（通信与信息系统专业论文）ltetdd系统enodeb端随机接入过程研究.pdf

摘要 摘要 随着近年来移动通信用户大幅增加，与日俱增的网络接入和高速数据业务需 求，促使第三代移动通信系统( 3 g ) 继续向i m t - a d v a n c e d ( 4 g ) 发展演进。长期 演进项目( m ) 作为3 g 的演进，拥有高速上下行数据传输速率、高频谱利用效 率、低通信时延等特点，将成为新一代移动通信行业的发展热点之一，也是3 g 通 信技术与标准发展的必然。 随机接入过程是l t e 系统中用户与网络建立初始连接之前的必经步骤，是用 户与网络建立上行同步、申请上行资源、保证通信建立的决定性环节，其处理过程 直接影响到系统的接入性能和容量。目前3 g p pl t e 标准在不断地更新和完善当中， 标准尚未给出系统完整的e n o d e b 端随机接入流程；另外标准中对于e n o d e b 端前 导接收链路及性能指标检测方法等并未作明确规定。基于随机接入过程的重要地位 和目前尚不完善的研究现状，必须对l t e t d d 系统的随机接入过程，特别是 e n o d e b 端随机接入过程进行深入研究，为实际系统网络端设计方案和硬件实现提 供理论依据和支持。 本论文基于重庆邮电大学国家重大科技专项“l t e t d d 无线综合测试仪表 项目研究成果，侧重于e n o d e b 端，研究l t e t d d 系统随机接入过程。论文的主 要工作如下： 1 、分析了随机接入过程的基本原理，如随机接入触发条件、基于竞争月 竞争 随机接入基本流程、随机接入所使用的信道和信号等，并总结了随机接入过程中 e n o d e b 端各种异常情况和处理方式。 2 、对3 g p pt s 3 6 系列所有标准中涉及l t e 系统随机接入过程的零散规定和近 三年所有相关会议提案进行整理，总结出了系统完整的e n o d e b 端基于竞争的随机 接入过程以及各个步骤中e n o d e b 端所做的处理，包括对随机接入前导信号接收、 随机接入响应信息的配置发送、r r c 请求消息的接收处理以及竞争解决机制等。 3 、设计了l t e - t d d 系统的随机接入链路，依据3 g p pt s3 6 2 11 协议中规定 的p r a c h 物理层发送端处理，根据实际需要提出了改进的发送和接收算法，设计 了e n o d e b 端对于p r a c h 信号的接收和检测过程。 4 、通过m a t l a b 工具搭建仿真链路，验证了e n o d e b 端接收并检测随机接入信 号的过程，并提出使用峰均功率比作为前导检测门限的方法以及门限确定的过程， 验证了对所设峰均比门限下的虚警率、检测概率等检测性能指标满足标准要求。 关键词：l t e t d d ，随机接入过程，e n o d e b ，随机接入信号接收、性能检测 a b s t r a c t a b s t r a c t a sas u b s t a n t i a li n c r e a s ei nt h en u m b e ro fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nu s e r si nr e c e n t y e a r s ，t h ec a p a c i t yc o n s t r a i n t s o fn e t w o r ka c c e s sa n dh i g h s p e e dd a t as e r v i c e sw h i c h3 g s y s t e mp r o v i d e si si n c r e a s i n g l ya p p a r e n t a sal o n g - t e r me v o l u t i o no ft d s c d m aa n d a ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tp a t ht ot h ei m t - a d v a n c e d ( 4 g ) ，l t e - t d ds y s t e mh a ss e v e r a l e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha saf l e x i b l ed e p l o y m e n to fs y s t e m ，l o wc o m m u n i c a t i o n l a t e n c y , h i 曲一s p e e dd o w n l i n kd a t at r a n s f e rr a t e s ，h i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c ya n ds t r i c tq o s m e c h a n i s m st oe n s u r et h a tr e a l - t i m es e r v i c e sq u a l i t yo fs e r v i c e ，a n db e c o m et h eh o ts p o t i nt h e d e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y , b u t a l s ot h en e c e s s a r y d e v e l o p m e n to f3 gc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n ds t a n d a r d s r a n d o ma c c e s sp r o c e s si nl t e s y s t e mi s i st h ee s s e n t i a ls t e pb e f o r ed s e i 憾c o n n e c t t ot h en e t w o r ka n di st h ew a yt oe n s u r eu s e r st oe s t a b l i s hu p l i n ks y n c h r o n i z a t i o nw i t ht h e n e t w o r ka n dt oa p p l yu p l i n kr e s o u r c e s ，w h i c hd i r e c ti m p a c to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e a n d c a p a c i t y c u r r e n t l y3 g p pl t es t a n d a r d sh a v en o ty e tf i n a l i z e d , t h er e s e a r c ho nt h er a n d o m a c c e s sp r o c e s si ss t i l li nf u r t h e rs t u d y , s ot h es t a n d a r d sh a v en o tr e q u i r e dc o m p l e t e l y o n t h eo t h e rh a n d ，t h es t a n d a r do nt h er e c e i v i n ge n do fe n o d e ba n dp e r f o r m a n c et e s t i n g m e t h o d si sn o ts p e c i f i e d b a s e do nt h ei m p o r t a n ts t a t u so fr a n d o ma c c e s sp r o c e d u r ea n d u n c o m p l e t er e s e a r c hs t a t u s ，t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt od om o r ed e t a i l e da n a l y s i st ot h e e n o d e br a n d o ma c c e s sp r o c e s so fl t e t d ds y s t e mt op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n d s u p p o r tt ot h en e t w o r kd e s i g na n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fa c t u a ls y s t e m b a s e do nt h er e s e a r c hw o r ko nt h em a j o rn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e e to f l t e - t d dw i r e l e s si n t e g r a t e dt e s ti n s t r u m e n t ”i nc q u p t , t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h s t h er a n d o ma c c e s sp r o c e s si nl t e t d ds y s t e mw i t haf o c u so ne n o d e be n d t h e r e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 t h e p a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo f r a n d o ma c c e s sp r o c e s s ，s u c ha sr a n d o m a c c e s st r i g g e rc o n d i t i o n s ，b a s i cp r o c e s so fr a n d o ma c c e s sb a s e do nc o m p e t i t i v eo r n o n c o m p e t i t i v ec o n d i t i o n s ，t h er a n d o ma c c e s sc h a n n e la n dp r e a m b l es i g n a l ，a n ds u mt h e a n o m a l i e so f r a n d o ma c c e s sp r o c e s sa n dh a n d i n gm e t h o d s 2 i ti n t r o d u c e se n o d e br a n d o ma c c e s sp r o c e d u r eb a s e do nc o m p e t i t i o n - b a s e d r a n d o ma c c e s si no r d e rt of o c u so nt h ee n o d e b sp r o c e s s i n gd u r i n gt h ev a r i o u sp r o c e s s e s ， i n c l u d i n gt h er e c e p t i o no fr a n d o ma c c e s sp r e a m b l e ，t h ec o n f i g u r a t i o no fr a n d o ma c c e s s i l a b s t r a c t r e s p o n s e ，t h er e c e p t i o no fr r cr e q u e s tm e s s a g ea n ds e t t l e m e n tm e c h a n i s mo fa c c e s s c o m p e t i t i o n 3 t h ep a p e rd e s i g n sar a n d o ma c c e s sl i n ko fl t e - t d ds y s t e ma c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so fp r a c hs e n d i n gi n3 g p pt s3 6 211 ，p r o p o s e sa ni m p r o v e da l g o r i t h m f o rp r a c hs e n d i n ga n dr e c e i v i n ge n d s ，a n dd e s i g n s t h er e c e i v ee n da te n o d e bs i d ea n d t h ed e t e c t i o np r o c e s so fr a n d o ma c c e s ss i g n a l 4 b yu s i n gt h em a t l a bt o o lt ob u i l dt h er i n k ，v e r i f i e s t h er e c e i v i n ga n d d e t e c t i o np r o c e s s ，a n dp u tf o r w a r dt h a tu s ep a p r ( t h ep e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) a st h e d e t e c t i o n t h r e s h o l da n di t sd e t e r m i n e p r o c e s s b ya n a l y s i n gt h et a r g e t d e t e c t i o n p e r f o r m a n c eu n d e rm e t h r e s h o l ds u c ha st h ef a l s ea l a r mr a t e ，d e t e c t i o np r o b a b i l i t y , p r o v e t h a tt h et h r e s h o l ds e t t i n g s i sm e e t l er e q u i r e m e n to fs t a n d a r d k e yw o r d s ：l t e t d d ，r a n d o ma c c e s sp r o c e s s ，e n o d e b ，r a n d o ma c c e s ss i g n a lr e c e p t i o n , p e r f o r m a n c ed e t e c t i n g i i i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着近年来移动通信用户数量大幅增加，除传统语音业务之外，多媒 体业务需求与日俱增，并将成为未来移动通信的主要业务，但目前第三代 移动通信技术( 3 g ) 系统在提供高速网络接入和数据业务方面仍有局限性。 l t e 系统以其高速上下行数据传输速率、高频谱利用效率、系统部署灵活、 无线网络低时延等特点以及较好的向下兼容性，成为当今移动通信行业发 展的热点之一，也是3 g 进一步演进与标准发展的必然。 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) ，即长期演进项目，始于2 0 0 4 年3 g p p 的多伦多会议。l t e 是3 9 g 的全球标准，也是3 g 向i m t o a d v a n c e d ( 4 g ) 标准的重要演进。l t e 在2 0 m h z 频谱带宽下能够提供下行3 2 6 m b i t s 与上 行8 6 m b i t s 的峰值速率。l t e 改进并增强了3 g 的空中接入技术，采用 o f d m 和m i m o 技术，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量并降低 了系统延迟。 目前3 g p p 组织对于l t e 系统各层标准的制定仍处于版本更新和完善 过程中，国际上各研究机构和主要通信厂商均加快研究力度，参与标准的 制定和补充工作中，并陆续启动了l t e 标准下的样机开发和测试工作。我 国工业与信息产业部于2 0 0 8 年1 2 月发布了“新一代宽带无线移动通信网” 国家科技重大专项有关l t e 项目的内容，明确要求组织开展l t e t d d 关 键技术研究、样机开发和试验验证工作，并于2 0 0 9 年8 月公布了我国首 个l t e t d d 研究开发技术设备测试系列规范，供项目开发试验参考。因 此，技术演进是t d s c d m a 发展的另一工作重点，必须加快l t e t d d 相 关研究工作，保持与国际先进水平同步发展。 随机接入过程是l t e t d d 系统中用户与网络初始建立连接之前的必 经步骤。l t e 系统设计随机接入信道( r a c h ) 的目的主要用于上行时序 校准及资源请求。当用户初始接入网络时，其上行同步需要通过随机接入 过程估计每个用户设备( u e ) 与网络节点( e n o d e b ) 之间的时间偏移量 来确定，从而完成上行链路的时序校准，保证后继数据正确接收。另外通 重庆邮电大学硕士论文 过对随机接入请求的响应，网络才能为用户分配适当的上行资源用于上行 数据传输。 对于e n o d e b 端，在随机接入过程中可能存在多个用户选择同一个随 机接入前导发起接入，竞争同一时频资源的情况。因此e n o d e b 端须成功 接收这些前导，获取用户信息，确保用户完成上行同步及分配相应的时频 资源，并针对多个用户的随机接入冲突提供合理的竞争解决方案，保证用 户随机接入的成功率及较低的系统接入时延。因此e n o d e b 端性能于整个 系统的随机接入容量和性能有着重要的影响。 目前3 g p p 标准组织对于l t e 系统随机接入过程的标准规范尚未定 稿，仍处于版本修改更新过程中。标准对整个e n o d e b 端随机接入过程规 定较零散，对e n o d e b 端涉及的物理层信号处理、层2 层3 信令处理以及 竞争解决机制等过程也没有完整系统的总结；另外标准中仅规定了随机接 入信号的物理层发送端处理过程，对于e n o d e b 端接收端链路及性能指标 检测方法等并没有具体规定。基于随机接入过程的重要地位和目前尚不完 善的研究现状，必须对l t e t d d 系统的随机接入过程，特别是e n o d e b 端 随机接入过程以及对于小区内多个用户随机接入前导的接收和检测算法 进行深入研究，为实际系统网络设计方案和硬件实现提供理论依据和支 持。 本论文基于重庆邮电大学国家重大科技专项“l t e t d d 无线综合测试 仪表项目研究成果。该项目启动于2 0 0 8 年5 月，是工业与信息产业部 “新一代宽带无线移动通信网 系列国家科技重大专项l t e 项目之一。项 目针对l t e t d d 规模化发展受困于协议测试仪表短缺的现状，研究开发 3 g p pl t e 标准下的无线综合测试仪表。项目的理论研究成果和设计开发 的成品设备对于我国l t e 系统测试仪表的发展有重要的实际意义。 本论文的成文过程贯穿于项目随机接入组的研发工作中，论文对于现 有3 g p pl t e 标准中对e n o d e b 端随机接入过程的零散规定进行了梳理、 补充和完善，系统概括出一个完整的e n o d e b 端随机接入过程，并对各步 骤中e n o d e b 端涉及的物理层处理和控制信令处理过程进行了深入分析。 研究成果对于测试仪表随机接入模块设计方案提供了支持，特别是测试仪 表中涉及的高层参数配置以及层2 层3 信令交互等难点和关键部分，提供 了有益参考。另外论文中对随机接入过程物理层信号处理过程、运算量以 及信息大小进行了详细分析，并针对协议规定的基带处理过程运算量过大 的实际问题提出了解决方案，为设备芯片选型和硬件实现提供了系统的标 准理论依据，并在一定程度上降低了设备复杂度，降低了成本。 2 第一章绪论 此外，论文设计了一种e n o d e b 端接收端链路及随机接入信号检测算 法，并提出使用峰均功率比作为检测门限的方法，通过算法仿真，验证了 所设计的链路和门限值下得出的虚警率和检测概率等性能指标满足标准 要求，并证明该检测门限和可达到的虚警率指标不受实际信道条件影响。 仿真结论对于实际设备接收端设计提供了物理层链路仿真支持，提出的符 合系统要求的统一的检测门限，不受信道环境影响，这极大简化了实际设 备前导检测流程，降低了检测复杂度，具有重要的实际意义。 1 2 l t e t d d 系统随机接入研究现状及关键技术 1 2 1 l t e t d d 系统 l t e 系统是以全球陆地无线接入技术( u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s ，u t r a ) 为基础，力图增强上行链路传输能力，达到下行链路在 2 0 m h z 频宽范围内有1 0 0 m b p s 的瞬间峰值传输率、上行链路达到 5 0 m b p s 。3 g p p 组织期望l t e 其演进系统可保持1 0 年以上的竞争优势而 不被淘汰。 l t e 系统的总体架构如图1 1 所示。可见e u t r a n 由多个e n o d e b 构 成，e n o d e b 之间由x 2 接口互连，每个e n o d e b 又和演进型分组核心网 ( e v o l v e dp a c k e tc o r en e t w o r k ，e p c ) 通过s1 接口相连。s 1 接口的用户面 终止在移动性管理实体( m o b i l i t ym a n a g e m e n te n t i t y ，m m e ) 上，x 2 接口 的用户面终止在服务网关( s e r v i n gg a t e w a y ，s g w ) 上，控制面和用户面 的另一端中止在e n o d e b 上【1 】【2 1 。 ，上等，一，一 沁 、一j、一、电 、 一 h 、n-s1-。器一 重庆邮电大学硕士论文 图1 1l t e 总体系统架构 l t e 系统同时定义了频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种方式， 其中f d d 需采用两个对称的频率，分别进行接收和发送；而t d d 无需成 对的频率，可支持非对称业务，根据业务类型灵活配t d d 帧的上下行配 比，因此具有一定的频谱灵活性，能有效提高频谱利用率，再加上其与 t d s c d m a 共存并可实现平滑演进的特点，能够满足下一代移动通信系统 对带宽的要求以及频率分配零散化的趋势。基于t d d 模式在b 3 g 4 g 移动 通信系统中具有的较强优势，随着研究的深入和国际市场的推广， l t e t d d 将成为未来无线通信系统中的主流技术。 l t e t d d 系统的帧结构如图1 2 所示【3 1 。一个无线帧由两个长度为5 毫秒( 1 5 3 6 0 0 t s ) 的半帧组成；每个半帧由5 个长度为1 毫秒( 3 0 7 2 0 t s ) 的子帧组成。子帧类型分为普通子帧和特殊子帧。普通子帧由两个长度为 l 毫秒( 3 0 7 2 0 t s ) 的时隙组成：特殊子帧包含上行导频时隙( u p p t s ) 、 下行导频时隙( d w p t s )和保护间隔( g p ) 三部分【3 1 。 o n e t a t i o l a 嗽 = 3 0 7 瑚= 1 0 m 0 帕嘣1 5 3 咖r , = 5 m s 昂删s ：、- - ：。、 避t 僦- “、- 、二、 铷b 自柳柏乳蛐铷惦1 2& j b 打a m 妁s 晰a m e 拊翱为s 晰a m e 打翱勰& 晡矾柏 瓣。f f 图1 2t d d 类型帧结构( 5 m s 转换点周期) 一个无线帧中的所有子帧的上下行配置表1 1 所列，其中“d 表示 该子帧用于下行发射，“u 表示该子帧用于上行发射， “s 表示该子帧 为特殊子帧。 上下行链路结构支持5 m s 和1 0 m s 两种下行到上行的转换点周期。在 5 m s 下行到上行转换点周期情况下，两个半帧中都存在特殊子帧；在10 m s 周期下，特殊子帧只存在于第一个半帧。通常子帧0 和5 经常留做下行发 射，u p p t s 和紧跟在上行发射特殊子帧部分后面的子帧常用于上行发射。 4 第一章绪论 表1 1t d d 帧结构上下行配置表 上下行下行到上行子帧号 配置转换点周期ol23456789 5m sdsuuud suuu o 5m sdsuuddsuud l 5m s d sudddsudd 2 1 0m sds uuuddddd 3 1 0m sds uudddddd 4 1 0m sdsuddddddd 5 5m sdsuuudsuud 6 1 2 2 随机接入方式 通过判断网络中u e 发出随机接入请求时是否与e n o d c b 保持上行同 步，可以将随机接入分为同步随机接入和非同步随机接入两种方式【4 1 【5 1 。 l 、非同步随机接入方式 非同步随机接入是在u e 还未获得上行时间同步或丧失同步时进行的 随机接入过程。通过非同步随机接入过程，e n o d e b 端可以估计、调整u e 上行发射时钟的过程。这个过程也同时用于u e 向c n o d e b 请求资源分配。 目前l t e 正在考虑两种非同步随机接入方法。第一种接入过程为： u e 一次性发送用于上行同步和资源请求的前导信号( p r e a m b l e ) ，e n o d e b 也一次性反馈时钟信息和资源分配信息；第2 种接入过程为：u e 先发送 用于上行同步的前导，e n o d e b 反馈时钟信息和可供u e 发送资源请求信息 5 重庆邮电大学硕士论文 的资源。而后u e 再使用e n o d e b 分配的资源在共享信道或随机接入信道 ( 对基于l c r t d d 的t d dl t e 系统) 发送资源请求，然后e n o d e b 再反 馈数据发送资源分配。 2 、同步随机接入方式 同步随机接入方式用于在u e 已经取得并保持着和e n o d e b 的同步时 所进行的随机接入。同步随机接入的目的主要是请求资源分配，例如用户 切换至新的小区时所进行的接入等。同步上行接入的过程和非同步上行接 入相似，只是省去了同步的过程。 1 2 3 随机接入前导信号 l t e t d d 系统使用前导来向e n o d e b 指示当前终端的随机接入尝试， 使e n o d e b 能够估计e n o d e b 和终端之间的传输延迟。这个延迟估计需要 用于随后调整上行定时【6 】。 每个小区有6 4 个前导序列用作随机接入，除了保留用于切换等非竞 争模式的若干个前导序列外，u e 可以选择生成余下的序列中的任一个。 3 g p pl t e 系统中使用的随机接入前导序列是通过将z a d o f f - c h u ( z c ) 根序列进行循环移位得出。第u 次z c 根序列的定义如式1 1 ： ，、 一j n u - n i ( n 一+ 1 ) 屯协j = e“z c ，0 n v z c 一1( 1 1 ) 其中n z e 为序列长度、u 为逻辑根序列号对应的物理根序列号，而用 户可使用的u 的个数须由e n o d e b 经广播信号来告知。 循环移位的z c 序列有很好的优点，首先序列的幅度是恒定的( 恒包 络) ，这确保可利用高效率的功率放大器来保持上行单载波传输的较低的 峰均功率比( p e a k t o a v e r a g er a t i o ) 。z c 序列还具有很好的循环自相关 性能，这对于e n o d e b 获取一个准确的时间估计是很有帮助的。此外由同 一个z c 根序列经过不同循环移位生成的前导序列，在接收端它们之间的 互相关值为零，只要用于生成前导的循环移位值n c s 比小区内电波来回传 播最大时间加上信道的最大传播延迟的值大。因此，基于n c s 循环移位的 z c 序列良好的互相关性能，多个随机接入尝试当使用同一个z c 根序列生 成的前导时，不会产生小区内的干扰【j 7 1 。 1 2 4 s c f d m a 技术 6 第一章绪论 l t e 相对于3 g p p 以前制定的u m t s 技术标准，在传输技术方面有很 大提高。由于终端电池容量有限且需尽量降低多个终端之间的干扰，l t e 系统的上行发射功率受到限制，这在很大程度上将影响l t e 系统上行传输 技术的选择。在3 g p pl t e 系统发展过程中，上行链路方案在多载波方案 ( o f d m a ) 和单载波方案( s c f d m a ) 中进行选择，通过多次验证和比 较，由于s c f d m a 技术拥有较低峰均功率比、用户间频域正交保证小区 内干扰最小化、可使用低复杂度的频域均衡、多选择的码片速率等性能优 点，被3 g p p 组织最终确定作为l t e 系统上行多址技术，利用s c f d m a 技术实现基带信号的发送博j 。 匿：r 脉 子载 添加 冲 d f t 成 波映 i d f t 循环 d a 变换 + 射 前缀 形 i 上 至射频 图1 3s c f d m a 发射端结构 图1 3 表示了典型的s c f d m a 传输方式的发射端结构【6 1 ，其中符号 编码速率为r 的发送符号序列首先经过一个d f t 变换模块。这里的d f t 处理被作为一个为随后较大点数i d f t 变换的预处理过程。变换到频域上 的序列经脉冲整形后映射到子载波上，最后经过i f f t 变换、添加循环前 缀、数模转换处理后传至射频模块，经天线口发射。 1 3 论文内容及结构安排 论文结构安排如下： 第一章是绪论部分。主要阐述了本论文的研究背景和意义，介绍了l t e 系统的基本系统架构以及技术优势等，并针对两种双工方式( f d d t d d ) 中的t d d 方式介绍了l t e t d d 系统的基本结构和优势作了分析，最后对 于l t e t d d 系统随机接入技术研究现状及关键技术进行了概述。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章介绍了l t e t d d 系统随机接入过程。首先分析了随机接入过 程的触发条件以及随机接入状态与其他各个状态之间的转移，并针对不同 的随机接入目的将随机接入过程分为基于竞争非竞争的随机接入过程进 行分析，简要阐述了随机接入各个过程的基本步骤及所涉及的前导信号生 成过程，并验证了z c 根序列的幅度特性、自相关特性和不同循环移位生 成的前导序列的互相关特性等，总结了标准中选择z c 根序列作为随机接 入前导生成基序列的原因。最后总结了随机接入过程的各种异常情况及处 理。 第三章介绍了l t e t d d 系统e n o d e b 端随机接入过程，着重以e n o d e b 端在随机接入过程各个步骤中涉及的处理进行分析。首先分析了e n o d e b 端对前导信号的接收过程，包括物理随机接入信道( p r a c h ) 时频位置计 算、前导接收功率、检测判决过程等；其次详细分析了e n o d e b 端对随机 接入响应信息的配置过程以及对r r c 请求消息的接收反馈过程；最后， 介绍了e n o d e b 端对于发生冲突情况时的竞争解决机制以及不同处理结果 下的竞争解决消息配置。 第四章是对l t e t d d 系统随机接入链路的设计。首先介绍了u e 发 送端的处理，分析了3 g p p 标准中规定的s c f d m a 基带信号发送过程在 实际实现中遇到的问题，并提出了减小运算量的改进方案。随后介绍了 e n o d e b 端对前导信号的接收和检测过程，针对发送端的改进方案设计了 接收算法，并提出了前导相关峰值检测方法。 第五章是对l t e t d d 系统e n o d e b 端前导检测性能的仿真和性能分 析。通过m a t l a b 工具对第四章所设计的链路进行仿真，首先验证了所 涉及的前导相关检测算法，随后提出了使用峰均功率比作为峰值检测门 限，并通过仿真结果，证明使用该门限能满足标准规定的虚警率和检测率 指标。 第六章是对全文的总结以及对未来工作的展望。 第二章随机接入过程 第二章随机接入过程 随机接入过程是处于某小区中的u e 接入网络的过程或u e 发起小区 切换过程的过渡状态。通过随机接入过程，u e 可实现上行同步、获取上 行时频资源进行话音和数据业务的传输及越区切换等功能。 2 1 随机接入过程状态转移及触发 用户从接入一个系统到发起与网络的数据交换的过程中会处于不同 的状态。随机接入过程即是l t e t d d 系统的基本状态之一，它与其他状 态之间相互联系，确保网络向用户提供平稳高效的服务。 2 1 1 随机接入过程状态转移 用户在l t e t d d 系统中，可能处于四种基本状态之一【9 】： 同步( s y n c ) ：用户初始接入网络时的状态，完成下行同步，接 收系统消息； 空闲( i d l e ) ：完成系统消息解读、小区选择重选、监听寻呼； 随机接入( a l o h a ) ：发起语音呼叫或建立一次数据连接请求，完 成上行同步和上行资源请求； 连接( c o n n e c t i o n ) ：完成用户与系统的上下行数据传输。 四种基本状态的转移图如图2 1 所示。可见，通过实际系统设置的原 语，可触发各基本状态间的转移。随机接入状态除与空闲状态之间的转移 是双向的外，与其他两种状态的转移均是单向的。 9 重庆邮电大学硕士论文 图2 i 各状态转移图 2 1 2 随机接入过程触发 l t e t d d 系统使用随机接入信道( r a c h ) 来传输用户的初始化网络 接入。但r a c h 中不能携带任何用户数据，用户数据只能使用物理上行共 享信道( p u s c h ) 来传输。如果u e 当前没有获得上行同步或上行同步丢 失，此时将触发随机接入过程来完成上行链路的时间同步。一旦u e 完成 了上行链路同步，e n o d e b 就会调度相互正交的上行传输资源给u e ，保证 用户使用p u s c h 资源完成与网络的上下行通信。 l t e t d d 系统随机接入过程的触发条件有以下几种： u e 在网络中处于连接状态，但上行链路未同步或没有用于调度请 求的p u c c h 资源时，此时u e 需要发送新的上行数据或者是控制信息( 如 事件触发测量报告) 。 u e 在网络中处于连接状态，但是没有取得上行同步，此时u e 需 要接收新的下行数据，然后在上行链路上传输a c k n a c k 信息。 u e 在网络中处于连接状态，现在需要从当前服务小区切换到另一 个目标小区。 当u e 由空闲状态转移到连接状态的时候。例如：u e 需要初始化 接入或者是跟踪区域内的更新。 无线链路失败后需要恢复r r c 连接时的重建过程。 上行同步的建立是以上情况的主要目的。当建立一个初始的无线链 接，即从空闲状态到连接状态时，随机接入过程同样可以为终端分配一个 唯一的识别号c r n t i 。还有一个例外的情况是，当u e 满足上行同步并且 1 0 第二章随机接入过程 没有其他上行资源分配的情况下，u e 使用r a c h 发送调度请求信息【1 0 】 【l1 】 2 2 随机接入过程分类 基于多个发起随机接入请求的用户是否发生冲突，l t e 随机接入过程 分为基于竞争的随机接入以及基于非竞争的随机接入，其中基于竞争的形 式表明了多个u e 发生冲突的可能性1 2 1 。 2 2 1 基于竞争的随机接入过程 基于竞争随机接入过程包括以下四个步骤13 1 ，如图2 2 所示。 用户 基站 h ) ) s c h 卜一 k ，r c h ) 图2 2 基于竞争的随机接入过程 随机接入前导信号的传输( u e 到e n o d e b ) u e 发送选择的随机接入前导信号给e n o d e b 此步骤的前提条件是u e 已与系统建立了下行行同步，否则无法接收任何系统信息。然而u e 在发 送上行接入前导信号时，上行并没有同步，以此e n o d e b 接收端须估计终 端的传输时间，计算时间提前量。 发送上行前导有两个目的： 、实现上行同步，实现e n o d c b 发送时间提前消息； 、根据确认的前导信号分配相应的资源。 重庆邮电大学硕士论文 随机接入响应的传输( e n o d e b 到u e ) c n o d e b 基于上一步的定时估计，发送时间提前命令来调整终端的发送 时间，同时向u e 分配相应的上行资源。这些命令以随机接入响应( r a r ) 的形式，通过p d s c h 、p d c c h 信道发送给u e 。 r r c 请求消息( m s 9 3 ) 的传输( u e 到e n o d e b ) u e 已经分配的资源上发送用户移动终端识别号，这个信令的确切内容 取决于终端所处的状态，特别是网络之前是否了解终端的状态。 竞争解决信息( e n o d e b 到u e ) e n o d e b 通过d l s c h 发送竞争解决消息到u e 。 2 2 2 基于非竞争的随机接入过程 当u e 从当前小区切换到一个新的小区时，接入新的小区的行为由 e n o d e b 控制，此时的随机接入过程不存在与其他u e 的竞争，称为基于非 竞争的随机接入过程。 基于非竞争的随机接入过程所使用的前导序列是每个小区6 4 个前导 序列中的保留部分序列，由e n o d e b 向u e 指定具体序列作为p r a c h 中 承载的随机接入前导，这个分配前导信息是通过p d s c h 发送到u e 。 基于非竞争的随机接入过程的实现步骤与基于竞争的随机接入过程的 前两个步骤相同，但不需要进行后续的r r c 消息请求和竞争解决步骤， 如图2 3 所示 第一步，随机接入前导的发送。 第二步，随机接入响应。 图2 3 非竞争随机接入过程 1 2 第二章随机接入过程 2 3 随机接入信道及前导信号 2 3 1 随机接入信道 l t e 系统传输随机接入信号所使用的信道是在p r a c h 所在的时频资 源上传输的。网络向所有u e 的广播信息中，配置了所有u e 的系统信息， u e 可以计算出所有可用p r a c h 的时频位置，在p r a c h 信道上发送自己 的随机接入信号。 l t e 系统p r a c h 的设计必须能够满足l t e 需求中的低延时，同时在 低信噪比环境( 在小区边缘u e 的切换) 下又有良好的检出率的要求。一 个成功的p r a c h 尝试应该允许有多个u e 同时进行，并且被插入那些正 在进行同步调度的u e 之中，这需要通过使用p r a c h 来完成精确的定时 估计，因此应设置必须的p r a c h 传输带宽。 另一个需要重点考虑的是，体系中对p r a c h 影响的最小化。不同于 w c d m a ，l t e 系统中p r a c h 应适合上行链路正交的时频结构。由于 p r a c h 信道在时间和频率上是与物理上行共享信道( p u s c h ) 和物理上 行控制信道( p u c c h ) 共同复用的【l4 1 ，如图2 4 所示，e n o d e b 要避免p r a c h 和p u s c h p u c c h 之间的干扰。因此，在p r a c h 的设计中，很重要的一 点是p r a c h 与p u s c h p u c c h 之间干扰的最小化。 频 域 系 统 带 宽 p u c c h o“ ，*。 ， il p r a c hip r a c h ： p r a c h ei p u s c h p r a c h 对隙持续时阕p r a c h 对隙持续时间 # z p u c c h 时域 图2 4p r a c h 在p u s c h 和p u c c h 上的复用 在p u s c h 所在范围内，p r a c h 时频资源是半静态分配并周期重复的。 在p r a c h 所处时间范围内是否调度p u s c h 传输是由e n o d e b 根据实际需 重庆邮电大学硕士论文 要来判断的。e n o d e b 总是尽量避免在用于随机接入的p r a c h 时频资源上 来调度任何其他上行传输，以避免不同终端上行共享数据传输和随机接入 尝试之间发生干扰。尽管l t e 系统中随机接入信号与用户数据是相互正交 的，但也无法避免e n o d e b 使用随机接入所属范围来调度上行传输，例如 同步非自适应的h a r q 重传就可能与随机接入所属的范围发生重叠。对重 叠部分的处理方式，l t e 系统可以将重传部分移至频域或在e n o d e b 接收 侧处理干扰【l 引。 2 3 2 随机接入前导信号 随机接入信号是指用户在发起随机接入请求时向e n o d e b 端发送的上 行信号。l t e t d d 系统中采用前导作为随机接入信号，目的在于向 e n o