（通信与信息系统专业论文）lte高速场景下随机接入算法的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 l t e 是3 g p p 组织提出的向4 g 移动通信演进的3 9 g 标准，该标准通过采 用o f d m a 、m i m o 等多种先进技术使其数据传输速率较3 g 移动系统有较大的 提高，下行理论速率可达10 0 兆比特秒，上行理论速率可达5 0 兆比特秒，同时 能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b p s 的接入服务。而在全球推进l t e 商用网络建设的同时，我国高铁建设迅猛发展，因此对移动通信在高铁中的应 用要求大为提高。 l t e 系统中p r a c h 作为非同步u e 和l t e 上行无线接入的接口，在l t e 系统上行同步中扮演着关键角色。u e 只有当其上行传输时间同步后，才能被调 度，从而进行上行数据传输。对于l t e 物理层参数来讲，即使达到3 5 0 k m h 甚 至5 0 0 k m h ，网络的链接依然能够维持，但当移动速度大于2 5 0k m h 时，是一种 比较特殊的场景，比如高铁环境，因此研究新的信道模型和接入方案有很大的 意义。 本文的研究结合实际项目，根据3 g p p 物理层相关协议，以提高l t e 随机 接入信道在高速环境中的接入性能为目标，主要从事了如下几个方面的工作： ( 1 ) 在l t e 原理和协议的基础上，实现了p r a c h 的物理层链路仿真，链 路的模块主要包括发送端序列的产生、长度的转换、时频资源的调度以及接收 端的接入资源的提取、延时功率谱的计算、阈值设定和最后的加窗检测、参数 的计算； ( 2 ) 根据l t e 协议建立了高铁信道模型，作用于l t e 随机接入信道链路， 深入研究和分析高速信道模型对随机接入性能的影响，并进行了仿真实验。 ( 3 ) 针对这些影响，提出了新的阈值设定算法对抗高铁信道的快速衰落， 以及一种控制接入序列循环移位的算法减小频率偏移对检测的影响，并进行了 仿真实验，验证了算法的有效性。 关键字：l t e ，随机接入，高铁信道，信号检测，多普勒频移 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l t ei st h ee v o l u t i o no f3 9 gt o4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sw h i c hi sp r o p o s e d b yt h e3 g p p ，t h r o u g ht h eu s eo fo f d m a , m i m o a n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g yi t s d a t at r a n s m i s s i o nr a t eh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，w h i c hi sh i g h e rt h a n3 gm o b i l e s y s t e m s t h et h e o r e t i c a lr a t eo fd o w n l i n ki su pt o10 0 m b i t | sa n du p l i n kt h e o r e t i c a l r a t ei su pt o5 0m b i t | s ，破t h es a m et i m ei tc a np r o v i d ea c c e s ss e r v i c e st o35 0 k m | h l l i g h s p e e dm o b i l eu s e r sa tad a t ar a t eo fg r e a t e rt h a nlo o k b p s au ec a nb es c h e d u l e dt ot r a n s m i tu p l i n kd a t ao n l yw h e ni t su p l i n kt i m e s y n c h r o n i z a t i o nb eo b t a i n e d t h e r e f o r ep r a c hp l a y sak e yr o l ei nt h el t es y s t e m u p l i n ks y n c h r o n i z a t i o n w h e nt h em o b i l es p e e di sg r e a t e rt h a n2 5 0k m l l ，t h e c h a n n e lm o d e li sas p e c i a ls c e n e ，s u c ha sh i g h s p e e dr a i le n v i r o n m e n t ，s oy o un e e dt o p r o p o s ean e wc h a n n e lm o d e l sa n ds o l u t i o n s t h em a i ns u b j e c to ft h er e s e a r c hw o r kt oi m p r o v et h ea c c e s sp e r f o r m a n c eo ft h e l t er a n d o ma c c e s sc h a n n e li nh i g h s p e e de n v i r o n m e n t ： ( 1 ) a c h i e v et h e p r a c hp h y s i c a l l a y e r l i n k s i m u l a t i o n , i n c l u d i n g t h e t r a n s m i s s i o n s e q u e n c eg e n e r a t i o n , t h ec o n v e r s i o no ft h el e n g t h ，f r e q u e n c yd o m a i n o f f s e ta n dt i m e - d o m a i nr e s o u r c e ss c h e d u l i n gi nt h eu et r a n s m i s s i o nt e r m i n a l ，a n d s e q u e n c eo fe x t r a c t i o n ，d e l a yp o w e rs p e c t r u mc a l c u l a t i o na n dt h r e s h o l ds e t t i n g s ，t h e l a s tw i n d o wo f d e t e c t i o n ，p a r a m e t e rc a l c u l a t i o ni nt h er e c e i v i n ge n d ( 2 ) d e s c r i b e dl t eh i g h s p e e dr a i lc h a n n e ls i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，ont h eb a s i s o ft h ep r a c hl i n km o d e la n dt h em o d e lo f h i g h s p e e dr a i l ，i n - d e p t hs t u d yt h ei m p a c t o f h i g h s p e e dc h a n n e lm o d e lo nr a n d o ma c c e s sp e r f o r m a n c e ， ( 3 ) t h e nf o rt h e s ei m p a c t st h i sp a p e rp r o p o s e dan e wt h r e s h o l ds e t t i n ga l g o r i t h m a g a i n s tt h ef a s tf a d i n g ，a sw e l la sl i m i t e dc y c l es h i f tc o l l e c t i o na l g o r i t h mt oe l i m i n a t e t h ee f f e c t so ff r e q u e n c yo f f s e t k e yw o r d s ：l t e ，r a n d o ma c c e s s ，s i g n a ld e t e c t i o n ，h i g h s p e e dr a i lc h a n n e l ，t h e d o p p l e r s h i r i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 l t e 是3 g p p 组织提出的向4 g 移动通信演进的3 9 g 标准，该标准通过采 用了o f d m a 、m i m o 等多种先进技术使其数据传输速率较3 g 移动系统有较大 的提高，下行理论速率可达1 0 0 兆比特眇、上行理论速率可达5 0 兆比特秒，同 时能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b p s 的接入服务。 因此l t e 移动通信网络可以支持高清视频通话、移动电视、高速下载等数 据业务，同时与人们紧密相关的移动金融、网络炒股等服务随着4 g 网络的发展 也更能满足人们的需求，据悉，时至今日全球已经有2 4 8 家运营商部署了l t e 商用网络，移动互联网的时代随着l t e 的发展即将到来。 在移动通信技术日新月异的变革的同时，我国高速铁路的建设也可以说是 突飞猛进，根据“十二五”规划，我国将持续加大对高速铁路的建设，使其成为我 国铁路客运的主力军。预计到2 0 2 0 年，我国高速铁路网的总长度将达到5 万公 里以上，连接所有省会城市和部分大中城市，覆盖总人口将到达全国总人口的 9 0 以上，届时，我国将全面建成高速铁路网。 最高时速可以达到3 6 0 公里，平均时速在2 5 0 公里到3 0 0 公里之间的高速 铁路对无线通信网络的兼容性和抗多普勒性能无疑提出了更高的要求，于是如 何保证在高铁环境中保证无线通信质量成为了当今各大企业和科研单位的热门 研究课题，同样在高速铁路中，l t e 无线通信网络也面临着这些的课题，因此非 常有必要在高速场景中对l t e 网络进行探索和优化，与时俱进，精益求精，以 便更好的服务广大人民群众。 1 2 研究现状 l t e 系统在网络小区内要满足高速移动的要求，在移动速度为0 到1 5k m h 时，网络性能应该非常完美，在较高的移动速度1 5 到1 2 0k m h 时，也应该有着 非常高的网络性能，即使在小区内的移动速到达到了1 2 0k m h 到3 5 0k r n h ( 根 据频率带宽情况甚至达到5 0 0k m h ) ，网络的接入和链接也能够正常进行，并且 武汉理工大学硕士学位论文 得到维持。 当移动速度大于2 5 0k m h 时是一种比较特殊的场景，比如高铁环境，因此 就需要提出新的信道模型和解决方案。对于物理层的参数来讲，即使达到3 5 0 k m h 甚至根据带宽情况达到了5 0 0k m h ，网络的链接依然应该维持【l j 。 在物理随机接入信道( p r a c h ，p h y s i c a lr a n d a c c e s sc h a n n e l ) 中，由试图 接入系统的用户通过p r a c h 发射一个z a d o f f - c h u ( z c ) 序列前导，通过不同 循环移位产生的z c 序列前导用于不同用户。由于z c 序列具有完美的自相关和 互相关特性，接收机可以通过一个简单的基于相关检测的方法来找到对应的接 入用户。 在随机接入前导的测量系统设计中，最重要的问题是保证测量概率和虚警 概率前提下使系统设计简单，同时尽可能的在低信噪比条件下，捕获接入用户。 l t e 随机接入前导信号的测量要解决的是在加性高斯白噪声背景中，经过多径传 播的频率选择性衰落信号的检测问题，但是在高铁信道中又必须考虑到信道快 速衰落、频率偏移的影响，因此又是一些新的研究课题。 在以往的r a n l 会议上，各大公司都对随机接入序列z a d o f f - c h u ( z c ) 序 列受多普勒频移的影响已经进行了多次讨论，结果显示多普勒频移造成相关峰 值测漏形成边峰，使得接收端的检测性能受到严重影响，虚警概率上升【2 】。 在阂值设定方面给，诺西、阿尔卡特朗讯给出了一种阂值设定的算法是根 据目标虚警概率p 危( ) 来推导计算最大噪声以此作为检测阈值一0 1 【4 1 】：当发 射端不发射信号时，接收端的信号是高斯白噪声，相关、d f t i d f t 均不会影响 高斯白噪声的数学特性，武汉理工李平安教授又在这个理论的基础上，提出了 提出了一种简单有效的l t e 随机接入前导检测系统，采用信号预处理和噪声平 滑操作使检测系统适合低信噪比背景下的前导测量，使用降采样技术和频域计 算相关的方法来降低计算复杂性【4 2 1 ，这些算法在普通场景下，在低信噪比的情 况下都可以实现良好的性能，但是在高速信道中快速衰落和高频偏的信道条件 下就失去了原有功能。 在3 g p pr a n l # 4 7 会议上阿尔卡特提出了o 8 m s 长度的z c 序列在高速场 景中的检测性能不好，可以直接把z c 序列的长度减小，并且进行重复一次发送 以提高性能适应高速场景的提案f 2 】，三星、华为、l g 电子f 3 2 】【3 3 】f 3 4 1 又得出如果 z c 序列在频域进行调制，则对频率偏移十分的敏感，并提出了在发射端对z c 序列的循环移位进行限制的方法消除由于频偏引起的性能下降，但是，对于随机 2 武汉理工大学硕士学位论文 接入序列的类型，传输参数和发送结构都没有达成一致f 3 】。 1 3l t e 关键技术 本文主要是从物理层的角度去优化l t e 算法，因此在此仅描述物理层的两 个关键技术： ( 1 ) 多载波方案 l t e 无线通信系统根据上下行链路的不同业务需求和不同承载能力，在上行 使用了s c f d m a ( s i n g l ec a r d e rf d m a ) 的多址接入技术，而下行则使用了 o f d m 的多址接入技术( 正交频分复用，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 1 4 。 在2 g 中普遍使用的传统的频分多址技术( f d m a ) ，将频带划分为多个子 带将多用户复用并行传输，为了抑制干扰相邻用户频带之间保留一定的频带保 护，提高传输质量和速率，但是频谱利用率却很低1 5 j 。 近几年o f d m 技术飞速发展，以及在硬件实现中f f t 计算的普遍使用，使 得正交频分多址技术广泛运用于无线通信之中，其各个子载波紧密相连，重叠 排列但又保持正交，与传统f d m a 相比无疑就使得频谱利用率大为提高，o f d m 和s c f m d a 的优势有如下几条【6 j ： 1 ) 对抗时间弥散无线信道的健壮性。由于把带宽传输信号细分为多个窄带 子载波，从而使得符间干扰能够主要限制在每个符号的保护带内。 2 ) 将较宽频带划分为很多微小的子载波，o f d m 系统的信号带宽可以通过 调整子载波的个数进行灵活改变，并且可以根据调度分配给不同的用户； 3 ) 加入c p 后能够有效对抗多径效应，可以在频域上使用单抽头对信号进 行均衡，使得接收机均衡复杂度大为降低。 由于o f d m 有较高的p a p r ，终端用户较多时，如果使用o f d m 会使基站接 收端的抗p a p r 要求升高，复杂度提高，而s c f d m a 相对于o f d m 具有较低 的p a p r ，u e 上行用户使用s c f d m a l 7 1 。s c f d m a 的频域方式如图1 一l 。 此外基于o f d m 的特征，上行用户发送数据的时候可以在频域上通过集中 式和分布式两种分布方式进行发送，集中式的分布方式可以较简单的进行均衡， 有效的对抗频率偏移，但是不能实现频域的分集；分布式可以实现用户在频域 的分集，但是受频偏影响比较严重，多用户干扰也比较大。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) m i m o 技术 随着多天线技术的应用，理论上可实现频谱效率随所装备的接收和发送天 线数中的最小数呈线性增长，至少在适当的天线传播条件下可以达到，因此l t e 系统中使用了多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术 1 2 1 1 3 】【1 4 1 ，以满足在数据传输速率和信道容量的更高要求【羽。 1 ) 空间复用。利用空间信道的弱相关性，在可用天线组合所建立的多重空 间层上，将多个信号流传输给单个用户。每个信号流传输不通的数据，多个信 号流并行传输，从而提高了传输速率，主要运用在下行链路当中，在l t e 中的 基本天线配置是2 x 2 。 频率 频率 ，一、 一 厂、 频率 图1 1 多址方案的频域实现 ( 2 ) 传输分集，多个天线的数据流传输相同数据，利用多天线提供的空间 分集改善多径衰落情况下传输的健壮性，也是利用空间信道的弱相关性来实现 的，在l t e 中的基本天线配置是2 x 2 ，l t e 中使用的分集技术有空时编码( s t c ) 、 循环延时分集( c d d ) 等。 ( 3 ) 波束赋形，基于小间距天线阵列中空间信道的强相关性，使能量集中 在一个或多个特定方向，也可以为在不同方向的多个用户同时提供业务( 多用 户m i m o ) ，可以提高系统容量和覆盖范围。 ( 4 ) 上行m i m o 技术，目前由于终端复杂度的技术瓶颈，只支持单天线系 统，不过可以多个用户在相同的时频域资源上发送数据流，在接收端可以看做 是同一个终端不同天线上的数据流，在接收端可以通过信道的弱相关性区分出 4 武汉理工大学硕士学位论文 不同用户的信息，从而构成m u m i m o 系统，即多用户虚拟m i m o ，根据多天 线系统原理，该系统可以获得更大的分集增益，并且提高系统容量。 1 4 课题研究意义 u e 若想进行上行链路的传输，前提是必须获得上行时间同步，而几大物理 信道之一的p r a c h 在l t e 系统中作为u e 随机接入网络的接口，是u e 获取时 间同步的管道，在l t e 系统中有着举足轻重的地位。 因此在高速场景中能否实现系统的要求，随机接入的成功与否、性能的好 坏影响整个物理层和高层调度接下来的工作，此外，普通场景( 中低速模型) 下的随机接入信道结构、算法在高速场景下的性能将严重下降，直至完全失去 功能，所以研究高速场景对随机接入的影响，以此为基础提出适应高速场景的 随机接入算法是满足l t e 性能的必然要求，具有十分重要的研究意义。 1 5 论文内容及章节安排 本课题的目的是在高速环境中提高l t e 随机接入信道的接入性能，主要的研 究线路和工作是：首先根据l t e 协议和理论要求对p r a c h 链路进行仿真搭建， 然后结合l t e 协议参数对高速信道进行建模，结合这两者对高速场景对随机接入 性能的影响进行研究，分析原因，并且针对这些影响在发射端和接收端提出算 法改进，消除高速信道的快速衰落和多普勒频移等因素的影响，使得接收端检 测性能提高，并且通过仿真实验验证性能。 第一章绪论主要介绍了l t e 的发展现状，并且介绍了我国高铁的发展前景， 提出了目前以及未来l t e 的发展要满足高铁发展的需求，因此也就引出了本文 的研究意义，此外还介绍了l t e 物理层的关键技术，最后简要介绍了本文的基 本结构和主要内容。 第二章l t e 随机接入过程的研究，介绍了随机接入的需求场景和过程，然后 根据设计原理和实际应用两个方面对p r a c h 基带信号的产生和p r a c h 的时频 域映射进行了设计和仿真。 第三章高速信道原理与建模，重点介绍了高速信道模型的建模方法，给出了 多普勒频谱的分析原理，然后结合协议进行l t e 高铁信道的仿真，并且进行性 能分析。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第四章高速信道下的随机接入检测研究，在以上两章p r a c h 链路模型和高 铁模型的基础上，将二者融合，深入的研究了高速信道模型对随机接入性能的 影响，包括快速衰落和频率偏移的影响，在此基础了提出了新的阈值设定算法 对抗快速衰落，以及在发射端限制循环移位集合的算法消除频率偏移的影响， 最后对性能进行了仿真实验。 第五章总结与展望，回顾了本文的主要工作，也总结了本文中提出的若干 方案中的不足，对于以后的发展与改进进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章l t e 随机接入过程的研究 u e 若想进行上行链路的传输，前提是必须获得上行时间同步，而物理信道 之一的p r a c h 在l t e 系统中作为u e 随机接入网络的接口，是u e 获取时间同 步的管道，在l t e 系统中有着举足轻重的地位。 本章详细描述l t ep r a c h 的主要作用、解释物理层随机接入信道的设计原 理以及u e 端信号的产生方式。 2 1l t e 随机接入的使用场景 l t e 通过p r a c h 初始化网络接入，但用户数据通过专门的物理上行共享信 道( p u s c h ) 传输，p r a c h 上不承载任何用户数据。l t e 的随机接入信道主要 用于那些还未得到或者已经失去上行同步的用户实现上行定时同步。旦用户 完成上行同步，e n o d eb 可为它调度上行正交同步资源。 因此，p r a c h 使用场景主要有如下几种l lo j ： ( 1 ) r r cc o n n e c t e d 状态下的u e ，由于某件时间触发，需要发送新的 上行数据和控制信息( 如一个事件触发的测量报告) ，但此时并未获得上行同步， ( 2 ) r r cc o n n e c t e d 状态下的u e ，需要接收新的下行数据，并且传输 相应的a c k n a c k ，但此时还并未取得上行同步， ( 3 ) r r cc o n n e c t e d 状态下的u e ，处于从正在服务的小区到目标小区 的切换状态。 ( 4 ) 从r r ci d l e 到r r cc o n n e c t e d 状态的转换，比如初始接入或跟 踪区域更新。 ( 5 ) 从无线链接失败状态下恢复。 2 2 随机接入过程 l t e 随机接入过程有两种模式，即允许“基于竞争”的接入( 隐含内在的冲突 风险) 或t 非竞争，的接入【1 1 】。 当u e 初始化时，u e 随机的选择接入序列进行发送，结果存在多u e 同时 7 武汉理工大学硕士学位论文 传输相同接入序列的可能性，因此该过程是基于竞争的随机接入过程，这导致 需要确定后续竞争解决方案流程。 对于情形( 2 ) ( 新的下行数据需求) 和( 3 ) ( 小区切换) ，e n o d eb 通过对 u e 分配专门的接入序列避免竞争，所以使用非竞争的接入。因此6 4 个r a p r e a m b l e 被分成了a 、b 两组，其中a 组中n 个r ap r e a m b l e 用于基于竞争的 随机接入，另外6 4 - n 个r a p r e a m b l e 分到b 组，用于非竞争接入。 ( 1 ) 基于竞争的随机接入过程： u ee n b g p b c hp 8 5 8 8 5 下行同步 i m s g l ：r a 前导 卜、 上 l 检测p r e a m b l el 刀 m s g 2 ：r a r li n d e x ，估算t a 上 t a 调整 i m s g 3 ：l 2 l 3 消息 卜 卅 m s g 4 ：竞争解决消息 j 图2 1 基于竞争的随机接入过程 步骤o ： u e 进行小区搜索，获取接入信息进行初始化； u e 首先进行小区搜索，通过读取小区广播信道( p b c h ) 和下行控制信道 ( p d c c h ) 承载的系统信息块，获得该小区的系统级参数和随机接入参数，从 而实现下行同步，随后，随机接入过程将由p d c c h 承载的d c i 或m a c 层触发， 具体参数如下表所示： 步骤1 ： 用于p r a c h 基于竞争的接入序列又被细分成了两组，广播信道系统信息标 识了两个子组各包含哪些序列。u e 根据当前无线信道情况和接入需求从子组中 选择一个r ap r e a m b l e ，这个序列在发送时携带6 b i t 的信息，包括u ei d 、随机 接入原因、在步骤3 中传输信息的传输资源总量信息和优先级等控制信息； 步骤2 ： 当接收端e n o d eb 检测出r ap r e a m b l e 后，在物理下行共享信道( p d s c h ) 上发送随机接入响应( r a r ) ，这其中包括检测到的随机接入序列标识( 廿i d ) 、 8 武汉理工大学硕士学位论文 随机接入无线网络临时标识( r a i 斟t i ) 和时间定时指令( t a ) ；同时在下行控 制信道( p d c c h ) 上传输u lg r a n t ，指示下一步使用的时频传输资源块。 t a 用于同步来自u e 的上行传输定时对齐，r a r n t i 用于识别检测接入序 列的时频时隙，将在共享信道上传输的r a r 和在控制信道上传输的控制信息用 进行加扰，计算方法为： r a r n t i = l + f 一埘+ l o 厂一耐 ( 2 - 1 ) 其中，d 是随机接入信道所占用子帧( s u b f r a m e ) 的索引号( 0 5 ，i d 1 0 ) i 厂耐是随机接入信道频域起始位置索引。 u e 发送随机接入序列后在一个时间窗内等待接受r a r 。e n o d eb 设置时间 窗的起始时间和结束时间，并在小区内作为部分特定的系统信息进行广播。协 议规定了最早的时间窗的起始位置为发送p r a c h 后2 m s ，但是典型的情况是在 4 m s 后能收到r a r 。下图为r a r ，包含了在p u s c h 传输的m s g 2 和在p d c c h 上传 输的u l g r a n t 。 卜l m s 一 随机接入响应窗 图2 2随机接入响应( r a r ) 窗的校正时间 如果r a r 没能在设置的时间窗内到达u e ，或者u e 不能正确接受r a r ， u e 将会在时间窗的结尾开始，重新发送随机接入序列，重传的最小时延为3 m s 。 此外，可以通过e n o d eb 设置将每个重传的随机接入序列的传输功率按照固 定的步长增加，使得发射功率爬升。 步骤3 ： 发送m e g 3 ，u e 通过r a r n t i 对共享信道和控制信道上的信息进行解扰， 得到m e g 2 ，读取r a r 信息，如果得到的r a p i d 与u e 本身的i d 是一致的， 则通过t a 调整发射时间实现上行同步，根据u l g r a n t 指定的时频资源发送 m e g 3 ，请求r r c 连接；但通过比较后验证不一致，则表明该u e 发送的随机 接入没能得到响应，因而要重新发起随机接入。 如果在步骤1 中选取随机接入序列的时候发生冲突( 即在相同的时频资源 内发送了相同的序列) ，则发生冲突的多个u e 会从r a r 中收到相同的c - r n t i ， 进而会在相同的时频资源内发送m e g 3 ，这样就造成干扰，使得冲突的u e 不能 9 武汉理工大学硕士学位论文 解码，因此要在接下来的步骤4 中的下行消息解决这个竞争。 m s g 3 是在当p u s c h 被首次调度的时候在该信道传输，为了确保该信息准 确无误的传输，使用了混合自动重传请求( h a r q ) 机制，但也设置了一个重传 上限，当解码失败的l y e 达到h a r q 重发上限次数后，则会停止重传，停等一 个随机时间后，重新发起一个随机接入过程。 步骤4 ： e n o d eb 收到多个用户的m s g 3 后，发送m s g 4 ，在m s g 4 中携带该u e 的 r a p i d 和c r n t i 。因此u e 收到竞争解决消息后，会做出三种选择处理。 1 ) u e 正确解码消息，并检测到自己的标识；反馈一个肯定的确认a c k 。 2 ) u e 对消息正确解码，但发现消息中包含其他u e 标识：不反馈信息，准 备下一个随机接入过程。 3 ) u e 对消息解码失败，或漏掉了下行准许信号：不反馈信息。 ( 2 ) 非竞争的随机接入过程： u e e n b m b c i o ：k a i u 寻万配 l p r a c l l 可能的两个d 置 一 图2 4p u c c h 、p u s c h 和p r a c h 复用图 如图2 4 所示，p r a c h 的时频资源嵌入到了p u s c h 的资源范围内，属于半 静态调度，并且具有周期性。由e n o d eb 决定是否在p r a c h 的时隙内对p u s c h 进行调度。p u c c h 则分布在p r a c h 和p u s c h 频域的边缘。 在频域上，l t e 系统中的p r a c h 占用6 个连续的r b ，占用1 0 8 m h z 的频 带，在l t e 上行s c f d m a 中一般信道频域子载波间隔是1 5 k h z ，但是p r a c h 是一个特例，其子载波间隔是1 2 5 k h z ，因此6 个连续的r b 对应6 * 1 2 1 2 = 8 6 4 个子载波1 1 2 j ，如图2 5 所示。 1 5 k = 1 z 5 k 木l z 每个子载波为 1 2 5 k 图2 5p r a c h 频域结构 由于随机接入信道和其他信道的数据没有相同的长度，因此无法完全对齐， 这就造成了它们之间不能有严格的正交关系。但是，只要尽可能的使随机接入 信道的长度为p u s c h 长度的整数倍，这就能使两者近似正交。所以，在时间长 度为8 0 0 u s ，频宽为6 个i m ( 7 2 个子载波) 的随机接入序列，其长度为7 2 1 2 = 8 6 4 ， 为了满足z c 序列长度为素数的要求，选定小于8 6 4 的最大质数为8 3 9 ，其余载 波作为两侧的保护【i3 1 。 l t e 的随机接入序列是一个包含c p ( 循环前缀) 的o f d m 复数序列，即将 武汉理工大学硕士学位论文 接入序列的尾部添加到序列的最前端，这样就允许一个周期的相关性，在e n o d e b 可以利用高效的o f d m 频域接收机。 接入序列的长度小于p r a c h 的时隙长度，因而序列与序列之间有一段保护 间隔( g t ) ，可以用来抵消传播时延。图2 6 显示了由于不同的传输时延，在e n o d e b 上接收到两个不同时序的接入序列；如果没有时延的话，e n o d eb 把接入序列 当做一个常规的o f d m 符号，在一个观察间隔内将接入序列提取出来。而对于 另一个有时延的序列，在一个观察间隔内具有周期相关性f 1 4 1 。 靠近基站 的u e 随机接入时隙间隔 堕垫堡垒壁型 图2 - 6e n o d eb 接收到的没有延时和有延时随机接入序列示意图 表2 1r a c h 参数 序列循环前缀 序列长度 保护间隔 格式长度长度 使用环境 l m s r a ，包含8 0 0u s 序列，对应 0 3 1 6 8 嚣2 4 5 7 6 墨 2 9 7 6 r s 最大时延为6 2 5 u s ，最大半径为 1 4 k m 的中小型小区 2 m s r a ，包含8 0 0u s 序列，对应 1 2 1 0 2 4 五2 4 5 7 6 五1 5 8 4 0 乃 最大时延为1 6 6 7u s ，最大半径为 7 7 k m 的大型小区 2 m s r a ，包含1 6 0 0u s 序列，对应 2 6 2 4 0 乃2 * 2 4 5 7 6 五6 0 4 8 乃 最大时延为6 2 5u s ，最大半径为 2 9 k m 的中型小区 3 m s r a ，包含1 6 0 0u s 序列，对应 3 2 1 0 2 4 五2 * 2 4 5 7 6 五2 1 9 8 4 五 最大时延为1 6 6 7u s ，最大半径为 1 0 0 k m 的超大型小区 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 这些持续时间的选择依据主要有以下几种原因： ( 1 ) 序列的持续时间： 1 ) 为了使满足正交的接入序列个数最大化，序列长度要尽可能长，但同时 又要保证随机接入占用的时频资源开销尽量要小，因此必须平衡长度和开销， 达到最优值。 2 ) 要考虑到预期的最大时延，并与之兼容。最大往返时延，即最大半径 ( 1 0 0 k m ) 的小区边缘的u e ，序列长度的最小值必须兼容大小区的最大时延， 即1 6 6 7 u s 则序列持续时间满足以下条件【1 5 】： 确i 2 0 0 矿x 1 0 s + 1 6 6 7 x 1 0 r 6 = 6 8 3 3 3 x l 旷 ( 2 - 2 ) 3 ) 此外，上行使用的是s c f d m a ，因此受到该信号的产生规则限制，使 得生成该信号所用的d f t 和i d f t 的大小n d f t 必须是整数，即满足： 孵= z = 乜后 ( 2 - 3 ) 另外，如果p u s c h 的子载波间隔鲈是p r a c h 子载波虮的整数倍时，可 使随机接入序列的子载波与复用的上行共享信道的子载波之间的正交性最大 化。即 2 忐2 壶= 去2 匆挺 协4 ， 由上公式可以得出 砀= 后= 歹k ，后 ( 2 - 5 ) 其中，为上行传输符号的时间长度，值为6 6 6 7 u s 。由上式可以得知， 与频域对应的时域上，接入序列的持续时间只要是上行传输符号时间的整数倍 即可将接入序列和复用的p u s c h 的正交性降到最小。 4 ) 考虑到小区覆盖的影响。较长的序列能收起到较好的覆盖范围，但是同 样需要较长的循环前缀和保护间隔来抵消更大的往返时延。 武汉理工大学硕士学位论文 l m s 的随机接入序列可覆盖的小区半径为1 4 k r n ，为抵消往返的最大时延所 需要的c p ( 循环前缀) 和g t ( 保护间隔) 的长度为( 2 1 4 0 0 0 ) “3 1 08 ) = 9 3 3 ， 由此得出： 1 0 0 0 2 x 9 3 3 3 = 8 1 3 i s ( 2 6 ) 因此适用于格式0 和格式1 ，且符合式1 、式2 和式3 条件的随机接入序列 的最大长度为磊旷8 0 0 ，对应p r a c h 的子载波间隔为鲈= 1 确= 1 2 5 。对于 格式2 和格式3 的随机接入序列，其长度为1 6 0 0 u s ，则可以通过将8 0 0 u s 的基准 续写重复来实现覆盖性能。 ( 2 ) c p ( 循环前缀) g t ( 保护间隔) 的持续时间： 在序列的长度确定之后，c p 和g t 的长度便可以更为精确的得出。 对于格式0 和格式2 ，对应环境中的小区最大时延d 5 2 , u s ，c p 的尺寸为 乙= ( ( 1 0 0 0 一8 0 0 ) 2 + d 2 ) 肛，在c p 末端，保护周期的大小为最大时延值， 来保护覆盖小区边缘的u e ，防止多径干扰。 对于格式1 和格式3 ，对应环境中的小区半径为1 0 0 k m ，最大时延 d 1 6 6 7 t s ，用同样的方法可以得出c p 和g t 的持续时间，在l t e 中，c p 的 长度设计为系统采样周期的整数倍，互= 1 3 0 7 2 p ，如下表所示，描述了4 种 随机接入序列c p 和g t 的长度以及对应的小区半径和最大时延【l 5 1 。 表2 2 不同格式p r a c h 序列的长度和所支持的小区半径、最大时延【1 6 】 c p 长度g t 长度 序列分配子 最大时最大小 格式帧数量 的倍数z 的倍数 延扩展区半径 ( t s ) ( k m ) , a s z 磷 z o11 0 3 1 3 3 1 6 89 6 8 82 9 7 66 2 5 1 4 5 3 126 8 4 3 82 1 0 2 45 1 5 6 31 5 8 4 01 6 6 77 7 3 4 222 0 3 1 3 6 2 4 01 9 6 8 8 6 0 4 86 2 52 9 5 3 336 8 4 3 82 1 0 2 47 1 5 6 32 1 9 8 41 6 6 71 0 0 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 敞i 区捌眦嘲，卜_ 塑一 最大的小区往返时问( 2 倍的半径距离) 卜- + | o 匿羹霹圆濯豳嚣跚 匦蓥委噩羹羹圈鳃弱塞隘豳霆匾二二j 。匿委翟陵霹圈濯圈霾圆匿鼹霞霾霞匿图匕 巨_ = 1 ；：_ ； _ ：“曩誊葭：隧麟嬲黼鞘熬巍黧黼戳麟麓戮瓣骥 图2 7 随机接入序列不同格式的长度 p r a c h 在不同的负载和不同的格式的时候，其时隙周期需要占用一个或多 个的随机接入资源。为了使随机接入过程中的m s g 2 能够在要求的时间窗内接 收到，e n o d eb 必须尽可能快的处理p r a c h 。 因此，为了防止有p r a c h 周期多于一个p r a c h 配置资源的情况发生，就 在时域中复用p r a c h 资源而非在频域上复用，这样做的目的可以避免处理 e n o d eb 上的峰值。 根据不同的系统带宽和负载情形，p r a c h 的资源不同也有所不同。当系统 的带宽较小时，如1 4 m ，此时系统的负载也比较小，整个系统也只有6 个r b 的带宽，此时随机接入的资源可以全部占用6 个r b ，其他控制信息、上行数据 都不发送。但是，此时如果连续在满带宽发送随机接入序列将会影响整个系统 的吞吐量，也使得其他u e 的通信质量受到干扰。 因此，在时间上采用2 0 m s 周期发送随机接入序列的方法，既做到了保证整 个系统中u e 的通信质量，也保证了系统的随机接入的成功率。在以上的原则的 基础之上，对p r a c h 的时隙设置了1 6 种不同布局的配置，如图2 8 所示。 当l t e 的系统带宽为2 0 m h z 的时候，有1 0 0 个r b 可以用于调度满足较大 系统负载情况下的资源配置。当然在系统负载很大的情况下，随机接入的需求 量也相应增加，根据系统频域资源分配，p r a c h 仅占用6 个连续的r b ，其他 的控制信息和用户传输的数据可以在另外的9 4 个r b 上承载，连续的发送随机 接入请求对系统内的通信质量和吞吐量的影响非常微小。因此为了满足随机接 入需求的增加，采用5 m s 、2 m s 和l m s 较小的发送周期来循环发送随机接入序 列【1 7 】。 以格式0 的随机接入序列为例，资源配置0 2 和1 5 使用2 0 m s 的p r a c h 周期，窄带情况下药通过等待较长的时间来减少系统开销。在3 小区的场景中， 武汉理工大学硕士学位论文 除了2 0 m h z 的情况下，p r a c h 资源的时间冲突总是可以避免的，而2 0 m h z 情 况在相同子帧中会发生冲突，可以最小化至两个p r a c h 资源周期内。同时要特 别注意的是，每个e n o d eb 包含6 个小区时，在低于2 0 m h z 带宽的同一子帧内， 最多存在两个p r a c h 资源。 但需要特别指出的是，格式o 随机接入序列仅占一个时隙，因此适用1 2 、 1 3 和1 4 的资源配置方式；格式1 、2 和3 的随机接入序列占用2 个或者3 个时 隙，因此1 6 种资源配置中的1 2 、1 3 和1 4 方式就不能使用了。 子帧号 0l2 3 4 5 6 7 8 9 0l2 3 4 5 6 7 8 9 i iliiliilillllii ii il l llll lllil illlj liiilii iilliiill l ull juj ll j l j l jl u1i l jl jul j l jui ul juj uul ju l j i ui ui l ji ui ll l jl ui ul l j ui ul _ lli ui i l j l ll l j lj u i _ 一i l j i l l ui i i li j l 一一一j l 一 01234 5 6 7 8 9 012 34 5 678 9 子帧号 1 4 删z 。 4 d , 区 【1 0 m h z ，3 产小区 j ) 1 5 k l - i z , ：3 m h 筝z , 图2 8 格式o 随机接入序列的资源配置示意图 1 6 絮区 吾垂r j 腿o 。 2 坫 3 4 5 6 7 8 9 m n 屹 n m 武汉理工大学硕士学位论文 2 4l t e 随机接入信号分析与产生 p r a c h 接入序列信号s ( t ) 可以定义如下【1 8 】： j ( f ) ：风一等1 岁“( 拧) p _ j 2 岷j m k m 石+ 慨) ( 2 - 7 )j ( f ) = 风a c h 艺艺屯，( 拧) p “托p m ( “雕( 州慨( 卜嘞) ) 其中，0 f + ，凹是一个幅度放大因子， k o = ，铭蠼一皑u l 。v r b 2 。根据高层设定，频域中的位置由参数镒控制，且布 满了o ，骺心一6 资源块。因子k = 矽观说