《LTE基础原理与关键技术》课件第10章

第10章LTE随机接入技术10.1随机接入过程

10.2检测算法

10.3随机接入性能10.4干扰分析随机接入技术是通信系统中媒体接入控制的一项重要技术，随机接入的最大问题就是用户的冲突碰撞。当系统接入的用户终端数据较多时，系统的容量会因为用户之间的频繁碰撞而严重受损。比较典型的随机接入模式有:ALOHA/SlottedALOHA、CSMA/CD/CA、RTS/CTS以及基于资源预留的接入机制等。在LTE系统中，随机接入主要用于用户的初始注册以及用户资源带宽的申请。根据接入目的的不同，随机接入进程又分为异步和同步两种。随机接入技术主要采用基于资源预留的slottedALOHA，即用户是先申请后调度接入。在异步随机接入的进程中，系统主要完成以下两个任务:

(1)建立用户与基站的上行同步。

(2)完成用户信息注册以及突发业务的资源调度申请。

另外LTE的上行采用的是基于SC-OFDMA的传输技术，对短时延的高要求也在很大程度上制约了随机接入进程的设计。所以，这些新的需求和变化给LTE的随机接入设计带来了新的挑战。LTE经过将近两年时间的标准化讨论，已经基本确定了随机接入设计的基准。

10.1.1随机接入配置格式

上行链路的定时同步主要是通过基站估计用户的定时信息并将其反馈给用户端作为定时提前量(timingadvance)的调整，或者有可能的话，基站可以直接在接收端将用户的定时偏差控制在循环保护间隔以内。用户信息的注册主要是指用户身份(ID)的获取。10.1随机接入过程随机接入的信号主要是基于接入时隙进行传输，接入时隙的时频结构由系统的无线资源管理器(RRM)进行配置。在LTE标准的TR25.814中已经规定，随机接入信道与数据传输信道既可以用FDM/TDM的方式复用，也可以用CDM的形式复用。

TR25.814规定，异步随机接入时隙的最小带宽是1.25MHz。这主要也是考虑到LTE系统会支持多种带宽，其中最小的系统带宽就是1.25MHz，所以异步随机接入信道可以和其他同步的上行数据信道以及上行控制信道等复用在一起传输。

考虑到实际系统中不同的用户负载状况，LTE系统在每个上行帧中采用多个接入时隙，以平衡用户的负载需求。接入时隙的周期会随着系统带宽的变化而不同，一般接入时隙的周期最大不会超过20个子帧时间长度。为了尽量简化采样方式，缩短等待时间，同时降低基站用户接入检测的实现复杂度，LTE采用在时域上而不是在频域上复用多个接入时隙。时隙复用的模式共有64种，表10.1.1所示为LTE-FDD复用模式，表10.1.2所示为LTE-TDD复用模式。其中，LTE-TDD复用模式的选用是根据实际的系统带宽而定的。

表10.1.1LTEFDD前导格式0～格式3的随机接入配置

表10.1.2LTETDD前导格式0～格式3的随机接入配置上述随机接入模式有64种，共需要6比特的信息。

对于TDD系统，由于TDD帧中上行时隙的数目有限，同时随机接入的时隙也不可能如FDD一样灵活地分布，因此TDD不得不在频域上进行随机接入的复用。在FDD帧结构中，随机接入时隙位置和频域位置由高层指定。FDD上行帧长为10ms，TDD帧的上行帧长有5ms和10ms两种。与FDDLTE不同，TDDLTE中有一特殊的前导发射格式:格式4。为了接入EUTRA网络，UE通过发射5种前导格式中任意一种序列进行随机接入:

·对于格式0~格式3，前导发射的起始位置和上行时隙的起始位置对齐，不必提前发射前导，因为前导格式已经提供了足够的保护时间，不会造成与下一子帧数据的叠加。

·对于TDD的格式4，前导CP448Ts和前导序列4096Ts的总长为4544Ts，前导的发射应该在UpPTS结束前4832Ts开始。这个定时提供了一个时间提前量TA＝4832－4544＝288Ts的保护间隔，以弥补起始时刻的定时偏差，TA是为了避免前导与下一子帧数据相互干扰。10.1.2随机接入的时域结构

在随机接入的链路预算中，异步接入时域的长度与小区要求覆盖的大小有关。由于接入时隙需要克服上行链路的传播时延以及用户上行链路的定时误差带来的干扰，因此一般在时隙长度设计中需要留出足够的保护时间。在LTE协议中，关于接入时域的结构设计最终确定如下原则:

·随机接入时域的最小长度为1ms。其中时隙内的数据块的长度是800μs，循环前缀的长度是103.1μs，保护时间的间隔是96.9μs。

·随机接入频域的带宽是1.25MHz，其中实际占用的有效带宽是1.08MHz，即72个子载波。

·随机接入码字采用长度为839的ZC序列。

·如果考虑较大的小区覆盖，接入时隙的长度需要适当地延长。考虑到大的小区覆盖只是引起较大的传播时延，所以，除了必须增加循环前缀和保护时间的长度外，接入时隙数据块的长度将根据需要周期重复，通常两次重复就足够了。在TS36.211中对RACH定义了五种格式:

(1)格式0:RACH子帧间隔为1ms，GI支持的最大小区半径约15km，如图10.1.1所示。

图10.1.1RACH物理传输格式0

(2)格式1:RACH子帧间隔为2ms，GI支持的最大小区半径约70km，如图10.1.2所示。

图10.1.2RACH物理传输格式1

(3)格式2:RACH子帧间隔为2ms，GI支持的最大小区半径30km，两个RACH是重复的，如图10.1.3所示。

图10.1.3RACH物理传输格式2

(4)格式3:RACH子帧间隔为3ms，GI支持的最大小区半径约100km，两个RACH是重复的，如图10.1.4所示。

图10.1.4RACH物理传输格式3

(5)格式4:专用于TDD模式，RACH子帧间隔为0.168ms，GI支持的最大小区半径约1.4km，如图10.1.5所示。

图10.1.5RACH物理传输格式410.1.3随机接入的用户签名序列

10.1.3.1签名序列的设计

在随机接入中，用户签名序列是用来代表用户的临时身份的。签名序列的设计一般需要遵守以下几条准则:

·具有很好的检测性能，包括较高的检测概率和较低的误检概率。

·序列的数量必须足够多，这样才能利于小区的规划设计以及保证足够低的用户冲突碰撞概率。

·能够检测定时信息，这就要求序列在一定的带宽内具有良好的相关特性。

·序列具有较低的峰均比(PAPR)特性。

考虑到ZC序列能基本符合以上的要求，在LTE系统中就采用该序列作为用户的签名序列。具体ZC序列的表达式如下:

(10.1.1)

式中，u为序列的标识号；NZC为序列的长度。

ZC序列的最大特点是:

(1)在序列的循环自相关点上除了在起始点有峰值外，其他点上接近零。

(2)序列互相关时，只有当两个序列的标识差与序列的长度互素时，相关值才具有恒定的包络值N，具体的表达式如下:

(10.1.2)根据LTE系统中接入时隙的结构设计，对于格式0~格式3，确定采用的ZC序列长度为839。此外，考虑到ZC序列的零自相关特性，为进一步降低随机接入时多用户间的多址干扰，LTE系统采用不同循环移位的ZC序列版本来扩充原始的ZC序列，即

(10.1.3)

这里循环移位由下式给出:(10.1.4)

NCS由表10.1.3和表10.1.4给出，在实际中将主要根据本小区的半径来选用，NCS越大，可支持的小区半径越大。表10.1.3和表10.1.4给出了不同前导格式的循环移位可选长度。

表10.1.3格式0~格式3的循环移位NCS

表10.1.4格式4的循环移位NCS10.1.3.2用户前导(preamble)的产生

用户在异步随机接入时，首先发射的是用户preamble，它是由用户的签名序列调制产生的，代表用户的ID信息。但是需要注意的是，这些用户的ID号都是临时的，只有当接入成功后，基站才会给用户分配正式的ID号。

由于用户的签名序列都是用户随机选择后确定，所以当一个序列被多个用户同时选中又在相同的接入时隙中发射时，这些用户就会发生冲突，而且这种冲突在基站也是很难检测出来的。因此，为了将用户的碰撞概率控制在0.1%以下，同时兼顾基站检测的实现复杂度，LTE系统在每个小区最多分配64个签名序列供用户随机选择，这些签名序列可以由不同的母码序列通过循环移位产生。基站对于冲突用户的检测，将依靠后续接入用户的数据检测判断。

用户preamble既可以在时域产生，也可以在频域中产生。10.1.3.3签名序列的分配

在随机接入前，基站需要广播本小区签名序列的基本信息，即ZC序列的码字标识和循环移位量。LTE讨论确定用10比特信息传输ZC码字序列的标识，同时，在指示签名序列的码字时，只需说明本组ZC码字序列的起始序号，其余的都是依次顺延。签名序列的循环移位量(4比特信息)映射16种不同的选择，如表10.1.3所示，但是移位量的选择要考虑移动环境下小区半径的影响。考虑到不同ZC序列的峰均比值以及抗多普勒频偏的能力各有所不同，在实际应用过程中，需要对ZC序列重新排序映射。协议采用的是基于ZC码字峰均比特性的排序，主要以“立方度量”(CubicMertic，CM)为指标。这种排序方法控制了ZC序列的CM特性，可以让大覆盖的小区使用较低CM的ZC序列。

此外，在小区规划时，为避免多小区间的干扰，应保证相邻小区间使用不同组的签名序列。10.1.4随机接入的用户消息数据

在随机接入时，用户除了要向基站发射preamble外，还要向基站传输一些用户的接入控制消息，如用户的随机接入理由、用户的具体资源请求以及用户的业务优先级等信息，以供基站调度参考。在LTE的异步随机接入中，用户的接入控制消息是在用户的preamble发射成功后，基站会给成功检测的用户反馈控制信息，比如上行定时信息、传输资源块信息以及小区无线网络临时标识符号(C-RNTI)等。当用户接收到基站的反馈信息后，就会先做定时调整，然后在基站分配的信道上传输接入控制消息。所以在传输接入控制消息时，用户之间是不会有竞争冲突的。由于LTE的低时延要求，为了加快用户接入的进程，最初也有很多公司建议将接入控制消息和preamble一起联合传输。但是考虑到用户在接入时隙的实际传输能力和用户之间存在的冲突碰撞风险，最后LTE讨论决定在preamble里面只隐式地传输部分的接入控制信息，隐式传输的方式将签名序列映射为量化后的信息比特。由于每个小区的签名序列总数是64，最多只能映射成6比特的信息(其中还包含了用户的临时ID的信息比特)，所以这种隐式传输的控制信息是相当有限的，一般是选择那些对preamble检测成功后给基站的调度产生重要影响的信息，比如接入的理由、用户的业务优先级等。10.1.5随机接入的流程描述

在进行初始的非同步物理随机接入过程之前，物理层从高层接收如下信息:

·随机接入信道参数(PRACH配置、频率位置以及前导格式)。

·用于决定小区中根序列及其在前导序列集合中的循环移位值的参数(根序列表格索引、循环移位、集合类型(常规或者高速集合))。

物理层随机接入过程包括随机接入前导的发送以及随机接入响应，被高层调度到共享数据信道的剩余消息传输未包括在物理层随机接入过程中。物理层随机接入过程包括如下步骤:

(1)高层请求发送前导触发物理层过程。

(2)高层请求中包括前导序号、前导传输功率、关联的随机接入无线网络临时标识(RARNTI)以及PRACH资源。

(3)使用前导序号在前导序列集合中选择前导序列。

(4)使用选中的前导序列，在指示的PRACH资源上，使用前导传输功率进行一次前导传输。

(5)如果在随机接入响应窗中没有检测到与RARNTI关联的PDCCH，那么对应的DLSCH传输块被送往高层。

(6)如果已经过了随机接入响应窗，则退出物理随机接入流程。

10.2.1随机接入检测原理

LTE的上行随机接入前导码使用的是ZC序列的循环移位序列，第u个根序列定义如下:

(10.2.1)

其中，u是根序列母码，NZC是ZC序列的长度。在LTE中规定preambleformat0～preambleformat3时，NZC＝839，preambleformat4时，NZC＝139。10.2检测算法基于根序列，随机接入前导码利用根序列xu(n)和循环移位Cv生成:

xu，v(n)＝xu((n＋Cv)modNZC)

(10.2.2)

其中，循环移位Cv定义如下:

(10.2.3)每个小区最多有64条前导码序列，这64条序列可以是来自同一个根序列的不同循环移位序列，也可以是来自不同根序列的不同循环移位。

基站可以利用ZC序列的相关性质对随机接入信号进行时域相关检测来获得上行的定时调整量。

时域相关检测方法直观上定义为对接收到的信号和本地序列的各循环移位的复共轭进行点乘并求和，得到每个循环移位采样点的时域相关值。这在数学上可以等效成接收到的频域信号和本地频域序列复共轭点乘后作反傅立叶变换到时域。其数学推导如下:假设接收信号的时域形式为y(m)，频域形式为Y(k)；本地母码序列的时域形式为x(m)，频域形式为X(k)。那么两者的相关函数R(m)可以表示为

(10.2.4)

其中，m为循环移位采样点，N为ZC序列的样点数。因此，对使用同一个根序列的不同循环移位作为前导码的RACH用户，把接收到的信号转换到频域后将其与该根序列的频域序列复共轭点乘，对点乘后的结果作反傅立叶变换到时域，即可得到每个循环移位采样点对应的时域相关值。

通过对本地根序列的各循环移位序列对应的循环移位搜索窗位置的时域相关值进行峰值检测，便可以知道UE使用的是哪一条preamble码，同时还能检测出UE的定时提前量。图10.2.1为RACH时域相关检测方法的示意图。

图10.2.1RACH时域相关检测方法的示意图

RACH时域相关检测的步骤如下:

(1)基站对各接收天线的信号进行频率校正和降采样处理，然后进行M点(M取决于降采样倍数，比如M＝1536)FFT(FastFourierTransform，快速傅立叶变换)，从频域信号提取出NZC点的RACH信号。

(2)将该信号与每个本地母码的频域根序列作复共轭点乘，作NZC点IFFT(InverseFastFourierTransform，快速傅立叶逆变换)得到时域相关值，然后对这NZC个时域相关值求模平方，得到时域相关能量序列，其能量值反映了信号及噪声功率大小。

(3)将多天线或者有前导码重复的格式进行相关能量值合并，得到合并后的NZC点时域相关序列，进行峰值检测，最后即可检测出前导码位置及定时时延。

RACH信号的检测捕获性能可以用前导的漏检概率和虚警概率来表征。在给定虚警概率目标的前提下，通过对应的检测门限，可以测试RACH信号的漏检概率。

虚警概率定义为在时域相关检测中，当没有信号发送时检测到前导的概率。

漏检概率定义为当检测到一个不同于发射的前导，或者根本没有检测到一个前导，或者检测到正确的前导但是错误的定时估计等这些情况发生的概率。

3GPPTS36.104协议要求目标虚警概率一般小于或等于10－3，当不发送信号时，虚警概率等于或略小于10－3的检测门限定义为虚警检测门限。

在3GPPTS36.211物理层协议中，循环移位Cv的定义分为非限制集(unrestrictedsets，也叫低速集)和限制集(restrictedsets，也叫高速集)，那么，在作相关峰检测时也应该分成两类。下面分别讲述中低速小区和高速小区的峰值检测算法。10.2.2低速检测原理

通过上述时域相关运算，可以得到每个根序列在不同循环移位上的相关值。当所述相关值超过一定的检测门限时，认为该相关值是RACH信号进行相关运算的结果，且对应的时间采样点认为是定时信息；否则，未超过检测门限时，该相关值被认为是噪声，所述检测门限也叫峰值检测的绝对门限值。在中低速小区非限制集中，循环移位定义如下:

(10.2.5)

由此可知，不同循环移位对应的相关峰位置是NCS的整数倍，因此可以构造一个宽度为NCS的窗搜索。当窗内一个相关值与噪声功率的比值超过虚警检测门限时，认为前导检测成功，该前导的循环移位为Cv＝floor(x/NCS)，其中x是峰值对应的采样点位置。基站侧由该循环移位和当前本地根序列计算出UE发端的前导码，完成一次随机接入检测。10.2.3高速检测原理

在高速检测中，高速移动带来的多普勒频移会对ZC序列检测带来一定影响，下面详细介绍ZC序列的频偏特性。

已知ZC序列的表达式为

那么，在循环移位整数du之后，得到

(10.2.6)

其中，((·))N是取模运算；

是一个与n无关的相位旋转常量。由此可见，频偏对ZC序列的影响等效于在发端增加了du的循环移位量，且当u·du＋1＝NZC·m或者

也就是ZC序列产生1倍频偏时，接收端检测到的整个相关峰会偏移du。同理，若ZC序列产生1倍负频偏时，相关峰则偏移－du；若u·du±2＝NZC·m，相关峰则偏移±2du。由于1倍频偏

相当于是一个子载波间隔的频偏Δf，而在下行UE进行频偏校准之后，上行RACH的频偏一般不超过Δf，所以，接收端的相关峰是一个无频偏的序列和有1倍频偏的序列作相关检测后的中间状态。也就是Cv处原有的相关峰峰值会泄露到Cv±du处，形成伪峰，且随着频偏慢慢增大，主窗峰值能量逐渐向Cv±du位置转移。

在3GPPTS36.211中，协议针对ZC序列的频偏特性构造了分别适用于中低速检测和高速检测的两组循环移位集合，以限制高速检测中多普勒频移对ZC的影响。在高速小区限制集中，循环移位定义如下:

(10.2.7)

其中:

其他情况，该条母码只使用根序列，不使用其偏移形式。由上述可知，循环移位对应的搜索窗位置和Cv±du对应的搜索窗位置都是独立不重叠的。因此，可以在Cv±du处如图10.2.2所示分别构造两个副本窗，并和Cv主搜索窗进行综合检测，这样就可以规避多普勒频移带来的影响。

在高速小区作综合检测时，可以考虑优先对主窗和副本窗分别进行窗内检测，如果能满足相对门限，则认为检测成功；如果三个单窗检测均未发现相关信号，则可以作窗合并后再作窗内搜索。这样能较好地抑制频偏对ZC序列检测的影响，提升高速小区的检测性能。

图10.2.2高速小区检测示意图

10.3.1多天线虚警概率分析

根据虚警概率定义知，当发端不发送信号时，接收端信号为高斯白噪声，而频率校正、降采样滤波、时域相关、FFT/IFFT均不会影响高斯白噪声的数学特性。因此，模平方之后的噪声序列服从χ2分布。不同自由度k的χ2概率密度函数如图10.3.1所示。10.3随机接入性能

图10.3.1自由度为k的χ2概率密度函数假定噪声表达如下:

n＝nr＋jni

(10.3.1)

该式为复高斯过程，并有

(10.3.2)

当信号s不存在时:

(1)单天线:定义单天线判决量Ａ为(Ｎ为门限)

(10.3.3)

该式等效为

是具有两个自由度的标准chi-square分布，则单天线虚警概率可以表达为

(10.3.4)(2)两天线:对两根天线，直接能量相加后，判决量定义为

(10.3.5)

该式等效为

是具有四个自由度的标准chisquare分布，则两根天线的虚警概率表达为

(10.3.6)(3)M根天线:同样，可以导出对M根天线的虚警概率为

(10.3.7)

是具有2M个自由度的标准chi-square分布。

根据式(10.3.4)、式(10.3.6)、式(10.3.7)，可以得到不同天线下的虚警分布曲线，如图10.3.2所示。从图中可知，对于10－4的虚警概率，则1，2，4，6，8天线对应的N分别为18.5/2，23.5/4，32/8，39.5/12，46/16。

图10.3.2不同天线的虚警分布曲线10.3.2多天线漏警概率分析

根据漏检概率定义知，有信号存在时，相关前的信号为

s＋n＝sr＋nr＋j(si＋ni) (10.3.8)

相关后的信号等效为

(10.3.9)

其中Q为扩频增益839。

(1)单天线:判决量定义为

(10.3.10)

该式等效为

由于

的分布可以认为是自由度为２的noncentralchi-square分布，即

其概率分布为

(10.3.11)

式中，Iv(z)是修正的Bessel函数。所以漏检概率为

(10.3.12)(2)两天线:

对两天线的分析有以下结果:

(10.3.13)

该式等效为

是自由度为4的noncentralchi-square分布，即

则漏检概率为

(10.3.14)(3)M天线:

对于M天线，有

(10.3.15)

该式等效为

是自由度为2M的noncentralchi-square分布，即

则漏检概率为

(10.3.16)

根据式(10.3.12)、式(10.3.14)、式(10.3.16)，可以得到不同天线下的漏警分布曲线，如图10.3.3所示。

从图中可知，对于10－4的虚警概率，10－3的漏警概率，从单天线到八天线，检测性能增益为(2/4/6/8antennas，dB):2.5500，2.3800，1.3200，0.9400。显然，从四天线到八天线，增益小于从两天线到四天线。

图10.3.3不同天线下漏警概率分布曲线

3GPPRAN147会上，提出了基于1ms1.08MHz带宽的非同步随机接入(NSRA)的干扰问题。前导是ZC序列通过循环移位来生成的，同时非同步随机接入的频率资源可用作同步上行数据传输。不同CP的RACH结构和不同的非同步随机接入及上行数据速率，在非同步随机接入和上行数据之间会存在干扰，会上给出了非同步随机接入和上行共享信道之间精确的干扰评估。10.4干扰分析10.4.1PRACH收/发结构

非同步随机接入基于SC-FDMA的DFT-S-OFDM，PRACH发射端结构如图10.4.1所示，接收端结构如图10.4.2所示。

图10.4.1PRACH发射端结构框图图10.4.2PRACH接收端结构框图10.4.2仿真设置

NSRA仿