t i o np r o p e n i e so fg c ls e q u e n c e se 腩c t i v e l yt oi m p r o v e t h ed e t e c t i o np e r f b n l l a n c e f u r t h 锄o r e ，ak i n do fd e t e c t i o na l g o r i t l l l ni s p r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h ep e a k a v e r a g ef a t i od e t e c i o nw i t h 协a w i n d o w b o t hf a l s ea l a n i l i n gp r o b a b i l 时a n dm i s s i n gd e t e c t i o np r o b a b i l i t y a r ea n a l y z e d t h ep o s s i b i l i t yt oa d a p tt h ep r o p o s e da l g o n t h mt 0b eu s e d a sc o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h ma n dc h 蛐e le s t i m a t i o na l 固。订t h ni sa l s o a n a l y z e d ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h e p r o p o s e d p r e 锄b l es t m c t u r cm l dt h ec o n 弓s p o n d i n gd e t e c t i o na l g o r i t h m sh a v eg o o d p 酬白m a n c e c h a p t e r4a “t i n l e - s l o t t e d s t n l c t i l r ci sd e s i g n c dt ol o w a c 0 1 1 i s i o np r o b a b i l i t yw i t hl i m i t e dn u l b 盱o fp r e a m b l es e q u 即c e s p r e a n l b l e sd e t e c t i o na l g o r i m ma n dt h et h r e s b o l da r e 、v e l ld e s i g r l e da n d t b ed e t e c t i o n 舳肋a n c ei sa 芏1 a l y z e d t h ec o n i s i o np r o b a b j l i 哆i sa l s o a n a l y z e d 。 a n a l ”i s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt h e p r o p o s e d s 仃u c t i l r ch a sv e r yg o o dp e r f b r m a n c e k e yw o r d s ： r a c h p r e a m b l em i s s i n gd c t e c t i o n f a l s ea l a m 北京邮电太学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：4 受釜醵 本人承担一切相关责任。 日期：泣毋；：王2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期阊论文工作韵知识产权单位属北京邮电大学。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：厦盈逸 导师签名： 景贺绚一 日期：幽：垦! 巡 日期：业啤识趁 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信技术发展 第一章绪论 随着社会信息化的高速发展，第二代移动通信系统已不能满足高速率数据 业务以及大用户容量的要求。于是能够提供全球漫游，支持多媒体业务且有足够 容量的第三代移动通信系统就应运而生了。 从2 0 0 4 年开始，3 g 技术的商用化进程逐渐加快。随着v o d a f o n e 于2 0 0 5 年6 月3 日在新西兰开通w c d m a 叫m t s ) 商用网络，在全球范围内6 7 个国家 共建成了1 5 0 个3 g 商用网络，共6 4 个w c d m a 网络、1 7 个c d m a 2 0 0 0l x e v d o 网络和6 9 个c d m a 2 0 0 01 x 网络。与此同时，3 g 用户也获得了持续增长，截止到 2 0 0 6 年1 2 月底，全球范围内共有2 7 8 亿3 g 用户，w c d m a 系统已经发展了 2 5 5 0 万用户，c d m a 2 0 0 01 xe v d o 系统也拥有1 2 9 0 万用户。 目前，全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和口化的趋势，在蜂窝移动 通信技术快速发展，力争提供移动宽带服务的同时，一些无线宽带接人技术也开 始提供部分的移动功能。通过宽带移动化。试图从移动通信市场分一杯羹，如 正e e 8 0 2 1 6 e 技术。在这种背景下，移动通信业界提出了新的市场需求，要求进 一步改进和增强3 g 技术，提供更强的业务能力和更好的用户体验。因此，3 g p p 和3 g p p 2 相应启动了3 g 技术长期演进工作，以保持3 g 技术的竞争力和在移动 通信领域的领导地位。 3 g 演进带来了第三代移动通信之后新一轮技术发展的机遇与挑战，目前正 作为一项重要的内容在国际标准化组织内开展工作。为了抓住这一轮技术发展的 机遇，提高在国际通信领域的地位，在我国包括运营商、制造商、科研院所以及 高校“八六三”研究力量的国内各相关单位在政府部门的领导与组织下正在积极 参与相关的工作，并且得了良好的效果。【l 】 北京邮电大学硕学位论文 第一章绪论 1 2a l o h a 技术简介 1 2 1 随机多址接入技术 多址接入技术在现代通信中起着重要的作用。在计算机通信、移动通信等网 络中，当多个用户通过一个公共信道同其它用户进行通信时，就必须采用多址技 术。随机多址接入技术是一种通信协议，它允许两个或者两个以上的用户同时使 用同一个信道。随时都可以发射信号，而无须事先在频率和时间上进行分配，正 是由于没有在频率和时间上进行区分，所以在同一信道中两个或者多个信号可能 会发生“碰撞”，如果发生“冲突”，那么在这种情况下，发送端就会收到一个从接 收端发来的一个否定的应答信号，或者什么也接收不到。于是发送端在经过一个 随机时延后，重新发送这个数据包。由于这种技术最早应用于夏威夷大学的 a l o h a 系统，第一个用无线信道连接的计算机网络，人们后来便把这种接入技 术称之为a l o h a 多址技术。 1 2 2a l o h a 多址技术 a l o h a 系统的重要意义并不在于它是世界上第一个用无线信道连接的计算 机网络，而在于它首先在无线信道中引入了数据包这一结构，这种结构与传统的 点对点的信道结构有很大的区别，利用这种技术网络中的每一个用户可以随时发 送数据，而网络中的用户不需要同步。 a l o h a 信道的主要优点：( 1 ) 允许大量间断性工作的发射机共享同一信道，由 于不需要路由选择与交换，组建由大量的这类用户组成的网络比较简单。( 2 ) 利 用a l o h a 信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必 为网中的每个用户提供一个单独的接口。目前所用到的a l o h a 多址接入有两种： 纯a l o h a 和分隙a l o h a 。它们的区别在于，是否把时间划分为离散的时隙。纯 a l o h a 无需全局时间同步，而分隙a l o h a 则必须时间同步。 1 2 _ 3 纯a l o h a 所谓纯a l o h a 是指最原始的a l o h a a l o h a 最基本的思想是如果有待发 数据就马上发送，如果有冲突则经过一个随机时延再重新发送数据包。 l 纯a l o h a 的工作原理 系统中n 个站点，可以各自独立地发送数据包，为了简单起见，帧的长度不 用比特数而是用发送这个帧所需的时间t 来表示。如图1 1 所示，对于站点l 来说， 2 北京邮电丈学硕士学位论文 第一章绪论 发送帧1 时由于没有和其他站点的帧发生冲突，所以帧1 发成功，而帧5 由于与站 点2 发送的帧2 在时间域上有重叠，即发生冲突，所以帧5 必须重发。对于站点2 来说，发送的帧2 与站点3 发送的帧3 发生冲突，所以必须等候一个随机时间再发， 而随后重发的这个帧又由于与站点l 的帧发生冲突，所以重发的该帧又失败，又 得重新发送。同样其他站点发送数据包的原理也如此。总而言之，a l o h a 系统 就是用户想发送便发送如有冲突便重发。 震避成功 蛄- 田膛j 地 站，“l 站n 田 ， 围l 一1 纯a l o i a 系统的工作原理 2 纯a l o h a 系统的吞吐量 从图l - l 可以看出要想数据帧成功发送，那么就是该帧与该帧前后的两个帧 的到达时间间隔均大于数据帧的发送时间t 。如果数据帧发生冲突后，重发时的 随机时延足够长，那我们就可以粗略地认为数据帧的到达满足泊松过程，有了以 上假设以后，我们再来了解两个参数：( 1 ) 吞吐量s ，又称吞吐率它指的是在帧的发 送时间t 内成功发送的平均帧数。( 2 ) 网络负载( o f f j r e dl o a d ) g ，从网络的角度看， g 等于在t 内总共发送的平均帧数。这里包括发送成功的帧和因冲突未发送成功 而重发的帧，显而易见，g s 。只有不发生冲突的时候g 才等于s 。在稳定状态 下，吞吐量与网络负载g 的关系为： s = g p ( 1 1 ) 这里p 指的是一帧发送成功的概率，它的物理意义是指发送成功的帧占所发送帧 的总数的比例。由前面对a l o h a 系统的分析可知： n = 兀【连续两个到达时间间隔 t 】= 口【到达时间间隔 t 】) 2( 1 2 ) 前面我们己经假定帧的到达时间间隔服从泊松分布，那么它的概率密度函数为 口( f ) = 名已一n ( 1 3 ) 其中a = 肼。 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 把式( 1 - 3 ) 代入式( 1 - 2 ) 可得 p = f n c 。出 2 = f g 死一。疵 2 = e g 把式( 1 - 4 ) 代入式( 1 1 ) 可得系统的吞吐量为： s = g p 2 g 1 2 4时隙a l o h a ( 1 q ( 1 5 ) 由上面的分析我们可以看出纯a l o h a 系统的最大吞吐量只有o 1 8 4 ，人们为 了提高系统的吞吐量提出了另外一种方法，即把连续纯a l o h a 离散成分隙的 a l o h a ，这就是人们所说的时隙u d h a 系统。 1 工作原理 如图1 2 便是时隙a l o h a 系统的工作原理，每个数据帧到达时，并不是立即 发送而是放在缓存器中等到下一个时隙开始时再发送，当在一个时隙里有两个或 两个以上的数据帧到来，那么在下一个时隙发送时便会产生“冲突”。如果发生“冲 突”，那么等待一个随机时延后重新发送。时隙a l o h a 系统的重发机理与纯 a l o h a 系统的重发机理是相同的。 ? 中哭重发 l i 、 u盯 ， 帧到达帧 刮达 卅- 突重j【 1 帧到达帧到达 图1 2 时隙 l o h 的工作原理 2 吞吐量 从图l - 2 中我们可以看出，要想数据帧发送成功，那么在同一个时隙内不能 有两个或两个以上的帧到达。为了分析方便假定数据在某一时隙之前t 时刻到来 ( k d ，在一个时隙内不能到达两个或两个以上的数据帧，就是与前一数据帧到 来时刻问隔应大于t _ t ，同时与后一数据帧到达时间间隔应大于t 。 4 北京邮电大学硕上学位论文第一章绪论 p = p 勘达时间间隔 丁一f 】p 勘达间隔 f 】= ，口( f ) 出厂4 ( r ) 司= e - 6 ( 1 啕 把式( 1 - 6 ) 代入式( 1 1 ) 可得时隙a l o h a 系统的吞吐量： 尸= g 口“ ( 1 7 ) 可以看出时隙a l o h a 系统比纯a l o h a 系统的最大吞吐量高了许多。 1 2 - 5 扩展a l o h a 扩展a l o h a 由n o 肋a l la b r a m s o n 首先提出来的，是在原来的a l o h a 基础之 上经过改进设计出简洁、高效的宽带接入协议。实质是a l o h a 和扩频多址技术 的组合技术。 l 工作原理 扩展a l o h a 的扩展可以通过不同方法来实现，主要有比特扩展法和切普 ( c h j p ) 扩展法。由于扩展a l o h a 仍采用a l o h a 竞争协议在传输过程中就有可能 发生数据包的重叠，但由于采用扩展技术，所以重叠部分可以看作是信道噪声。 在接收端，匹配滤波器利用一个相同的扩展序列对接收序列进行相关运算，恢复 出原来的数据包。在解扩过程中，有用数据信号的幅度增大到原来的r 倍f r 为扩频 码长度) 。符号问干扰及因传输时信息包重叠所引起的噪声幅度大大减小，反比 于r 。可见只要选用r 足够大、具有优良相关性能的扩展序列，即使在传输过程中 发生重叠，解扩后信息包能正确恢复的概率仍然很高。 与传统的a l o h a 相比，在扩展a l o h a 信道中发生数据包之间的重叠并不一 定导致包的丢失。这是因为，通过扩展和解扩大多数重叠的数据包都能够正确区 分出来。因此只要选用很长的具有自相关性很好的扩展序列，即使在传输过程中 发生重叠，解扩后信息包能正确恢复的概率仍然很高，所以扩展a l o 姒就有很 高的信道效率。 2 吞吐量 图1 3 就是将a l o h a 的简单的频谱扩展后的实现比较： 口口二：二：口口口竺群嚣 ( a ) 0l 二二000 掣 ( ” 图1 3 a l o h a 的频谱扩展示意图 5 北京邮电大学硕上学位论文第一章绪论 从图1 3 中看出，由于将带宽加大，导致包的传输时间t 的缩短，实际上在相 同流量下，碰撞机会减小了，也就意味着系统的吞吐量增加了。但是为了维持相 同的效率，必须在功率上做出同等的补偿，这种方法会导致b l l s t 的功率过大，从 而增加终端的负担。为了减少对功率的需求，我们必须在时间上寻求扩展的方法。 这种方法符号的持续时间与图1 3 中( a ) 的相似，但是带宽却与上图1 - 3 ( b ) 中的相 似。从另一个方面说，时间上的扩展方法相对于上图1 3 中( a ) 的采样速率快了许 多倍。这样一来就可以保持与原始a l o h a 近似相同的发射功率，达到增加吞吐 量的目的。有很多种方式可以实现时间扩展的a l o h a ，最简单的就是如下图所 示的采用7 位巴克码对信息包进行扩展的一个简单例子。 上。1 l 叭0 1 数据包 拓展后的数据包 a l o h a 扩展数据包 图l _ 4a l o h a 扩展示意图 7 位巴克码将原始的符号的采样增加了7 倍，从某种意义上说巴克码还有一定 的加扰功能，如果采用序列更长的m 序列，加扰效果会更好。 纯a l o h a 系统吞吐量最大为o 1 8 4 ；而对于时隙a l o h a 系统来说，在g = 1 时， 系统的吞吐量最大为0 3 8 4 。在纯a l o h a 系统中，当g o 5 时，我们把这一区域 称为不稳定区。这是由于在不稳定区域中，假定由于某种原因使g 增大时，那么 吞吐量s 必然变小。这意味着成功发送的数据帧减少而发生冲突的帧增加。这将 引起更多的重传，使g 进一步变大引起系统恶性循环，直到吞吐量为零为止，整 个系统不能正常工作。所以在纯a l o h a 系统中，网络负载g 一定不能大于o 5 同样时隙a l o h a 系统中，网络负载g 也不能大于1 。 由于扩展a l o h a 基于扩展原理，数据包之间的重叠并不一定导致包的丢失， 所以很明显扩展a l o h a 的系统吞吐量肯定大于纯a l o h a 和时隙a l o h a ，扩展 a l o h a 的具体吞吐量跟其扩展方式紧密相连，必须依据实际系统采用的扩展方 式来判定吞吐量。 1 3 扩展a l o h a 在w c d m a 中的应用 在w c d m a 中，扩展a l o h a 系统是通过r a c h 信道、a i c h 信道以及相关的 6 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 物理过程、m a c 过程共同实现的。 1 3 1r a c h 物理结构 1r a c h 总体介绍 随同接入信道( r a c h ) 的传输是基于带有快速捕获指示的时隙a l o h a 方 式，r a c h 的发射结构如图1 5 所示。随机接入发射包括一个或多个长为4 0 9 6 码 片的前导和一个长为1 0 m s 或2 0 m s 的消息部分。 p n 数据部分 岛已= 二：国圈!豳囫= ：二幽豳1 4 凹6 码片1 0 m s 或2 0 m _ 匪蒌i i 蜀接入前缀圜弦目目囝数据部分 图l - 5r a c h 随机接八传输的结构 前导有一系列前导签名序列组成，这个前导签名由一个1 6 位长签名序列重复 2 5 6 次而成。移动台发送前导的目的是为了和基站取得联系。前导的发送同前面 所讲的时隙a l o h a 是相同的，一次发送前导的最大数目在信道建立时由高层指 定。与上行信道r a c h 相对应的是下行获得指示( a ia c q u i s i t i o ni i l d i c a t o r ) 信道。 一个下行链路a i c h 帧分成1 5 个下行链路接入时隙( d o w i l l i l l 】( a c c e s ss l o t s ) ，每 个时隙包含5 1 2 0 个码片，同样下行链路的获得指示a 1 只能在下行链路接入时隙开 始时进行发送。从移动台发出的上行链路接入时隙发送前导时，便会从下行a i c h 信道接收到捕获指示a i ，a i 有三个值，当a 仁1 时，表示接入成功，那么系统便 会在以后的某个接入时隙来发送消息部分，前导与消息部分之间的距离由高层来 定；当a i = 0 时，表示需要延迟重发，两个前导之间的距离也不是任意的，也是 高层来定的；当a j l 时，表示接入失败。图1 6 是i 认c h 和a i c h 的时序关系。 图l _ 6 p r a c h 和 j c h 的定时关系 7 北京邮电大学硕上学位论文第一章绪论 其中：t 帅是前缀到前缀的距离；邱a 是前缀到a i 的距离；唧m 是前缀到消 息的距离。 2r a c h 前缀部分 随机接入的前缀部分长度为4 0 9 6 c l l i p s ，是对长度为1 6 凼p s 的一个特征码的 2 5 6 次重复。总共有1 6 个不同的特征码，前缀特征码是由长度为1 6 b i t 的只( 万) ( n = 0 ，1 5 ) 码的2 5 6 重复构成的，定义如下： ， 一，( f ) 2 只( f m o d l 6 ) 础，l ，4 0 9 5 n 一8 】 特征序列是从1 6 组码长为1 6 的h a d 锄a r d 码构成的。它们在表1 1 中列出： 表1 1 前缀特征码 前缀特n 值 征码 0 l 23456789l o1 l1 21 31 41 5 p 0 ( n )l i1llll1illlllll p i ( n ) 1111111111111111 p 缸n )l111l11 1l111l111 p h n ) 1i11111l111l111l p “n )l1ll- 1 1 1 1 ll l11一111 p 5 ( n ) 1111111l1111一l11l p “n )l1 1111lll111一i11】 p ( n ) 11111l11111ll11 1 p s ( n )lllll 1l1i1一l一1111一l p 9 【n ) i1111111111l。111l p i “n ) l11i1l1111l11一lll p l l ( n ) 111i11111l111li- l p 1 2 ( n )ll l1111一11111llll p l h n ) 111111111lll1111 p l “n )l111一1 1l 1 11lll11一l p i n ) 11111il11l11111i 3r a c h 消息部分 图l - 7 显示随机接入消息无线帧结构。1 0 m s 消息部分无线帧分成1 5 个时隙， 每个长度丁0 = 2 5 6 0 码片。每个时隙有两部分组成，一个数据部分( r a c h 传输信 道映射到该部分) 和一个控制部分用于携带第一层控制信息。数据和控制部分并 行发射一个1 0 l i 岱消息部分包括一个消息部分无线帧，而2 0 m s 消息部分包括2 个 连续l o m s 消息部分无线帧消息部分常常由所使用的签名或接入时隙，由上层 配置。数据部分有1 0 + 2 比特构成，k ：o ，l ，2 ，3 。它分别对应消息数据部分扩 频因子2 5 6 ，1 2 8 ，“，3 2 。控制部分包括8 个已知导频比特( 支持相干检测的信 道估计) 和2 个t f c i 比特。它对应用于消息控制部分的扩频因子2 5 6 。在随机接 入消息部分t f c i 比特的数目是1 5 2 = 3 0 。一个无线帧的t f c i 标识映射到同时发射 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 的消息部分无线帧的黜蛇h 传输信道的传输格式。在2 0 m sp r a c h 消息部分情况， t f c i 在第二个无线帧重复。 数据 控制 信息 数据部分无线帧结构t n c h ；1 0 m s 图1 7 随机接入消息部分无线帧的结构 1 3 2 捕获批示信道( a i c h ) 捕获指示信道( a i c h ) 是用于携带捕获指示( a d 的物理信道。捕获指示( a d 对应p r a c h 上的签名。图1 8 给出了a i c h 的结构。a i c h 由一个1 5 个连续接入时 隙( a s ) 重复序列组成，每个长度为4 0 个比特间隔。每个时隙包括两个部分，一个 捕获指示部分( 3 2 个实数值符号口。，口l ，q 。) 和一个1 0 2 4 码片不发射部分。 捕获指示部分1 0 2 4 码片 _ 如m s 图l - 8 捕获指示信道( a 1 c h ) 的结构 在图l - 8 中实数值符号4 d ，q ，吒。为： 1 5 口，= 以以， ( 1 9 ) j j o 其中以取值+ 1 ，l ，和0 是对应签名s 的捕获指示，并且在表1 2 中给出序列 6 j o 以 ，6 j 3 i 。 表1 - 2a i c h 签名模式 s 坠：! ：堕：! ：= ：! ! ：! ! ! 堕：! ! l 】 lil11llllllillllll1 0 9 北京邮电大学硕 学位论文 第一章绪论 l l1 1 1l1 1 i li 1 1ll - l - lil 一1 - ll1 1 11l - l - lil 1 - l 2llli i 1 1 1 1lll 一1 一l 一1 - 1ii1j l 1 1 1l1l1 i - 1 一l - 1 3l1 1 1 1 ill11 1 - 1 - i 1 l1ll l - l _ 1 - l 1l1l 一1 - 1 - 1 - l 1i 4lll1ill1 - 1 - 1 一i l - l 1 一l j 1lll i111 1 - l l l 一1 1 l l 511 1 i l1 1 1 i 1il 1 111l1 1 一l11 1 1 1 ill l ll1 6l1l1 1 i i 1 1 - i 1 11lllllil l 1 1 1 1 1 1 illil 7 i1 1 1 1 1l1 1 - li l l i 一1 - l1l - l - 1 一l l l 】1 1 】i i i 1 - j 8iilii111ll l l l1l l 1 1 1 - 1 1 1 1 1 1 1 i 1 1 1 1 1 9l1 1 111 1 111 1 - ll1 1 - 1 - 1 - 1ll - 1 - 1ii 1 1l1 1 1l1 1 0ill1 1 1 1 1lil1 1 i - l 1 1 1 - l - 11l11 1 1 1 1lll1 1 1 i1 1 1 i 1 1111 - 1 - 1 i - lil - l - ill1l - 1 1 】1 1l 1 1 1 1 1 2li1i 1 l l1 1 一l l 一1 1 - l - l i 一1 1 - l - l - 】i - l l i llll l l1 1 3i1 i i11 1 - l - l lll i - ljl l 一1 1 l l - 1j1i1 1 1i1 1 1 1 41lli - 1 i i - 1 1 1 - 1 ill1l - l - l 1 ill1lll1l l - 1 - 1 1 1 5l1 1 1 一l lil l - lilll - i - l - l 一1llll 一1 - lll - i 1 - 1 1il 1 3 3r a c h 接入时隙集合和r a c h 子信道 一个r a c h 子信道定义了全部上行接入时隙集合的一个子集，一共有1 2 个 r a c h 子信道。第i ( i = o ，l ，1 1 ) 个r a c h 子信道包括以下上行接入时隙， 第i 个上行接入时隙超前于1 0 m s 间隔中的第i 个下行接入时隙t p a 个码片，该l o m s 间隔在时间上与s f n m o d8 = o 或s f n m o d8 = 1 的p c c p c h 的帧对齐；自第i 个时隙 起，每第1 2 个时隙都是这个r a c h 子信道中的接入时隙不同r a c h 子信道中的 接入时隙如表1 3 所示。 表1 3 不同r a c h 子信道的可用上行接八时隙 队c h 子信道信道号 s f n 模8 ol23456 789l o1 1 00l23456 7 l1 21 31 489l ol l 2 0l234567 3 91 01 11 2 1 3 1 48 467o l2345 5891 01 11 21 3 1 4 634567 o l2 789l o 1 l 1 21 31 4 1 3 4 快速捕获随机接入过程 接入前导的发射机对功率采用攀升方式，即移动终端以某一初始功率发出接 l o 北京邮电大学硕：学位论文第一章绪论 入前导，前导到达基站后，若其功率小于系统的检测门限，基站无法检测，基站 不会通过a i c h 信道发出捕获指示。此时终端就要将功率增p ，经过一段时间后 再次发出前导，直到功率大于或等于检测门限，才能被基站检测出来并通过a i c h 发出捕获指示。终端取得捕获指示后的第三个时隙，终端发出消息包。消息包的 功率应该大于或等于接入前导的功率，以保证被检测出来。如果终端发出的前导 未能被基站捕获，需在发出后第3 1 2 个时隙再进行重发，如果可以重发，则继 续发送前导，否则需要等待3 1 2 个时隙，然后进行重发检测，直到产生一个数 值，成功或者达到最大重复发送次数后被取消。重发检测的方法是：在o 到i 中间 随机产生一个数值，然后与重发检测阈值作比较，若该数值小于或等于重发检测 阈值，则发出前导，否则再等待。一个最大允许重复发送地次数由系统决定，通 过广播信道传送到终端。对于不同的接入服务级别( a s c ) ，重发检测的阈值p i 是不同的，a s c 最多可以有8 级，以i 卸，l ，2 7 来区分，i 越小，级别越高。 对应于不同的i 值，重发检测阈值p i 的构成如下：p o = l ，p 1 = p ( n ) ，p i - s i p ( n ) ， i _ 2 7 ，其中n 为a s c 的级别数，n 和s i 的值都有网络决定，在下行b c h 信道对 整个小区广播，终端收到后，根据上式算出p i 的值，将其储存，指导网络通知或 6 小时失效后，才再次从b c h 信道接收n 和s i ， 在w c d m a 系统中，共有1 6 个特征码供随机接入使用。终端发出接入前导 后，随机选用一个特征码，并在接入前导的终端都要监听a i c h 信道，如果捕获 指示指明的时隙和特征码与自己的一致，终端就认为自己的接入前导已经得到了 确认，随后用同一个特征码发出消息包；如果监听到的所有捕获指示都与自己不 一致，就要重新发出接入前导。由于一个捕获指示都能被所有的终端收到。故其 它终端可以避让将要发送的消息包，因此只要各终端在发出接入前导时，使用的 特征码或者占用时隙不同，就不会发生任何的碰撞。 但是，如果有多余一个的终端选用同一个特征，并且在同一个时隙发出接 入前导，那么这些接入前导就会相互碰撞。按照s l o 仕e d a l o h a 理论，只要接 入前导发生碰撞，就一定会全部毁坏；但在实际系统中，接入前导相互碰撞时， 其功率会非相干叠加，假如其中一个接入前导的功率大于检测门限，并且高于其 他接入前导的功率之和3 d b ，仍然会被基站检测出来，进而发出捕获批示，由于 该捕获批示会与几个终端都吻合，因此它们都认为自己发出达到接入前导得到了 确认，从而都用这个特征码发送相应的消息包，引起消息包的碰撞，同样的这些 相互碰撞的消息包，其功率会非相干叠加，和上面接入前导过程一样，其中一个 消息包的功率大于检测门限时并且高于其他消息的功率之和3 d b 时就能能够被 检测。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 图1 9 随机接入的前导接入过程 可见，不管是否发生了碰撞，只要接入前导被检测后，就必定会导致一个消 息包被检测出，即接入前导的吞吐率等同于消息包的随机接入吞吐率。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 第二章l t e 当中的r a c h 2 1 随机接入的目的 2 1 1 时序调整 第二章l t e 当中的r a c h 3 g p p 的成员在这方面都达成一个共识，随机接入的最主要的目的之一就是 获得更好的时序同步。同步过程是在随机接入过程之前，通过下行链路用来给随 机接入提供时隙同步和帧同步。换一种说法就是，用户通过接收广播信息，来获 得时隙和帧的起始时间和结束时间，但是由于存在传输时延，这就意味者在发送 时刻和接收时刻之间存在一些时间偏移。所以用户估测不出来什么时候发送数据 能让n o d eb 正好在时隙的开始部分接收到数据。 随机接入过程通过在用户端调整时序偏移，来通知用户如何去补偿往返时 延。以保证发送的数据n o d eb 可以正确的接收。 基站时延抵消 图2 1 往返时延引起的时延补偿抵消 n o d eb 和用户之间通过调整部分循环前缀建立同步，同步后也就意味着随 机接入已经完成，后面发送的上行链路数据就会正确的译码，由于随机接入的资 源分配在不同的时域或频域内，因此也不会干扰其他用户。 北京邮电大学硕： 学位论文第一二章l 1 - e 当中的r a c h 2 1 2 功率调整 首先介绍一下功率攀沿( p o w e r 舢p i n g ) 技术，为了提高前导码成功发送的 概率同时来降低接入的时延，当每次发送接入失败之后，就相应的加大发送功率， 这就是功率攀沿( p o w 盯r 锄p i n g ) 技术。图2 2 形象的描述了其过程。 匪薹i i 雪接入前缀豳琵目目囝致据部分 图2 2 功率攀沿技术 在任何随机接入之前，用户会测量由广播信道发送下行信息的功率，做为其 起始功率，当接入失败后，用户会根据式( 2 1 ) 来增加其功率： 只“= 只+ p( 2 1 ) 其中p 是变化的步长，其单位是d b 。 在w c d m a 系统当中，功率调整就是采用功率攀沿( p o w 盯r 锄p i l l g ) 的技 术，也就意味着，可应用的功率主要依靠最近一次发送前导码时的功率， n o d c b 不会通知用户做功率调整的，如果接入失败，就相应的增加功率，只是用户单 方面做调整。而在e u t r a 系统的随机接入中，功率攀沿方式依然在考虑当中。 如果不采用功率攀沿( p o w c r 姗p i n g ) 技术，在随机接入过程中如果想让用户调 整出适合下一次发送的功率，那只能采用以下的方法： 1 ) 用户要么在开环功率控制中估测出来所要发射的功率，要么就以最大的功 率发射。 2 ) 假设已经成功检测，n o d eb 估测用于上行链路信息的功率 一个比较好的功率调整方法可以选择一个最优的发射功率，同时也可以提高电池 的寿命 2 1 3 资源请求 在传输数据之前，用户要向先n o d eb 申请传输资源，n o d eb 在这里做为一 个调度者给用户提供调度信息。在u i r r r a 系统的随机接入就是给数据传输分 1 4 r 一 f 十固 翠团 北京邮电大学硕士学位论文 第二章u t 当中的r a c h 配所需的带宽和时隙资源。可以分为同步和非同步过程，非同步又有单步和双步 之分。 2 2 l t e 中r a c h 分类 m 中u e 初始化和随机应接入过程与现在系统当中的随机接入非常的相 近，这一小节中主要介绍用户在各种状态下的随机接入。 2 2 1 用户初始化 在上行链路没有同步的情况下，传输数据的频谱效率非常低，而且由于受到 小区大小和传输条件的限制，在随机接入突发中信息所占的比例是非常有限的， 因此我们把用来上行同步的随机接入突发和与系统建立连接的信息分开来传输。 第一步用户进行上行同步，并获得上行传输的资源；第二步用户发送必要的连接 信息，比如r r c 连接请求信息。其过程如图2 3 l 1 ，l 2 o w 一7 “m o 5 l _ _ _ _ _ l _ _ _ l 叫i 非同步己同步 、。_ _ _ _ _ - _ - 一、_ _ _ _ _ _ _ _ ，- _ _ - _ _ _ ， s 怕p 1 前导码s l e p 2 数据部分 图2 3l 1 陋中初始化随机接八过程 第一步：时序较准，随机接入的主要的用途之一就是上行链路的时序较准。 首先用户发送前导码，在进行随机接入之前，用户先与下行广播信息进行同步f 图 2 3 中) 。n o d eb 用本小区内的序列与收到的信号做相关运算( 图2 3 中) ，如 果检测到前导码，n o d eb 就会相应的发送一些信息，比如用户所选择的i d ，通 知用户调整上行链路的时序，为信息数据部分分配的时频资源信息。 北京邮电大学硕l 学位论文第二章l 丁e 当中的r a c h 用户发送前导码和n o d eb 做出相应反映之间的时间应该要定义好，这样当 n o d eb 没有检测到有用户要接入时，要及时的通知用户，让用户知道自己的状 态，如果在规定的时间内用户没有收到d eb 的响应，则认为接入失败，在随 后的时间里重新进行接入。因为随机接入过程中并没有传送数据，所以只需要很 小的资源，为资源的更加有效的利用提供了保障。 第二步：信息传输，当用户收到n o d eb 的响应之后，根据批示调整上行时 序( 图2 3 中) ，并发送连接请求信号，请求连接信号在已分配的资源里面，通 过同步的方式传送，根据网络是否分配给用户d ，来决定连接请求信号的内容： 无线资源控制请求( r r cc o 蚰e c c i o nr e q u 鼯t ) 信息或l 2 层的调度信息。当收到 r r cc o f u l 6 0 l lr e q u e s t 后，n o d eb 通过下行共享信道发送i 冰cc 0 肋e c t i s e n j p 信息( 图2 3 中) ，如果在一定的时间内，用户没有收到n o d cb 的下行信 息，那么用户就认为随机接入失败。重新回到上面的第一步，进行重新接入。 2 2 2 空闲状态下的随机接入 在l t e 中，当用户处于空闲状态下的随机接入过程，与用户初始化随机接 入过程很相似，比如发送用于时序同步的前导码，以及信息发送的方式，这些过 程都一样。这空闲状态