（信号与信息处理专业论文）ltetdd系统终端随机接入过程研究及实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 新一代无线通信系统逐步朝向超宽带的技术发展，高频宽的目的就是针对日益 增加的多媒体网络应用服务而考虑的，这样需求主要的驱动力来自于因特网，不断 提升的有线网络带宽，以及许多早已融入生活的网络应用和信息内容，让现代人与 网络的关系更为紧密。这样的需求也反映到无线通信技术上，因此在相关技术研发 方面，希望能从更好的频谱效率、传输技术、媒体控制、资源管理等方面着手，将 因特网上丰富的信息内容，结合无线通信的便利，创造更多的应用与服务。 针对上述问题，3 g p p 开始了l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 项目。其中 l t e 中的随机接入过程是终端在和基站通信之前的接入过程，是保证终端驻留以及 通信建立的关键性过程。随机接入过程的性能好坏直接影响到系统的性能和用户的 体验，因此必须对l t e 系统的随机接入过程进行详细的分析，并根据具体实现过程 提出解决方案。 本文主要探讨l t e t d d 系统终端随机接入过程，通过对l t e 协议的理解，总 结出该过程的具体目的及流程，结合实现制定出相关解决方案。首先简要介绍l t e 系统和l t e 的研究现状以及l t e 物理层及其基带处理流程，并说明了l t e 的需求； 其次对现有通信系统中存在的主要随机接入技术a l o h a ，c s m a 等进行了阐述，引 出移动通信中随机接入的必要性。本文重点内容是l t e 系统中随机接入过程，及 u e 端p r a c h 信道，通过深入研究l t e 系统随机接入过程以及p r a c h 信道的相 关特点，并分析该过程中可能出现的异常情况，根据l t e 物理层协议，设计出p r a c h 仿真链路，对于实现的难点从计算量上进行分析，根据相关理论对p r a c h 链路进 行改进，对原协议链路和改进链路分别使用m a t l a b 进行仿真，根据仿真结果与 3 g p p 协议规定性能进行对比，得出是否可行的结论。最后，结合具体的d s p 芯片， 根据仿真链路把整个链路分成不同的模块，并考虑在实现过程中需要的改进，提出 具体的实现方案，并编程实现。 关键词：l t e ，物理随机接入信道，载波监听多路访问，前导序列，调度请求 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t an e w g e n e r a t i o n u l t r a - w i d e b a n d t e c h n o l o g y o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，h i g h - b a n d w i d t hf o r t h ep u r p o s eo fi n c r e a s i n gm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s s e r v i c e sn e t w o r k , t h em a i nd r i v i n gf o r c ei nd e m a n df r o mt h ei n t e r n e t , c o n t i n u o u s l yu p g r a d et h ec a b l en e t w o r kb 删蛾a n d t h en e t w o r ka p p l i c a t i o n sa n d i n f o r m a t i o nc o n t e n ti sp a r to fm a n yp e o p l e sl i f e ，g i v i n gp e o p l em o r ec l o s e l yw i t ht h e n e t w o r k t h i si sa l s or e f l e c t e di nt h ed e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , a n dt h e r e f o r er e l a t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t , i tw o u l db et ob e t t e rs p e c t r u m e f f i c i e n c y , t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , m e d i ac o n t r o l ，r e s o u r t ? 七m a n a g e m e n t , e t c t h ei n t e m e t , a n dr i c hc o n t e n t , c o m b i n e dw i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sc o n v e n i e n c e ，t oc r e a t em o r e a p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e s f o rt h ep r o b l e m ，3 g p ps t a r t e dt h el t ep r o j e c t t h er a n d o ma c c e s sp r o c e d u r ei st h e p r o c e d u r ew h i c hi sc o n n e c t i n gt h el i ea n dt h ee n o d e b ，i t sac r i t i c a lp r o c e s s t h e p e r f o r m a n c eo fr a n d o ma c c e s sp r o c e s si s a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e ma n db s e r s e x p e r i e n c e ，s or a n d o ma c c e s sp r o c e d u r eo fl t em u s tb ed e t a i l e da n a l y s i sa n d i m p l e m e n t e d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h el t e - t d ds y s t e mt 伽n i n a lr a n d o m 纵勰s sp r o c e s s ，t h r o u g h t h eu n d e r s t a n d i n go ft h el t e p r o t o c o l ，s u m m a r i z e dt h es p e c i f i cp u r p o s eo ft h ep r o c e d u r e a n dp r o c e s s ，c o m b i n e dw i t ht h eg o a lo fd e v e l o p i n gar e l e v a n ts o l u t i o n f i r s t , ab r i e f d e s c r i p t i o no fl t es y s t e m ，t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n ，t h ep h y s i c a ll a y e rb 砌a n d p r o c e s sa n ds h o w sl t ed e m a n d ；f o l l o w e db y t h ee x i s t i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa 端t h e m a j o rr a n d o ma c c e s st e c h n o l o g ya l o h a , c s m a , e t c w g t ed e s c r i b e dl e a d st oar a n d o m a c o 睽洛m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e e d t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ec o n t e n tl t es y s t e m r a n d o m 孤；c e s sp r o c e s s ，a n dt h eu es i d ep r a c hc h a n n d ，t h r o u g hs t u d y i n gt h ep r o c e s so f l t es y s t 锄a n dt h er a n d o ma c c e s sc h a n n e lp r a c h r e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c s ，a n da n a l y s i s o ft h ep r o c e s sm a ya p p e a ra b n o r m a l ，a c c o r d i n gt ol t ep h y s i c a ll a y e rp r o t o c o ld e s i g n e d p r a c hs i m u l a t i o nl i n k a n a l y z e dt h er e a l i z a t i o no ft h ed i f f i c u l t i e sf i o mt h ec a l c u l a t i o n , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h ep r a c hl i n ki si m p r o v e da n dt h ei m p r o v e m e n to ft h e 耐g i i l a la g r e e m e n tl i n ks i m u l a t i o nw h i c hu s e sm a n a b ，r e s p e c t i v e l y , a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c eo f3 g p pa g r e e m e n tc o m p a r i s o n , t h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o n c l u s i o nr e a c h e d f i n a l l y , t h es p e c i f i cd s pc h i p ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nl i n kt ot h e e n t i r el i n ki n t od i f f e r e n tm o d u l e s ，a n dt oc o n s i d e rt h en e e dt oi m p r o v et h ei m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s ，i m p l e m e n t a t i o n o f s p e c i f i cp r o g r a m s ，a n dp r o g r a m m m 吕 n 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：l t e ，p r a c h ，c s m a , p r e a m b l es e q u e n c e ，s c h e d u l er e q u e s t l l i 重庆邮电大学硕士论文缩略语 m m 魄c 缩略语 田：l i 】旧g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e e t a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b i n a r yp h a s es k f ik e y i n g c o n s t a n ta m p l i t u d ez e r oa u t o c o r r e l a t i o n c o n t r o lc h a n n e le l e m e n t c o n t e n t i o n - f r e e c y c l i cp r e f i x c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r c y c l i cr e d u n d a n c yc h e e k c e nr a d i on e t w o r kt e m p o r a r yi d e n t i f i e r d e e i b e l d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i g i t a ls i g n a lp r o c 七s s i o r d i s c o n t i n u o u st r a n s m i s s i o n d o w n l i n kp i l o tt i m e s l o t e v o l v e dn o d e b e v o l v e dp e d e s t r i a na e v o l v e dp a c k e tc o r e e x t e n d e dt y p i c a lu r b a n e v o l v i 订i 兀r a e v o l v e d - i 兀r a n e x t e n d e d 惴e u l a ra f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e h y p e r f r a m en u m b e r i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n n i c a t i o nu i l i o n n ur a d i oc o m m u a i c a t i o ns e c t o r l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l v 第三代合作项目 自动请求重传 二进制相移键控 幅度零自相关 控制信道单元 无竞争 循环前缀 信道质量指示 循环冗余校验 小区无线网络临时标识 分贝 离散傅里叶变换 数字信号处理器 非连续传输 下行导频时隙 演j 挂n o d e b 扩展步行模式a 演进分组核心网 扩展典型城市模型 演进的i 瓜a 演进的i 瓜a n 扩展车辆模型a 快速傅里叶变换 有限冲击响应 混合自动请求重传 离散傅里叶逆变换 增量冗余 国际电信联盟 国际电信联盟的无线通 信部门 长期演进 媒体接入控制 一撇一一眦凹凹叫吣一血肿哪嗽一一卧哦唧一眦肿腿一一r肿一 重庆邮电大学硕士论文缩略语 n a s o f d m o f d m a p a p r p c f i c h p c h p d c c h p d p p d s c h p h i c h p r a c h p r b p u s c h q p s k r a r a c h r a r r a r n r n n o na c c e s ss t r a t u m非接入层 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 卸l e x i n g正交频分复用 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 ea c c e s s 正交频分复用多址接入 p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o峰均功率比 p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o rc h a n n e l物理控制格式指示信道 p a g i n g c h a n n e l 寻呼信道 p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l物理下行控制信道 p o w e rd e l a yp r o f i l e功率时延谱 p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l物理下行共享信道 p h y s i c a lh y b r i da r qi n d i c a t o rc h a n n e l物理混合a r q 指示信道 p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l物理随机接入信道 p h y s i c a lr e s o u r c eb l o c k物理资源块 p h y s i c a lu p l i i l ks h a r o dc h a n n e l物理上行共享信道 q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g正交相移键控 r a n d o ma c c e s s 随机接入 r a n d o ma c c e s sc h a r m e l 随机接入信道 r a n d o ma c c e s sr e s p o n s e随机接入响应 r a n d o ma c c e s sr a d i on e t w o r k t e m p o r a r y随机接入无线网络临时 i d e n t i f i e r标识 r e s o u r e 七b l o c k资源块 r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r无线网络控制器 r a d i on e t w o r kt e m p o r a x yi d e n t i f i e r无线网络临时标识 r a d i or e s o u r c 2c o n t r o l 无线资源控制 s y s t e ma r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n系统结构演进 s i n g l e - c a r r i e rf r e q u e n c yd i v i s i o n单载波频分 s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o信干噪比 t i i i l ea d v a n c e d时间提前量 t i m ed i v i s i o nd u p l e x时分双工 u s e re q u i p m e n t用户设备 u p l i n k上行 v p l i r l kp i l o tt i m e s l o t上行导频时隙 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 宽带码分多址 z a d o f f - c h u 以“z a d o f f - c h u 命名的 序列 v l h 妞眦一眦呲队唧仉哪一况 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景 近年来，移动通信用户大量增加。语音通信是移动通信目前最主要的应用。与 此同时，多媒体业务的需求与日俱增，据统计每位用户每月有几百兆的流量需求， 而随着时间的推移这个需求将会大幅度提高。当然，这种需求也包括对数据传输速 率的高速要求。现有的数据传输速率已经远远不能满足用户的需求。3 g p p ( 删 g 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 ，第三代合作项目) 决定采用b 3 g 或4 g 的技术来使用3 g 频段，以便于占有宽带无线接入市场。并制定了长期演进计划l t e ( l o n gt e r m e v o l u t i o n ，长期演进) ，l t e 并q l ；4 g 技术，而是3 g 与4 g 技术之间的一个过渡，是 3 9 g 的全球标准，它改进并增强7 3 0 的空中接入技术，采用了o f d m ( 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 u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 和m i m o ( m u l t i - i n p u tm 1 1 l d 嘲l 钠l t ， 多输入多输出) ，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。【1 1 本课题就是基于l t e t d d 系统l i e ( u s e re q u i p m e n t ，用户设备) 端，对 l t e 的随机接入过程进行研究，并在d s p ( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i o r ， 数字信号处理器) 上实现u e 端p r a c h 信道。 1 2l t e 研究现状 l t e 是3 g p p 的一项计划。源于2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 想制订一项长期演进的 u m t s ( u m v e r s a lm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ，通用移动通信系统) 系统。u m t s 也 是3 g p p 中的一样计划。此计划的目标是由几种提案当中选出w - c d m a ( 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 ea c c e s s ，宽带码分多址) 的r a n ( r a d i oac c l 嚣 n e t w o r k ，无线接入网) 。如今u m t s 及w - c d m a 的名词常常互相通用。 2 1 l t e 是替未来演进的u m t s 定义r a n ，同时也有另一平行的计划s a e ( s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，演进系统架构) ，去定义一套全新的l t e - a ( l t e - a d v a n c e d ， 增强的l t e ) 分组的c n ( c o r en e t w o r k ，核心网) ，称为e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ， 演进分组核心) 。目前4 g 有两种提案，分是w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，全球互通微波存取) 及l t e a 。 2 0 1 0 年底，3 g p p l t e 会完成( r e l e 鹬e1 0 ，版本1 0 ) 的w i ( w o r l d n gi t e m s ，工 作项目) 。l t e 完全修改了3 gu m t s 网络及协议的架构。l t e 比较简洁，并使用以 分组为主的网络，借此希望能达到更高的传输速率及减少分组的延迟。l t e 基站， 也称为e n o d e b ( e n b ) ，管理收发资源，安排用户的时序及通信的建立机制，并且 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 移除了3 g 网络的l i n e ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，无线网络控制器) 。 1 3l i e 特点 u t r a 和u t r a n 演进的目标，是建立一个能获得高传输速率、低等待时间、基 于包优化的可演进的无线接入架构( 如图1 1 ) 。 图1 1i 册粥a e 架构 3 g p p 从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等 方面对l t e 进行了详细的描述。与3 g 相比，l t e 具有如下技术特征：t 3 】 峰值速率有了大幅提高，下行峰值速率1 0 0 m b p s 、上行为5 0 m b p s 。 提高了频谱效率，下行5 b i t h z ；上行2 5 b i f f h z 。 控制面延迟；从驻留状态转换到激活状态的时延小于l o o m s 。 用户面延迟；零负载( 单用户、单数据流) 、小m 分组条件下时延小于 5 m s 。 用户吞吐量；下行每兆赫兹平均用户吞吐量为h s d p a 的3 _ 4 倍，上行每 兆赫兹平均用户吞吐量为h s u p a 的2 3 倍。 移动性；为0 - 1 5 k m h 氐速移动优化，1 5 1 2 0 k m h 高速移动下实现高性能， 在1 2 0 - 3 5 0 k m h ( 在某些频段甚至应支持5 0 0 k m h ) 下能够保持蜂窝网络 的移动性。 覆盖；吞吐率、频谱效率和移动性指标在半径5 如以下的小区中应全面 满足，在半径3 0 1 c m 的小区中性能可能有小幅下降，不应排除半径达到 1 0 0 k i n 的小区。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 增强m b m s ；为了降低终端复杂度，应和单播操作采用相同的调制、编 码和多址方法；可向用户同时提供m b m s 业务和专用话音业务；可用于 成对和非成对频谱。 频谱灵活性；支持不同大小的频带尺寸，从1 4 - 2 0 m h z ；支持成对和非 成对频谱中的部署；支持基于资源整合的内容提供，包括一个频带内部、 不同频段之间、上下行之间、相邻和不相邻频带之间的整合。 与3 g p p 无线接入技术的共存和互操作性；和g e r a n u t r a n 系统可以 邻频共站址共存；支持u t r a n 、g e r a n 操作的e u t r a n 终端应支持 对ir 兀ia n g e r a n 的测量，以及e - u t r a n 和i r 瓜a n 尥e 黜埘之间的切 换；实时业务在e - u t r a n 和i 煦a n g e 黜埘之间的切换中断时间小于 3 0 0 m s 。 系统架构和演进；单一基于分组的e u t r a n 系统架构，通过分组架构 支持实时业务和会话业务；最大限度地避免单点失败；支持端到端q o s ： 优化回传通信协议。 无线资源管理；增强的端到端q o s ；有效支持高层传输；支持不同的无 线接入技术之间的负载均衡和政策管理。 复杂度；尽可能减少选项；避免多余的必选特性。 与3 g 相比，l t e 更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降 低、广域覆盖和向下兼容 在l t e 中，还规范了一些其它要求，如与配置相关的要求、e u t r a n 架构和 移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求。与其 它无线接入方式相比，高频谱效率、广域覆盖和支持用户高速移动是e - u t r a n 系统 的主要特点。在e - u t r a n 中，当移动速率为1 5 - 1 2 0 k m h 时，能获得最高的数据传输 性能。e - u t r a n 支持在蜂窝之间1 2 0 - - 3 5 0 k m h 甚至高达5 0 0 k m h 的移动速率。图1 2 为l t e 最终确定的t d d 模式的帧结构。 一个无线帧，t f = 3 9 r 加0 r , = 1 0 n s 脚m 钟坤吣 图1 2t d d 模式的帧结构 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4l t e 基带链路 在l t e 中，对于现行通信系统改变最大的就是多载波技术。 多载波技术具有以下优点： 对抗弥散无线信道 通过频域均衡实现低复杂度接收机 广播网络中多重发射机发射信号的简单合并 提高频谱利用率 当前系统根据基站和u e 的不同特性，在上，下行采用不同的调制技术。 在下行链路采用频谱效率很高的o f d m a ( 图1 4 ) 作为调制方式，在上行链路 采用s c f d m a ( m 1 3 ) ，可以降低发射u e 的峰均功率比，减小u e 的体积和成本。【4 】 编码速簪r = 皿叮峙 l y j 盹符号 子载波 i f f t 映射 m x n r f r 国曰圉西陟 图1 4o f d m 信号生成链路 1 5 项目相关 为了促进t d l t e 技术和产品研发，依据3 g p pt s 3 6 系列r e l e a s e8 、9 、t d l t e 标准，研制硬件平台和设计软件模块，并开发出符合3 g p p 及行业标准要求的 t d - l t e 无线综合测试仪表。 该仪表应实现t d - - l t e 物理层、高层协议设计，支持多种m i m o 技术方案、 支持自适应编码调制技术、支持h a r q 技术，支持多种信道环境的信道模拟研究与 验证，支持u e 射频指标分析与测量算法。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 为了达到上述要求，系统必须完成随机接入过程，而随机接入过程实现的难点 和重点，主要是p r a c h 信道的实现，因此本论文着眼这样的目的，通过对该过程的 研究，最终达到对p r a c h 信道的实现。 1 6 论文内容安排 第一章：绪论。首先，简要介绍l t e 系统和l t e 的研究现状：其次，介绍l t e 物 理层以及基带处理流程，并说明l t e 的需求；然后说明本课题在项目中的作用；最 后，概括论文的内容安排。 第二章：随机接入技术的介绍。分别对现有通信系统中存在的主要随机接入技 术进行了阐述，并引出l t e 随机接入中采用的相关技术。 第三章：l t e 系统中随机接入过程的研究。本章主要是对l t e t d d 系统中随机 接入过程的目的，p r a c h 信道进行研究，根据3 g p p 相关协议，提出作者对该过程 的分析，并深入解析l t e 系统随机接入过程，同时对于该过程中可能出现的异常情 况也做了相应分析。 第四章：p r a c h 链路的设计及仿真。首先根据l t e 物理层协议，设计出仿真链 路，对于实现的难点从计算量和实现难度上进行分析，根据第三章的理论对u l 三端链 路进行改进，通过m a t l a b 仿真工具，进行仿真对比，得出可行性结论。 第五章：基于d s p 的l i e 端p r a c h 的实现。根据第四章的仿真结论，结合具体的 d s p 芯片，提出d s p 实现方案，并编程实现。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章随机接入技术 第二章随机接入技术 2 1 概要 随机接入过程的第一个特点是随机性，如果为每个用户固定并预留资源，必定 造成资源的浪费，因此该过程是通过信道的共享实现的。同时，由于信道是共享的， 存在不同用户在同一时刻寻求接入，这就体现了该过程的第二个特点：竞争性。 为了解决以上出现的问题，存在两种随机接入技术：基于竞争和避免冲突。 2 2alo h a 卜等待- _ 随机卜 图2 1a l o h a a l o h a 系统( 如图2 1 ) 有多个站点共享广播信道( 以太网中站点之间都是通过 广播方式发送信息) ，这些站点都具有明显的突发性，一旦有数据需要发送，站点立 即组织数据以全信道带宽的速率发送出去。因此，在这种情况下，广播信道由所有 站随机使用，信道是完全随机地分布控制的。【5 l 当数据包的长度过长的时候，a l o h a 系统的性能会急剧下降。 2 3 时隙a io h a 卜埘隙叫： 图2 2 时i 黜d o h a 6 重庆邮电大学硕士论文第二章随机接入技术 为了解决a l o h a 系统由于数据包过长时产生的性能下降的问题，引入了时隙 a l o h a 系统( 如图2 2 ) 。 在时域上，将时间分成时隙，u e 发送的数据的起始位置和结束位置被严格地限 定在时隙里。这种方式将a l o h a 系统发生冲突的可能性降低了一倍。同时，该系统也 存在需要时隙同步的问题。 2 4c s m a c s m a ( c a r d e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ，载波监听多路访问) 协议是在a l o h a 基础 上提出来的。它在a l o h a 的基础上增加了一个载波监听装置。 c s m a 的基本原理是站点在发送数据之前，先监听信道上是否空闲。根据信道 的状态，决定是否发送数据。 c s m a 的策略如下：【6 】 发前先听，若没有冲突，可继续发送；若信道忙，则等待。 在c s m a 中有三种算法： 1 ) 非坚持型监听算法： 若信道忙，则放弃监听，后退一段随机时间后再试图重新发送。这种方法发生 冲突的概率低，但可能引入过多的信道延迟，浪费信道的带宽。 2 ) 1 坚持型监听算法 若信道忙，则继续监听，直到信道空闲再发送。这种方法发生冲突的概率高， 但可以减少发送延迟。 3 ) p 坚持型监听算法 若信道忙，则以概率p 继续监听，或以概率i - p 放弃监听并后退一段随机时间， 再试图重新发送。这种方法具有以上两种方法的优点，但是算法复杂，p 值的大小 对网络的性能有较大影响。 同时，在研究中发现，存在这样一个问题：如果在信道空闲的情况下，有两个 或者两个以上的用户同时发送数据，冲突就会发生。因此，c s m a 协议存在两种类 型：1 ) c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) ，2 ) c s m a c a ( 载波监听多路访 问冲突避免) 。 在c s m a c d 中，u e 采取边听边发的冲突检测方式，发送期间同时接收，并把 接收的数据与站中存储的数据进行比较；若比较结果一致，说明没有冲突，重复以 上过程；若比较的结果不一致，说明发生冲突，立即停止发送，并发送一个简短的 干扰信号，使所有站都停止发送；发送干扰信号后，等待一段随机长的时间，重新 监听，再试着发送。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章随机接入技术 通过这样的处理，使得系统的传输失败率降低了。 然而，在无线网络中，不能假设所有的u e 都能监听到其他的l i e 信号( 如图2 3 ， 2 4 ) ，并且需要u e 满足全双工方式，才能达到c s m c d 的要求。为了克服这些问 题，在无线环境中采用c a ( 冲突避免) 的方式。 在发送任何数据之前，发送端首先监听信道；发送端需要发送数据之前，发送 请求接入信息给接收端，请求接入信息包括数据发送的长度( t d a t a ) ；接收端使用 接入允许信息答复发送端请求，如果发送端没有收到允许信息，则不能发送数据。 任何u e 只要监听到了请求接入信息，则在t d a t a ( 数据长度) + t i n s ( 响应时间) 时间内不发送数据。任何u e 监听到接入允许信息后，也会在t d a t a 时间内不发送数 据。 其中请求接入信息和允许接入信息的消息长度都很短，因此冲突的可能性是很 低的。这种方式也降低了与隐藏u e 发生冲突的可能性。 图2 4 隐藏站冲突 兰 重庆邮电大学硕士论文第二章随机接入技术 2 5 本章小结 通过以上四节的阐述，可以了解到，为避免冲突和获得最大的接入效率，从时 间的划分和退避重发角度来解决，是很好的解决方案，下章将详细研究l t e 中的随 机接入过程，通过对该系统过程的解析，可以发现在l t e 中，也是采取了时间的划 分，将接入突发限制在一定的时间内发送，并且当遇到冲突的情况下，进行了退避 处理。 9 重庆邮电大学硕士论文第三章l t e 系统的随机接入过程 第三章l t e 系统的随机接入过程 通过上章对随机接入技术的分析，对随机接入的轮廓进行了了解，本章将结合 l t e - t d d 系统，详细分析该系统中的随机接入过程，并重点研究p r a c h 信道，为下 章对该信道的链路设计仿真提供理论支持。 3 1l t e 随机接入过程简介 随机接入信道在3 g p pl t e t d d 系统中，将配置于u e 至e n o d e b 的上行链路。此 链路设计主要用于时间校准及资源请求。当e n o d e b 与u e 处于初始的连接状态，此 时仅取得下行链路时间的同步，上行链路时间尚未同步。随机接入信道的信号用于 上行链路的时间校准。在l y e 进行上行链路的时间调整前，u e 会利用下行信号中的 同步信道作时间及帧的同步。但由于信号会因为发送端及接收端之间的距离造成传 送延迟，因此u e 无法得知传送至e n o d e b 的信号，对于e n o d e b ，接收的信号应在起 始位置。如图3 1 所示，当e n o d e b 同时服务多佃时，不同u e 会因为个别与e n o d e b 的距离，造成不同的往返传输延迟，因而造成时间上的偏移。所以，o n o d e b 需借助 u e 传送的r a c h ( r a n d o ma c c e s sc h a n n e l ，随机接入信道) 信号来评估出两者之间 的时间偏移量。再通过下行信道通知l i e 调整信号上传的时间，以达到上行同步。在 此之前，e n o d e b 与l i e 之间频率偏移的同步可利用下行信号的估测来达成。在3 g p p l t e 的会议中，目前获得的共识是不同u e 间传送的r a c h 信号是以竞争的形式取得 与e n o d e b 的联系。u e 会随机选取r a c h 中的某一子频段以及信号传送。当传送的 r a c h 信号与其它u e 的信号产生碰撞或因传送功率太低等因素使得e n o d e b 无法识 别时，u e 可以在下一个可传送r a c h 信号的时段重新选取一组频段及信号并且增加 功率后传送，直至接收至) j e n o d e b 的响应或达到传送失败的标准( 如达到最大的失败 次数或最大传送功率) 。l y e 初始的信号上行功率使用开环功控的方式，通过估测接 收到的信号强弱来决定上传时所需使用的功率，等到与e n o d e b 完成联系，e n o d e b 将 估测u e 传送的信号功率并通知调整，以节省使用者的电池寿命，并减少对其他使用 者造成的干扰。【7 】 用户端lt 匕口时闻 1 w m 嘶r a c h ，一时序偏移1 赫台l 宅 蒹每上晌 b 芝号躲麓土枷 用户端2 i 口ii i 时阃 1 0 重庆邮电大学硕士论文第三章l t e 系统的随机接入过程 图3 1u e 因往返时间延迟而与基地台造成的时序偏移 当u e 与e n o d e b 成功的取得联系，并完成上行信号同步的工作后，u e 仍可由 r a c h 向基地台进行资源要求。此时，虽然两者已完成同步，但其程序仍然是以竞 争形式来完成的。 3 2l t e 随机接入过程特性 在l t e 系统中协议定义了两种随机接入过程，基于竞争的随机接入和非竞争的 随机接入。由于非竞争模式可以视为竞争模式的一种特例，因此在本文中主要介绍 基于竞争的随机接入过程。 随机接入过程具有三个主要的特点g 随机性，可中断性，持续时间不确定性。 在l t e 随机接入过程中，随机接入前导采用具有互相关性为零，自相关性为单位冲 击的z c 序列；基带信号采用s c - f d m a 。 随机接入过程出现的情况：从空闲模式开始初始接入； r r c ( r a d i or e s o u c e c o n t r o l ，无线资源控制层) 发起的连接重建过程；切换；咖处于连接模式， u e 要接收新的下行数据，但上行链路并未实现时间同步；u e 处于连接模式，l i e 要发送新的上行数据，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。 ( 注：当l i e 满足上行同步但没有其他上行资源分配给s r ( s c h e d u l er e q u e s t ，调度请 求) 的情况下，u e 也使用该过程发送s r 信息) 。璐1 3 3 随机接入过程的目的 3 3 1 定时调整 随机接入过程可以解决定时偏差的问题，它通过对定时偏差进行调整，从而使 u e 对往返时间进行适当的补偿，从而获得上行链路的同步。随后的上行数据就能 正确地进行译码而不会对其他u e 造成干扰。随机接入过程成功后，e n o d e b 和l i e 使用上行循环前缀的时间获得同步。【9 】 3 3 2 功率调整 l t e 中，系统通过随机接入过程来确定上行发射功率，u e 根据开环功率控制 的结果来确定一个合适的传输功率或者使用最大的传输功率；当成功检测的时候， e n 0 d e b 估计出功率调整量，并且在反馈l i e 接入成功的同时通知应调整的功率大小。 3 3 3 资源请求 重庆邮电大学硕士论文第三章l t e 系统的随机接入过程 在发送数据之前，需要e n o d e b 分配相应的时频资源，u e 通过随机接入过程， 请求资源。 3 4 物理随机接入信道 随机接入过程主要使用p r a c h ( p h y s i c a