（通信与信息系统专业论文）ltefdd的随机接入检测算法的研究和prach仿真模型设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 l t e - f d d 的随机接入检测算法的研究和p r a c h 仿真模型设计 摘要 无线互联网的蓬勃发展、智能手机的全面普及以及移动通讯用户数量的急剧增 加，伎现有3 g ( 第三代移动通信技术，t h e3 r dg e n e r a t i o nt e l e c o m m u n i c a t i o n ) 网络越 来越无法满足用户对更高速率数据业务的渴求，于是l t e ( 长期演进，l o n gt e r m e v o l u t i o n ) 技术应运而生。l t e 的出现给无线通信市场带了新的前景，其时延低、传输 速率高、频谱可配置、移动性能好等诸多优点广泛的受到了世界范围内大多数运营商的 垂青。 本论文主要针对l t e 的f d d ( 频分双工，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 模式的随机 接入过程进行了深入研究。首先分析介绍了l t e 技术产生的背景、l t e 系统的需求以 及l t e 的技术优势。随后概述了随机接入的概念、随机接入的目的和以往通讯制式随 机接入的原理，并详细说明了l t e 随机接入的分类和用途。紧接着对应l t e f d d 的 p r a c h ( 物理随机接入信道，p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l ) 发射端详细阐述了其随 机接入信号的产生过程；对应于l t e f d d 面临的多径衰落信道条件设计出了逼真的用 于l t e 信号传输的瑞利衰落信道模型；针对于l t e f d dp r a c h 的接收端，分析了如 何对前导序列进行接收和检测，尤其对受到多普勒频移影响而产生的“伪峰”信号提出了 合理的处理办法，同时对峰值检测的固定门限方法进行了改进，提出了半动态的门限检 测算法。除了上述贡献，针对发射、信道和接收三个部分在m a t l a b ( 矩阵实验室， m a t r i xl a b o r a t o r y ) 环境下设计出整个系统模型，此模型严格的符合3 g p p ( 笫三代合作 伙伴项目，t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 对l t e f d d 的定义，且各系统参数可 自由配置。论文最后在此模型的基础上按照l t e f d d 的测试要求，采用不同的配置参 数对p r a c h 系统进行了最全面的仿真，验证了信号产生模块、信道设计以及接收检测 模块的可靠性，同时还仿真对比了半动态门限检测算法与固定门限方法的性能。 结果表明，所设计的l t e f d dp r a c h 的仿真模型，尤其其中的瑞利衰落信道模 型，对现实中e n b ( 演进型节点b ，e v o l v e dn o d eb ) 基站的设计有着非常重要的指导 意义，能够有效的缩短设计和调试周期；同时半动态门限检测算法能够有效的提高 p r a c h 信号的检测性能。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：l t e 频分双工，p r a c h ，瑞利衰落信道模型，半动态门限算法，相关检测 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo fr a n d o m a c c e s sp r e a m b l ed e t e c t i o no fl t e f d da n d d e s i g no fl t e f d dp r a c h s i mu l a t i o nm o d e l a b s t r a c t t h eb o o m i n gd e v e l o p m e n to fw i r e l e s si n t e r n e t ，t h ep o p u l a r i z a t i o no fs m a r t p h o n ea n dt h ed r a m a t i c a l l yi n c r e a s e dn u m b e ro f c e l lp h o n eu s e r s ，m a k i n gt h e e x i s t i n g3 gn e t w o r km o r ea n dm o r e c a n ts a t i s f yu s e r s n e e do fh i g h e rd a t ar a t e s e r v i c e s s ol t et e c h n o l o g ya r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n t l t e i sb r i n g i n gn e w p r o s p e c t st ot h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm a r k e t ，i t sa d v a n t a g e so ft h el o w e r d e l a y ，t h eh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e ，t h ec o n f i g u r a b l es p e c t r u m a n dt h eg o o d m o b i l ep e r f o r m a n c e ，a t t r a c t e dt h em o s to ft h ew o r l d st e l e c o mo p e r a t o r s i nt h i st h e s i st h er a n d o ma c c e s sp r o c e s so f t h ef r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x m o d eo fl t ew e r ed e e ps t u d i e d a tf i r s tt h eb a c k g r o u n do f l t et e c h n o l o g y ，t h e d e m a n d sa n dt h ea d v a n t a g e so fl t ew e r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d t h e nt h e c o n c e p t i o no fr a n d o ma c c e s s ，t h ep u r p o s eo f r a n d o ma c c e s sa n dt h ep r i n c i p l e so f p a s tc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s w e r es u m m a r i z e d ，a n dt h ec l a s s i f i c a t i o na n du s e s o fl t er a n d o ma c c e s sa n dw e r ed e t a i l e d f o l l o w i n gt h ep r a c h ( p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l ) s i g n a lg e n e r a t i o n p r o g r e s so fl t e f d d i se l a b o r a t e d ；c o r r e s p o n d i n gt ot h ec h a n n e lc o n d i t i o n so f l t e f d dt h el t er a l e i g hf a d i n gc h a n n e li sd e s i g n e d ；b a s e do nt h er e c e i v e ro f l t e f d dp r a c h ，t h et e s t i n gm e t h o do fp r e a m b l es e q u e n c e ，a n dt h eh a n d l i n g m e t h o do ft h e “p s e u d op e a k c a u s e db yd o p p l e rf r e q u e n c ys h i f tw e r ep u t i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 f o r w a r d a tt h es a m et i m et h es e m i d y n a m i ct h r e s h o l dp e a kd e t e c t i o nm e t h o d w a sg i v e nt oi m p r o v ef i x t h r e s h o l dm e t h o d b e s i d e st h ea b o v ec o n t r i b u t i o n ，t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lm a d eu pb y t r a n s m i t t e r , r e c e i v e ra n dc h a n n e l ，w h i c hi ss t r i c t l ya c c o r d i n gt ot h e3 g p p s d e f i n i t i o na n dw h o s es y s t e mp a r a m e t e rc a nb ec o n f i g u r e df l e e ，w a sd e s i g n e di n t h em a t l a be n v i r o n m e n t f i n a l l yi nt h i st h e s i st h em o s tc o m p r e h e n s i v e p r a c h s y s t e mw a ss i m u l a t e da c c o r d i n gt ot h el t e f d dt e s t i n gr e q u i r e m e n t u s i n g d i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r st op r o v et h er e l i a b i l i t i e so fs i g n a l g e n e r a t i o nm o d u l e ，t h ed e s i g n e dc h a n n e la n dd e t e c t i o nr e c e i v e rm o d u l e a tt h e s a m et i m et h e s e m i d y n a m i c t h r e s h o l dd e t e c t i o n a l g o r i t h m a n dt h e f i x e d t h r e s h o l dm e t h o dw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ed e s i g no fl t e f d dp r a c hs i m u la t i o nm o d e l ， e s p e c i a l l yr a l e i g hf a d i n gc h a n n e lm o d e l ，h a si m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n tf o r d e s i g n i n gt h ee n b b a s es t a t i o n i tc a nh e l pt h ee n g i n e e r ss h o r t e nt h ed e s i g na n d c o m m i s s i o n i n gp e r i o d t h es e m i d y n a m i ct h r e s h o l dd e t e c t i o na l g o r i t h mc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo fp r a c hs i g n a l k e yw o r d s ： l t e f d d ，p r a c h ，r a y l e i g h f a d i n gc h a n n e l ， s e m i d y n a m i ct h r e s h o l da l g o r i t h m ，p r e a m b l ed e t e c t i o n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1l t e 系统概述 1 1 】l t e 的产生和发展 第一章绪论 在最近2 0 年里，世界无线通信技术的发展经历了一个极其快速的、爆炸式的增长 过程，这种增长不光体现在用户数量的急剧增加，同时也体现在移动技术的高速发展和 服务质量的极大提升上。如果一定要将无线通信技术的发展历史进行“朝代”划分的话， 那么其大致可以分为3 个时代：第一代主要是以我们所熟悉的“大哥大”为代表的模拟移 动网络，它首先诞生于美国久负盛名的贝尔实验室，首次采用了一直沿用至今的“蜂窝 移动网”的概念，其主要的业务类型为以模拟信号为载体的语音通话业务；第二代无线 通信技术在第一代的基础上采用了抗干扰能力更强、信息速率更高和信道容量更大的数 字信号，初期主要以数字语音业务为主，中期在提高语音通话质量的同时加入了对分组 数据业务的支持，而后期对原有的数据业务进行了增强，提升了数据传输的速率，这两 个时期可以理解为第二代移动通信技术向第三代演进的“2 5 代”和“2 7 5 代”时期；第三 代无线通信技术依然以数字语音和数据业务为主，增加了对视频通话的支持，而且其数 据速率大幅度提升，已经逼近甚至超过了某些家庭固定宽带的数据速率，这就是目前广 为人知的普及率很高的“3 g 网络”。 现在的高速分组接入网络，以w c d m a ( 宽带码分多址移动通信系统，w i d e b a n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 为例，在其不断的演进和网络优化下，当其发展到“h s p a + ( 演进式高速分组接入，h i g hs p e e dp a c k e t a c c e s sp l u s ) ”的时候其下行的峰值速率甚至 已经达到1 4 4 m b p s ，但是面对如今动辄数十g b 的高清电影、需要极高带宽的高清视 频通话等在线应用时，其带宽就显得捉襟见肘；而且该系统各层面之间的网络延迟相对 于固定宽带接入较高，已经很难满足当前在线游戏业务对低延迟的需求；同时由于 w c d m a 设计初期对之后种类繁多的应用方向和旺盛的带宽需求考虑不充分，致使 w c d m a 最新的演进版本为了改善性能，不得不进行“打补丁”似的优化修改，这就 使得原本就不简单的系统协议构架变得越发复杂，给运营商和设配制造商带了更高的设 计和维护成本。由此可见3 g 标准的性能已经开始到达其服务的极限，开始无法满足未 来人们对更高速更低延迟的宽带无线接入技术的需求。 太原理工大学硕士研究生学位论文 为确保w c d m a 技术上的优势和提高未来市场上的竞争力，以及避开高额的专利 授权费用，3 g p p 在2 0 0 4 年底正式启动了l t e 的演进工作，其制定进展的时间轴如图 1 1 所示： 图1 1l t e 发展的时间轴 f i g u r el 1 t i m ea x i so fl t ed e v e l o p m e n t 众所周知3 g p p 主导并完成了“第二代”g s m ( 全球移动通信系统，g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 与“第三代”w c d m a 移动通信技术的标准化工作，并一直进行 着h s p a 的演进工作，得益于成熟的组织构架、成功的协作模式和强大的技术积淀，l t e 这个新的准“4 g ”标准吸收了u m t s ( 通用移动通信系统，u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 中h s p a 、h s p a + 家族的技术优势，并采用了很多已经突 破应用限制的新技术。使得l t e 具备更高的接入带宽、极低的网络延迟、更简单的系 统架构以及更灵活的频谱分配方式等优势i 引。 自3 g 时代开始，移动终端开始更广泛的加强了对数据业务的支持，尤其以苹果公 司的i p h o n e 为代表的智能手机开始以迅雷不及掩耳之势得到了普及，无线应用软件、 移动互联网、移动即时消息软件、无线s n s ( 社交网站，s o c i a ln e t w o r ks i t e ) 、无线手 机地图、无线云端技术等一系列基于无线数据业务的新业务和新应用如雨后春笋般涌 现，人们的生活方式、社交方式和上网方式都似乎一夜之间发生了改变，如果说如今的 社会是信息技术的社会，如今的时代是信息时代的话，那么我们目前正处于无线信息时 代，用户对更高无线数据速率的需求推进着技术的进步，可以说3 g 制式一定程度上满 足了近些年无线通信的要求，十年问得到了迅速的发展。然而，当今社会的数据业务发 展方向却出现了新的变化，其最准确的描述就是“移动通信宽带化”和“宽带接入移动 化”。当今的固定宽带接入方式从电缆传输发展到光缆传输，又从光缆传输发展到基于 i e e e8 0 2 1 1 技术的w i f i ( 无线保真，w i r e l e s sf i d e l i t y ) 终端连接模式，技术进步显而 易见，同时其传输带宽也在按照“摩尔定律”疯狂的增长。然而，用户体验不仅仅局限于 网络速度上，固定接入方式对渴望摆脱线缆束缚的用户来说有着致命的缺陷，越来越多 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 用户选择了通讯运营商提供的“3 g 数据卡”业务配合笔记本电脑使用以摆脱这种限制。 宽带运营商以及宽带技术提供商已经意识到了移动通信网络中无线数据业务对自身市 场的威胁，开始提供更多w l f 1 热点以满足用户移动上网的渴求，但是其效果依然不尽 理想。于是w i m a x ( w o r l d w i d ei n l e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波互联接 入) 技术诞生了，这种被称之为无线城域网宽带接入方式，居然采用了“蜂窝网络”技术， 提供了一种全城覆盖的高速宽带接入模式，不仅如此，这种采用大范围覆盖的极类似于 手机通信的宽带接入方式使其提供语音通话服务成为了可能，随着下一代城域网标准 8 0 2 】6 m 的制定，宽带网络同样开始提供了对语音通话业务的支持。有线宽带和无线通 信技术壁垒逐渐消失，业务融合臼益体现，同时竞争也不断加剧。 为了应对固定宽带市场对移动通信市场的威胁，3 g p p 加快了旗下准3 g 技术l t e 向前演进的步伐，在2 0 1 0 年1 2 月在l t e 的基础上完成了l t e a 标准发布。2 0 1 2 年1 月份i t u ( 国际电信联盟，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 在日内瓦举行的无线 电通信全会全体会议正式审议通过了将l t e a 和8 0 2 1 6 m 技术规范列为4 g 国际标准的 ， 决议。 对比l t e a 和8 0 2 1 6 m 的技术就会发现其拥有很多共同点：都采用了基于o f d m ( 正交频分多路复用技术，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的上下行传输 方式、都采用了蜂窝小区的组网方式、不约而同的使用了m i m o 技术、同时接入速度 都达到了3 5 0 m b p s 以上等。然而事实上l t e a 却拥有更明显的优势，在10 0 0 m h z 的 聚合频谱下其速度可以达到1 g b p s ；在对用户的高速移动支持方面l t e 也更具优势，同 时l t e a 可以在w c d m a 和l t e 基站的基础上进行平滑演进，能够合理利用现有的基 站资源。因此目前大多数的运营商都聚拢在l t e 和l t e a 的周剧引。 1 1 2l t e 的技术需求与关键技术 l t e 为了满足未来一个时期内用户对移动网络的需求，同时也为了兼顾各种可能面 临的技术问题，解决上一代通信系统的不足，3 g p p 制定了l t e 系统性能的需求参数， 其主要需求指标可以概括为如下5 】： 1 ) 降低系统各层面的时间延迟； 2 ) 将传输速率提升到一个新的层次，使其能够迎合未来几年用户的需求； 3 ) 为了保证数据业务的一致性，须提高小区边界的比特率，增强边界的服务质量； 5 ) 提高现有以及新增频谱的灵活利用能力及频谱利用率，降低每比特运营成本； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 ) 提供简化的网络结构； 7 ) 能够实现不同无线接入网之间的无缝切换； 8 ) 降低用户终端功耗，延长电池寿命。 这些极具概括性的指标一直贯彻到了整个l t e 技术需求制定的工作中，最终制定的 需求参数满足甚至超过某些目标，具体的需求参数如表1 1 所示【4 】： 表1 1l t e 需求总汇 t a b l e1 1n e e d so f l t e 需求( 相比h s p a r 6 ) 在下行2 0 m h z 频谱带宽下达到1 0 0 m b i t s ： 峰值速率 在上行2 0 m h z 频谱带宽下达到5 0 m b i t s ； 在下行2 0 m h z 频谱带宽下达到5b p s h z ； 频谱效率 在上行2 0 m h z 频谱带宽下达到2 5b p s h z 从空闲模式到激活模式的转换时间不超过10 0 m s 控制面时延 从休眠模式到激活模式的转换时间不超过5 0 m s 用户面时延在系统空载状态下用户面延时不超过5 m s 控制面容量在5 m h z 带宽内每小区最少支持2 0 0 个激活状态的用户 下行每m - h z 的平均用户吞吐量是r 6 h s d p a 的3 到4 倍 用户吞吐量 上行每m h z 的平均用户吞吐量是r 6h s u p a 的2 到3 倍 对1 5k m h 低移动性优化系统 移动性在1 2 0k m h 的中速移动实现较高的性能 支持3 5 0k m h 和5 0 0k m h 的高速移动。 5 k m 小区半径下，频谱效率、移动性应该达到最优 覆盖性3 0 k m 小区半径时只能有轻微下降 支持1 0 0k m 小区半径的覆盖情况 可以使用不同的频带宽度包括1 4m h z 、3 v i j - l z 、5m h z 、1 0 频谱灵活性 m h z 、l5m h z 和2 0m h z 的带宽，同时需要支持工作在成对和 不成对的频段，需要支持资源的灵活使用。 复杂性要求可选项最少并减小冗余 r a t 不同系统间的共存，支持与g e 凡n 肘t r a n 系统的共 共存性 存和切换，切换延迟不能超过3 0 0 毫秒。 增强的端到端的q o s p r m 需求更高的高层分组效率 支持不同r a t 间的负荷分担和政策管理 归功于近些年无线移动技术的进步，3 g p p 采用了更多先进的技术用以满足l t e 苛 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 刻的系统需求，这些关键技术包括如下几个方面吼吐 】) 多址接入技术 l t e 的下行物理链路采用的多址接入方式为o f d m a ( 正交频分多址，o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm o d u l a t i o n ) ，o f d m a 是以o f d m 为基础实现多址接入的技术，其 原理依然为频分复用，只不过各个频带通过o f d m 技术产生正交的子载波，而通过在 不同子载波上传输不同的数据而实现用户的多址传输。 l t e 的上行物理链路采用的多址接入方式是s c f d m a 技术，由于多载波的 o f d m a 技术中各个载波的相位随机，但是能量却是固定的，这就导致子载波叠加后峰 均功率比很高，而s c f d m a 子载波的相位是有规律的，而能量却是随机的，就相当于 进行串行发送，这就解决了峰均功率比较大的时候对u e ( 用户设备，u s e re q u i p m e n t ) 终端发射机功率放大器动态范围的苛刻要求以及功耗过大的问题【8 】，【9 1 。 2 ) 多天线技术 近些年空间域已经变成继频谱资源、编码方式、时隙资源之后又一新的可利用资源， 在追求越来越高的频谱效率的目标下，多天线技术无疑已经成为最有效的解决方案，多 天线技术的采用可以给系统带来三种增益分别是：分集增益、阵列增益和空间复用增益。 分集增益，主要是利用多个天线接收不同路径的由同一信号复制的多路信号来对抗 多径衰落；僻列增益，是通过在传输前进行预编码，或将波束能量对准特定的方向从而 为不同方向的用户提供特定的业务；空间复用增益，是不同天线在不同空间域传输不同 的信号流，并将这些不同的信号流传输给不同的或者相同的用户从而达到更高的传输速 率。 l t e 最终提供了多个可以根据不同用户情况进行配置部署的天线方案选项以满足 不同的应用场景。 3 ) 新的网络构架 l t e 采用由e n b 构成的单层结构，与传统的w c d m a 接入网相比，l t e 减少了 r n c ( 无线网络控制器，r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 节点，这部分功能完全被赋予到e n b 中去了。究其名日“系统构架演进”，实际上更像是对整个传统系统构架的“革命”，至 此无线接入网完全开始趋于典型的i p 宽带网结构，这样作的好处不言而喻，其不仅可 以降低网络建设和优化成本，同时对用户与系统之间层面的时延降低有着不可磨灭的效 剧4 1 。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 本论文选题的意义及研究内容 在不同的通信系统中，无论是g s m 还是w c d m a ，甚至是有线宽带系统，随机接 入过程一直是系统不可或缺的部分，它是请求通信的用户即将接入网络的第一个步骤， 也是进行通信的第一个事件，随机接入设计的好坏，决定着用户接入通信系统的成功率 的大小，过低的接入成功率会导致频繁的接入失败，影响用户体验，可以说随机接入性 能的好坏是评价一个通信系统的重要依据。 在l t e 系统中，当且仅当一个u e 取得上行传输的时间同步时，它的上行传输的请 求才能被调度通过。而对于没有取得时间同步的u e ，其上行同步主要就是通过随机接 入的过程获取上定时同步信息的，由此可见，l t e 的随机接入过程分别扮演了两个重 要的角色，即为u e 取得时间定时同步信息以及分配相应的通信资源，同时还兼具解决 不同u e 之间接入冲突的功能。 本论文主要研究了l t e 的f d d 模式中p r a c h 前导序列信号的产生过程，l t e 面 临的多径衰落信道条件，以及p r a c h 前导序列信号的接收过程和检测算法，针对以上 三个环节设计并建立了基于m a t l a b 平台的可配置参数的p r a c h 仿真模型，论文最 后通过仿真得到仿真结果，并对仿真结果进行了适当的分析和展望。 本论文各章研究内容如下： 第一章：绪论部分，主要介绍了l t e 的产生背景和需求参数，从而为后文研究 l t e f d d 的p r a c h 信号产生、接收检测过程提供了理论引导。 第二章：介绍了随机接入技术的概念和原理，对比以往2 g 和3 g 系统与l t e 系统 随机接入技术的异同，指出l t e 的随机接入技术可以做出哪方面的改进，并探讨不同 种类l t e 随机接入技术的优缺点以及如何选取，最后介绍了l t e 的定时调整量的确定 方法和作用原理，以及如何实现随机接入的用户控制。 第三章：介绍了p r a c h 的时频结构以及其时频资源的配置情况，通过分析和仿真 说明了前导序列类型的选取规则以及前导序列长度如何确定。最后介绍了前导序列和 p r a c h 基带信号的产生过程，实际上第三章介绍的内容相当于描述p r a c h 信号的发 射机模型。 第四章：起始分析了l t e f d d 面临多径衰落环境，设计建立了相对应的瑞利衰落 信道模型；之后重点介绍了p r a c h 的检测方法，即时域和频域的检测方法，同时针对 低速环境和高速环境分析并提出了如何确定相关运算峰值的位置，在理解了相关检测的 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 原理后，对峰值检测的固定门限方法进行改进，提出了半动态门限检测算法。最终建立 了包括信道和接收端的仿真模型。 第五章：介绍了l t e f d d 系统对p r a c h 前导序列检测时的性能要求，之后给出 了l t e f d d 的测试要求和测试参数，最后在l t e f d d 的p r a c h 模型基础上进行了的 m a t l a b 仿真，得出了较详细的仿真结果，并对仿真结果进行详细分析。 第六章：指出论文所作出的贡献，并对本课题后继研究做出了相应的展望。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章l t e 随机接入技术 2 1随机接入技术概述 2 1 - 1 随机接入技术的诞生和原理 在上个世纪七十年代初期美国的夏威夷大学世界上首次提出了随机接入技术，其目 的是为了使分散在全国各地的无线电通信站能够自由访问中心计算机，共享稀缺的计算 机资源，众所周知无线电通信伎用的无线信道是一个公共信道，这就面临一个紧要的问 题，即一个无线电发送站发送的消息会被多个接收站收到，同时一个接收站也会收到多 个发送站发送的消息，这种发送与接收的过程是随机的，事先没有任何约定的系统就是 一个随机接入系统。 随机接入技术严格意义上说就是都处于相同网络中所有用户必须遵守的一种通信 协议，这个协议的作用就是不具体指定每个用户所占用的时频资源的情况下，允许所有 用户随机的、等概率的、没有事先约定的向接收端发射信号，当两个用户的信号同一时 间被接收机捕获时，就发生了“碰撞”，接收机通过向用户进行信息反馈从而消除这种 碰撞产生的影响，这个过程就是随机接入过程。 夏威夷大学的这个系统被称为a l o h a 系统，这个系统是世界上最早的分组接入系 统，同时这个协议也是最早的通信协议。其工作原理如图2 一l 所示【1 0 】： 发送成功 u e l 匿溺 - - - - - 一n i| i 发送成功 n 1 h 。 冲艇发 一 冲突重发 n 縻 亡 3y ， t t t 系统中每一个u e 自由地发送数据帧。为了简单起见帧长度用持续时间来表示，在 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图中用瓦代表这段时间。并假设这个无线通信系统中的所有u e 的帧长度都是相等的， 而且不存在由于信道质量导致的误码率等诸多因素。当呱发送帧1 时，其他u e 均未 发送数据，所以蝎的发送必定成功。但随后u e 2 和呱一，发送的帧2 和帧3 有一部分 发生了重叠。这就是上文提到的“碰撞”。碰撞导致双方或是多方所发送的数据在e n b 中无法正确辨识，因而都必须进行重新传输。但发生碰撞的各u e 却不能立刻开始重新 传输，因为这样一定会再次发生碰撞。a l o h a 系统规定如果碰撞发生，各发送端必须 等待一定时间后进行重传，如图中呸和u e n 一，发送的帧2 和帧3 ，帧3 通过延迟重新 传输的帧6 因为没有再次发生碰撞而传输成功，而帧2 重新传输的帧4 和汜传输的帧 5 发生碰撞，于是u e 2 进行了第二次延迟重发，直到传输成功为止。上图2 1 介绍的是 一个简单的a l o h a 系统随机接入的过程，也被成为纯a l o h a 系统i 。 为了伎随机接入的用户在碰撞重发的时候避免产生第二次碰撞，以提高系统的效 率，于是将时间资源统一划分成多个不同的时隙( s l o t ) ，每个时隙具有不同的编号，且 要求用户只能在每个时隙的开始时刻发送一个消息帧，这便是s l o t a l o h a 系统，其产 生碰撞后进行重传的方法同图2 1 描述基本相似，这里不做赘述。 2 1 2 随机接入技术在不同通信制式中的应用 在不同的移动通信系统中，由于在制定系统需求时的要求不同，标准制定时采用的 随机接入技术也不尽相同，这些不同集中体现在：接入发生时随机接入请允信号发射功 率的不同、随机接入信号包含的信息数据大小的不同、冲突重发的时间和次数不同等。 这些不同导致了不同系统的随机接入流程的复杂度不同以及碰撞发生的概率各不相同。 相对于g s m 系统，进行随机接入过程时首先发送的信息包含：对基站寻呼的应答 信息、移动台( m o b i l es t a t i o n ) 的i m e i ( 国际移动电话设备识别码，i n t e r n a t i o n a lm o b i l e e q u i p m e n ti d e n t i t y ) 、位置登记申请以及一些信道申请信息。同时g s m q ￥j 终端在随机接 入过程中以最大的功率发射，在通话过程中手机端发送信号的功率控制速度较慢。g s m 随机接入的这些特点导致了随机接入信息占用的资源较大，同时用户所受到的瞬间辐射 量比较大。 而c d m a 系统的u e 在进行随机接入过程之前，会从系统广播的信息监听接收一 些专门用于功率控制的信号电平值，从而估算一个较低的功率作为终端发射的起始功率， 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 随机接入开始时，首先进行一次“随机接入试探”，如果在系统要求的时间内没有收到 基站的信息应答，终端会加大发射电平，进行第二次“随机接入试探”，以此类推将这 个过程重复下去，除非达到了系统设定的最大尝试次数，否则重复到接收到基站应答为 止。接入成功后系统会通过功率控制过程动态调整用户发送功率的大小，以适应当前信 道干扰情况。对比g s m 系统，c d m a 用户设备的发射功率更小、功率爬坡调整更平滑， 不仅有利于用户的健康还能延长电池的寿命。不仅如此，c m d a 还采用了通过对相同 的伪随机序列进行频率偏移而产生的不同序列作为同一基站内不同用户设备的随机接 入信息的签名信号，这样做能够大大减少所占用的系统资源。 而c d m a 2 0 0 0 系统在原系统随机接入过程的基础上通过增加一条反向“增强随机 接入信道”用以提高随机接入的性能f 1 2 】。 w c d m a 和t d s c d m a ( 时分同步的码分多址技术，t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 均采用了“s l o t a l o h a ”系统，所以其对时间同步的要 求更为严格，这两个系统在功率控制和接入效率上都有了明显改善。尤其w c d m a 的 随机接入过程也奠定了以此为演进参考的l t e 随机接入流程的基础，w c d m a 随机接 入的流程如下【1 3 】： 第一步：u e 根据小区广播给定的接入服务类别，确定随机接入信道的接入子信道 的可用集合，以及下一个完整的接入时隙集合中可用的上行接入时隙集合，从中等概率 地随机选择一个上行接入时隙用来进行随机接入。 第二步：u e 根据给定的接入服务类别，从小区指定的随机接入签名序列中等概率随 机选取一个签名序列。 第三步：设定p r a c h 前导码的重传计数器的值。 第四步：设定前导序列的初始功率电平。 第五步：u e 根据已经选定的上行接入时隙、签名和前导序列码的发射功率进行一 次前导发射。 第六步：u e 等待e n b 返回的确认信号，如果u e 没有在a i c h ( 捕获指示信道， a c q u i s i t i o ni n d i c a t i o nc h a n n e l ) 上检测到捕获指示，u e 会重复第五步，并依照功率爬 坡因子进行功率调整直至检测到捕获指示为止。 第七步：u e 如果接收到“一1 ”的捕获指示，则将物理层状态上报给m a c ( 媒体 访问控制，m e d i a a c c e s s sc o n t r 0 1 ) 层然后退出物理随机接入过程。 第八步：如果u e 接收到“+ 1 ”指示，则根据系统设置在相应的时隙进行随机接入 10 太原理工大学硕士研究生学位论文 的消息传输。 t d s c d m a 的随机接入过程与w c d m a 类似，但由于t d s c d m a 系统是时分系 统，所以对同步的要求更为严格，所以在随机接入过程中加入了专门用于时间对齐的上 行同步处理过程，其简要的流程如图2 2 所示【1 4 】： u e n o d eb 1 s y n c u l 一 2 f p a c h 突发( p c ，s s ) 一 3 p r a c h ( r r c 连接请求) l 一 4 c c p c h ( r r c 连接建立响应) 一 1 5 d c c h ( r r c 连接证实) 一 图2 - 2t d s c d m a 的随机接入过程 f i g u r e2 - 2r a n d o ma c c e s sp r o d u c eo ft d s c d m a 2 1 3 随机接入技术的改进方向 在以上主流制式的随机接入过程中，g s m 系统由于当时技术的落后、缺乏经验， 为增加接入的成功率而直接采用最大功率发射的方式增大了用户终端的电量消耗，同时 产生了不必要的人体辐射；而在c d m a 系统中，经过改进采用了“功率试探”的方式 解决了功率控制的问题，但由于采用伪随机序列的扩频技术，不仅增加了传输带宽、而 且为克服多径效应加大了接收机设计的复杂度；而w c d m a 以及t d s c d m a 技术具 备了以上系统不具备的优点，但却增加了接入流程的复杂度，无形中增大了用户接入面 的延迟。 针对这些不足，在新的移动通信系统l 1 e 的随机接入过程中应该按照以下分析结 果予以改进： 第一、将定时调整过程与u e 端的接入请求进行合并，以简化随机接入的流程。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二、进一步提高功率控制的效率和能力，利用e n b 的p b c h ( 物理小区广播信 道，p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e l ) 广播小区功率相关的特征信息码，u e 通过接收此类信 号进行预先判定发送的功率等级进行接入尝试，如果不成功再通过功率爬升重发随机接 入信号。 第三、对随机接入的前导序列进行改良，尽可能采用占用系统资源小、具有良好相 关性的正交序列，这样做的好处是即增强了检测的性能，而且正交序列彼此的码间干扰 更小。同时增加u e 可选择的签名序列的数目，以减小不同u e 选定相同序列发生冲突 的几率。 2 2l t e 中的随机接入技术 2 2 1l t e 随机接入技术的应用场景 一个l t e 的u e 当且仅当其上行传输的时间同步的情况下才能实现上行传输的资源 调度，所以l t e 的p r a c h 对于非同步的用户设备与采用正交传输的s c f d m a 多址方 案的l t e 上行物理传输链路来说有着非常重要的作用。 l t e 采用p r a c h 进行网络接入的初始化p r a c h 仅传输一些u e 的参数信息，大 部分的用户信息由p u s c h ( 物理上行共享信道，p h y s i c a lu p l i n ks h a r e dc h a n n l e ) 传递。 同时，l t e 还担负着为那些还没有实现时间同步或者已经丢失时间同步的u e 取得上行 传输同步，一旦上行同步建立，e n b 便可以为u e 分配上行传输的资源。 经上述分析，l t e 的p r a c h 可以使用于以下场景中【 】： 场景一：已经处于r r c c o n n e c t e d 状态下的u e ，还未获得上行时间同步，又 需要发送新的上行控制信息和向e n b 传输上行数据，此时需要启动随机接入过程。其 中r r cc o n n e c t e d 代表用户设备的连接模式。 场景二：处于r r c c o n n e c t e d 状态下的u e ，还未建立上行时间同步，却需要 接收新的下行数据，这时必须上行传输相应的“肯定确认否定确认”( a c k n a c k ) 信息，此时需要启动随机接入过程。 场景三：正处于r r cc o n n e c t e d 状态下的u e ，进行小区切换，因此需要和新 的小区重新建立上行时间同步，此时需要启动随机接入过程。 场景四：u e 从r r ci d l e 状态切换到r r cc o n n e c t e d ，比如手机的初始化 接入。其中r r ci d l e 代表了用户设备的空闲模式。 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 场景五：无线连接出现失败、错误需要进行状态恢复。 2 2 2l t e 中基于竞争和基于非竞争的随机接入技术 l t e 的随机接入过程根据是否会产生冲突主要分