tdlte系统rach信号检测技术的研究(毕业论文)（可编辑）

1、TD-LTE系统RACH信号检测技术的研究(毕业论文) 编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：TD-LTE系统RACH信号检测技术的研究学 院 名 称 ：通信与信息工程学院学 生 姓 名 ： 专 业 ： 电子信息工程班 级 ：学 号 ：指 导 教 师 ：答辩组 负责人 ：填表时间： 2013 年 6月重庆邮电大学教务处制摘 要日前，移动通信是通信领域中应用最广泛、发展最快且最为前沿的通信技术。为了更好的促使移动通信能够在通信领域中占有领先的主导地位。3GPP在2004年底开始了对于3G的演进型系统，即LTE（Long Term Evolution）系统进行了研究和

2、执行标准化工作，该系统增强并改进了3G技术的空中接入技术。在这种新技术中，主要通过OFDM和MIMO技术来演进无线网络。在TD-LTE系统中用户与网络端之间存在一个建立连接的过程，在移动通信上这个连接过程被称为随机接入过程。这个过程是发生在终端与网络端连接通信之前，只有在UE端获得了上行同步或者是UE端与网络端建立起连接时，移动终端UE才可以与网络端之间进行正常数据的接收和发送。在TD-LTE系统中，要求能够提供更大的存储容量以及拥有更短的连接时延，所以设计出更快捷更有效的随机接入方式，对于TD-LTE系统的性能有巨大的作用。无线帧中的RACH信号使用的是Zadoff-Chu序列，由于该序列在

3、频域和时域之间具有很好的相关性的特点，因此利用本地生成的前导序列和接收端接收到的信号进行互相关，然后在输出的序列中查找到峰值并同时记录峰值所在的位置，这样就可以得到发送端发送的前导序列号和在时间上的提前量。在基于竞争的随机接入上，利用频域检测方法对RACH信号的检测能够很好的检测出前导序列。相对于时域信号检测该算法计算复杂度低，效率高能够很好的满足LTE的需求。【关键词】 TD-LTE系统 随机接入 前导序列 频域检测ABSTRACTRecently, mobile communication is the most widely used application in the field o

4、f communication, the fastest growing and the most cutting-edge communications technology. In order to promote the occupies leading dominant in mobile communication field; we started on 3G evolution system, LTE Long Term Evolution research and standard system of work. in this new technique at the end

5、 of 2004, with using of OFDM and MIMO Technology the only standard we use in wireless network evolution. Between the user and the network side there is a connecting process in the TD-LTE system. It called random access process. This process is connected to the terminal and the network side communica

6、tion before. Only UE receives uplink synchronization or set up a UE and network connection. So, the UE side and a network terminal can work for receiving and sending to the normal data, the requirement to provide greater storage capacity, and has a shorter connection delay with designing a random ac

7、cess process faster and effective. It is more important for the performance of the TD-LTE system. With using of RACH signal in the radio frame in TD-LTE system is the Zadoff-Chu sequence. Because of the sequences correlated well between frequency domain and time domain. The leader sequence of locall

8、y generated and received signal correlation And then find the peak in the output sequence. The leader sequences number can be sent by the sending end and at the time of the advance. Based on the competitive random access, we proposed to frequency-domain detecting method of RACH signal. U sing this m

9、ethod could detect the RACH signal well. Compared to the time-domain signal detection algorithm, it has low computational complexity, high efficiency which can be very good to meet the demand of LTE.【Key words】TD-LTE system Random access leader sequence Frequency detection目 录前 言1第一章 TD-LTE系统概述2第一节 T

10、D-LTE系统的发展历史及趋势2一、TD-LTE系统的基本概念2二、TD-LTE系统产生背景及趋势2第二节 TD-LTE应用领域3一、TD-LTE的移动高清会议3二、TD-LTE的高清视频监控3第三节 本章小结4第二章 TD-LTE系统的关键技术5第一节 TD-LTE系统技术与架构5一、TD-LTE系统架构5二、功能实体描述5三、LTE系统技术作用6四、LTE系统技术特点6第二节 TD-LTE系统关键技术7一、SC-FDMA技术7二、OFDM技术8三、多输入多输出技术8第三节 帧结构和物理信道9一、TD-LTE系统帧结构9二、物理信道10三、LTE系统协议层结构10第四节 本章小结11第三章

11、TD-LTE系统随机接入过程12第一节 TD-LTE随机接入简介12一、随机接入概述12二、随机接入作用12第二节 随机接入过程的触发12一、基于竞争中的几种触发12二、基于非竞争中的几种触发13第三节 竞争随机接入过程13一、竞争随机接入流程图13二、竞争下的两种随机接入过程15第四节 非竞争随机接入过程16一、基于非竞争随机接入过程16第五节 本章小结17第四章 RACH信号检测与仿真18第一节 RACH信号检测流程18第二节 RACH信号的生成18一、随机接入前导发送流程18二、前导序列的生成19三、PRACH时频位置的计算20四、随机接入资源的选择请求22第三节 RACH信号检测22一

12、、接收数据的处理流程23二、接收前导序列23三、本地序列生成25四、接收端序列与本地序列相关26五、门限值设置26六、仿真结果分析31第四节 本章小结33附 录38一、英文原文38二、英文翻译43三、源程序48四、其他50前 言随着时代的不断进步和现代移动通信技术不断发展，促使了移动通信技术在交通、航空、航海、卫星、军事、核能等领域上得到了广泛的应用。现代移动通信技术是上世纪20年代开始发展起来的，它的出现使数据通信与多媒体业务在通信领域中不断快速的发展，第四代移动通信技术的出现与使用，使移动数据和移动性的计算以及移动多媒体的运作做出了相当好的成绩，并且它们都正在逐步的迈向成熟。早在2004年

13、11月时，移动通信系统就对LTE系统的相关技术有了初步需求，希望LTE系统能够早日的运用到移动通信领域中来。到了2005年6月在法国召开了3GPP会议，在3GPP会议上提出了关于OFDM的TDD演进模式的一些方案；在同年的11月份，该会议已经通过了对TD-SCDMA的后续演进LTE TDD技术的提案6。直到2006年6月，LTE系统的研究基本上结束；在2007年的时候，正式对LTE系统规范制定写入了3GPP标准中。在中国政府的大力支持下，中国自己主导制定了TD-LTE国际标准。到了2012年底，为了运营商有更好的利润空间以及能够满足全球通信领域不断发展的要求；世界各地已经有几十家运营商开始计划

14、或者已经正在使用TD-LTE系统。2012年10月23日凌晨，中西部第一个TD-LTE基站成都站率先迈入4G时代，到现在为止中国移动已经建立了超过2万个TD-LTE基站。科学家们研究4G通信的目的是为了能够提高蜂窝 和移动装置无线访问因特网的速度。4G在测试和被试用的阶段时候，它给广大群众印象最深刻的特征就是具有更快的无线通信速度和拥有更可靠的通信。科学家们预计4G通信能够在上行传送数据速度上一般可以达到50mbps，下行下载数据的速度上可以达到100mbps甚至更高；因为4G技术占有相当多的频谱资源，是3G网络的几十倍。但是现在的4G技术还不是很成熟，存在着一些问题比如：不好实现、容易受到限

15、制，市场上不足以消化，大多设施不好更新。但是通信领域中拥有了TD-LTE系统技术不仅提高了网络的速度，降低了通信时延，而且同时使实时交互型的业务能够得到发展，LTE系统有了更多的应用技术1。4G系统能够实现用户保持在线实现各种业务，它的使用会使人们的生活水平和生活方式也将发生更大的变化。未来的4G通信将使我们不仅可以在隧道、车载、领海、领空、高大建筑物之间、地下通道里随时随地通信，同时也可以双向下载传递资料、图画、影像，而且也可以和从未谋面的陌生人网上快速联线娱乐。第一章 TD-LTE系统概述 TD-LTE系统的发展历史及趋势一、TD-LTE系统的基本概念TD-LTE即是Time Divisi

16、on Long Term Evolution的简写，该系统主要运用了正交频率复用OFDM技术和多输入多输出MIMO技术。它不仅是LTE技术中的TDD模式，而且也是TD-SCDMA标准的长期演进而成的。TD-LTE有两个版本，分别是时分双工（TDD）版本的LTE的技术，另一个是频分双工（FDD）版本的LTE技术。TDD与FDD的区别是：前者采用的是不对称的频率，是用时间进行双工的；而后者是采用一对频率来进行双工的。第四代移动通信系统被称为是广带接入和分布式接入的网络，因为其网络结构采用的是全IP的网络结构同时运用了许多关键技术来进行技术支撑，其中主要技术有：正交频率复用技术OFDM，MIMO和智

17、能天线技术以及多载波调制技术，自适应调制和编码AMC技术，软件无线电技术以及网络优化和安全，是基于IP技术的核心网等。 二、TD-LTE系统产生背景及趋势尽管目前3G系统的各种标准和规范已经获得通过，现处于通信领域中占有主导地位，但是3G系统仍存在有很多不足的地方。因为3G系统运用的是电路交换技术不是纯IP技术方式；3G系统目前还不能够达到2Mbps最大传输速率，目前，还不够满足用户心中的高带宽以及3G系统许多标准还不能够实现全球漫游。正是由于3G系统的这些局限性的存在和为了满足未来用户们的需求，3GPP对4G系统进行了对现有3G标准进行了进一步的提高，同时以研制全新的国际通信标准为目的。TD

18、-LTE系统的出现将对现有的移动互联网业务发展和需要进行了补充，它不仅实现了从话音优化到数据优化，而且也同时能够提高宽带业务的利用率和容量的优化以及提高了密集人群之间通信的容量1。到20世纪末，学术界已经在实现OFDM技术、MIMO（多输入多输出）技术的理论和算法以及软硬件方面都已经拥有了比较丰富的技术。另外，LTE技术用网关来保持与传统的网络之间互联，因此4G系统一个复杂和多协议网络。因为TD-LTE系统在移动通信领域上比3G系统具有显著优势，所以目前全世界很多国家都在建设TD-LTE系统的商用网络。其中，中国移动有很多的TD-SCDMA基站是通过软件升级来使系统自动演进成TD-LTE系统，

19、因此TD-LTE系统将会比3G系统中的TD-SCDMA拥有更好的发展前景1。随着TD-LTE系统的不断的成熟，但是3G和2G系统目前还是在市场上占有主导的地位，并将与LTE系统长期的并处；同时LTE技术拥有承载高速的各种数据业务的功能。TD-LTE系统的目标是希望能够在一定的程度上促进3G技术的发展，并要求移动通信的技术能够在未来几十年里能够满足用户的需求。3GPP设计该TD-LTE系统的主要目标是满足低用户与网络的接入时延和降低移动终端系统的复杂度以及移动终端的低成本的要求。从而能够满足用户拥有比较高的网络存储容量，系统吞吐量能够得到提高以及使UE端到eNode B端之间的服务质量得安全保证

20、5。因此移动通信技术在未来几十年里，TD-LTE系统在通信领域里占有绝对的主导地位以及具有很好的发展前景。第二节 TD-LTE应用领域一、TD-LTE的移动高清会议随着时代的不断进步以及用户的欲望越来越强烈和随着工作节奏的不断加快，为了提高各核心城市的各种商业业务能够拥有快速的处理效率，科学家们提出了一种虚拟的网络会议，该会议不需要各个地方的会议人员聚集到一起，就能够获得高效率的信息；所以把这个高效的会议定义为移动网络会议。正是由于TD-LTE技术的不断出现和运用，促使了网络会议在当前运用得比较广泛。TD-LTE技术能够提高效网络资源和带宽，从而实现高清晰的现场会议。只要公司需要召开什么重要的

21、会议时，都可以通过TD-LTE技术给不在同一地理位置的工作人员召开高清晰的会议。TD-LTE技术同时也具有高效的实时性，因此各个不同地理位置的会议人员此时使用TD-LTE系统提供的数据卡就可以将会议的全部内容高清晰传入会议中心，同时会议中心现场场景也可以同步传到网络中去。二、TD-LTE的高清视频监控移动高清视频监控现在已经广泛应用到公安交通、卫星、航海、航空、地质探测等系统中。在对于公安交通技术中，使用TD-LTE系统对一切进行全程现场的高清晰监控，从而使指挥中心与移动终端设备可以能够同时共享实时的信息。利用无线电通讯设备和车载终端以及TD-LTE系统的数据卡设备可以构成协作式设备组合，使一

22、体化多媒体指挥中心能够与现场警员同时共享实时信息，从而可以实现交通管理机制。TD-LTE系统的出现促使了公共安全所需要的先进通信得到了保障。在以后LTE技术会在世界很多领域中得到广泛的应用。第三节 本章小结本章概要的介绍了TD-LTE系统的基本概念和该系统在通信领域产生的背景。TD-LTE系统的发展历史以及未来的走势，该系统在高速通信领域的应用，主要介绍了应用于移动高清会议和高清视频的监视作用。第二章 TD-LTE系统的关键技术第一节 TD-LTE系统技术与架构一、TD-LTE系统架构图2.1 TD-LTE系统架构 由图2.1中可知eNode B与eNode B之间构成了LTE系统的接入网络，

23、MME（Mobility Management Entity），S-GW（Serving Gateway）构成了LTE系统的核心网络。其中S1接口是连接eNode B与核心网的，S1接口与3G系统网络空中接口Iu接口都是连接核心网的，它们所处的位置是一样。一方面与evolved RAN中的节点相连接，一方面与核心网中的MME/S-GW节点相连接。X2接口将eNode B与eNode B相连接。其中提供访问无线接入网的接口是S1接口，S1接口能够实现用户平面功能以及控制平面的功能。在接入网中，eNode B与eNode B之间存在许多的连接的接口，该接口也同时能够在支持激活的终端实现移动性和实现

24、小区之间的无线资源管理功能。二、功能实体描述eNode B端的主要功能是提供了无线承载的控制和接入控制以及链接移动性控制和为UE端实现上行与下行的资源分配；同时还具有压缩IP头和给数据用户的加密以及用户面数据的路由功能；实现寻呼或者广播消息的调度和发送以及测量移动终端的移动性和报告的配置的测量作用。MME的主要功能，是为了eNode B接入层的之间控制提供了分发寻呼信息以及核心网节点信令的控制；同时也实现移动终端空闲时的一个管理以及SEA承载控制和加密与保护非接入层信令功能，同时实现用户向2G/3G网络切换时的SGSN的选择以及实现漫游功能。Serving Gateway的主要功能提供了移动终

25、端的移动性用户面之间的切换和路由与转发分组数据以及传输层分组数据的标记以和合法监听以及实现用户计费。PSN Gateway的主要功能提供了使用户的数据包能够的安全通过以及实现IP地址的分配和上行与下行数据包标示。三、LTE系统技术作用LTE系统技术是现代移动通信领域中的一种先进的通信技术，因为LTE系统采用了OFDM技术和MIMO技术。运用该技术不仅提高了数据上下行的数据速率，而且使小区边缘的速率得到了提高以及频谱利用率的改善，降低了控制平面与用户平面之间的延迟，同时也改善并降低了运营和建网的成本，使用户随时随地使用不同的终端都可以顺利的接入到该系统成为了可能，同时用户能够获得更加舒适的体验，

26、并且该系统技术能够与现有的2G或者3G网络相互并存。四、LTE系统技术特点3GPP长期演进（Long Term Evolution, TLE）项目，它是通过UTRAN和UTRA改进后的项目，它主要是对包括核心网的全网技术进行演进。LTE也被称为了3.9G，因为LTE系统提具有很高的数据传输能力，它具有100Mbps的峰值的下行数据传输能力和50Mbps的峰值上行数据传输能力。所以，LTE系统被视作了是从3G系统向4G系统的一个演进技术。LTE系统能够提供较高的数据率以及拥有低时延和全分组的移动通信系统的全部特点，LTE系统拥有以下主要的特点： TD-LTE系统数据传输速率将会更加的快，能够实现

27、灵活的频谱带宽配置，同时也支持一定的可变带宽。 频谱利用效率将会更加的高，能够实现下行数据下载速率达到100Mbps的峰值，数据上传速率达到50Mbps的峰值；系统频谱利用率和用户的吞吐量是HSPA好几倍。4G网络引入了或者使用了许多功能比较强大的一些技术，这些技术使无线电的频谱利用率是2G和3G系统利用率几十倍，而且速度相当的快，下载速度是第二代和第三代移动通信系统的好几十倍5。 网络拥有了更宽的频谱，专家们预测每个4G信道将会占用100MHz或者是更多的带宽，而3G网络的带宽是在520MHz之间。 系统的将会拥有更大的容量，4G系统采用了全新的网络技术（比如空分多址技术、OFDM、MIMO

28、技术等）去更加有效的提高TD-LTE系统的容量和提高小区边缘的传输速率。全新技术将会增强3GPP LTE系统的覆盖性能，用户面内部的延迟要求在5ms内，控制平面从睡眠空闲的状态到激活状态的时间要求在50ms内。移动终端从待机状态到开始传输数据状态，时延低于100ms，通过这样来满足未来世界的大量信息通信的要求。 灵活性和自组织性更加的强大，智能技术是4G系统主要采用的技术。因为该技术可以自适应地给上下行分配资源，同时也能够处理不同的业务。对于不同的信道条件或者是在困难的环境下，进行信号的正常接收和发送都需要采用智能信号处理的技术来完成。另外，用户可以在随时随地使用各种移动设备都可以接入到4G系

29、统中，来畅想高速的数据处理。 使多媒体广播和组播业务能够实现更高质量的通信和具有使大量的信息能够顺利的通过宽频信道来传送或者接收数据。让用户可以在任何时间、任何地点都可以随时随地的接入到系统中。所以第四代移动通信系统具有了实时性的，宽带性的以及无缝覆盖的多媒体移动通信功能；同时4G该系统也提供了全球移动终端的漫游功能，使用户上网费用更加的便宜的功能。第二节 TD-LTE系统关键技术一、SC-FDMA技术在TD-LTE系统中，3GPP定义了该系统的上行链路运用的是单载波频分多址（SC-FDMA）作为多址技术；因为该技术在上行链路中能够实现比较高功率的一个放大的作用；由于SC-FDMA技术所使用的

30、单载波上的相位都是非常有规律的，它们的能量都不一样，因此在子载波叠加后的峰值平均功率比是比较低的；所以该技术具有比较低的峰值平均功率比的功能；所以在峰值平均功率比非常小的移动终端UE都可以在发送功率上得到较大的好处，从而能够保证移动终端用户的电池寿命得到延长。二、OFDM技术OFDM是一种多载波传输的技术。在3GPP的LTE系统中的空中接口的无线传输下行采用的是正交频分复用（OFDM）技术。该技术是基于傅里叶变换为基础的一种技术，它是在多载波调制（MCM）技术的基础上发展而来的。在20世纪80年代，由于大规模集成电路技术的不断出现并运用到了通信系统中，它的出现导致了傅里叶变换的复杂度发生了匪夷

31、所思的变化，所以从那时起OFDM技术在通信领域中得到了越来越广泛的应用。OFDM技术是把有效的信号带宽分解成了许多个窄带的子载波形式，然后使各个子载波相互之间都进行正交，这样的目的就是使每个子载波都可以单独在信道中独立的传输信息。通过正交频分复用后就大大的减少了各个子信道相互之间的干扰，而且又提高了频谱的使用率。每个子信道的正交调制都是用逆快速傅里叶变换（IFFT）和快速傅里叶变换（FFT）的方式来实现的。然后在通过大规模集成电路来实现IFFT和FFT，对于大规模集成电路实现傅里叶之间的变换都是比较容易的，从而就可以降低系统的复杂度。目前OFDM技术的应用有以下5个重要的特点： 并行低速的传输

32、：通过并/串转换将正在高速运作的数据转换后，该数据就被分割成了很多份并行且低速的数据流，这样每个路段的并行数据流就能够采用载波调制来叠加的发送数据。 均匀与抗衰弱：正是由于OFDM技术能够对信道频带具有分割的作用，那么每个子载波拥有了比较窄的信道带宽，因此可以将它其作为一个比较平坦衰弱的信道。OFDM技术具有子载波小带宽和简单的均衡以及大带宽的抗衰弱的特性。 它对多径时延引起的码间干扰具有作用：在OFDM技术中运用了一个循环前缀（CP，Cyclic Prefix），当循环前缀的时间间隔大于了信道的时延扩展的时候，此时就可以完全解除码间对系统的负面影响。 同时支持多个用户的调度：OFDM系统技术

33、能够利用信道的频率，对用户资源进行选择性的调度，当然用户也可以选择自己认为最好的频域资源来进行数据的传输，从而使用户获得频域调度。 基于DFT的实现：OFDM信号采用了离散傅里叶变换来对信号进行调制和解调，从而实现了OFDM技术难的问题了。三、多输入多输出技术多输入多输出（MIMO）技术，该技术正式被提出是在20世纪70年代，把MIMO技术开始用在了移动通信领域中。且在提出不久，MIMO技术对移动通信系统产生了巨大的作用，从此该技术在通信系统里正式的得到了广泛的应用。MIMO技术能够改善现有的无线电通信，它是通过两种不同的方式来改变无线电通信的：一种是分集机制，另一种是空间复用机制。通过多个发

34、射天线来获得分集机制，但是此时必须考虑到多个天线之间存在的相互干扰问题。通过利用收发天线之间存在的多条通路来完善系统的健壮性以及解决系统误码率。空间复用机制运用的环境是在充分散射的MIMO中完成的，运用空间复用机制后，接收天线就能够识别出是哪个发射天线发出来的信号。在MIMO技术中实现空间分集比较容易的。第三节 帧结构和物理信道一、TD-LTE系统帧结构在TD-LTE系统中，一般提到的帧结构指的是无线帧的结构。对于TDD系统来说，因为它的上行和下行都是在同一工作频率下工作的，所以帧结构需要同时给出上行和下行所占用位置和资源的时间信息等。TD-LTE物理层帧结构类型2如图2.2所示，由图可以看出

35、在10ms的无线帧中拥有两个半帧且每一个半帧长度是。其中每半个帧中有5个子帧，每个子帧长度是。图2.2 TDD帧结构类型2对于TDD系统来说，上行和下行在时间上是分开的且它们的载波频率都是相同的。对于前导格式为0-3时，在每个10ms的周期内上行和下行将会有10个子帧是能够运用的，且每个子帧都可以是上行或者是下行的。对于前导格式4时，每10ms内只有两个子帧可用（子帧1和子帧6）为固定配置的特殊子帧，可以是上行或者是下行；且每一个特殊子帧由DwPTS、GP和UpPTS3个特殊的时隙组成，组成的帧结构类型2特点有以下几点： 上行和下行的能够支持5ms和10ms的切换周期。 对于5ms切换的周期中

36、，每以个5ms的半帧中都配置了一个特殊的子帧。对于10ms切换周期中，特殊的子帧是在第一个5ms子帧中配置的。 子帧0、5和DwPTS时隙总是用于下行数据的传输。UpPTS以及相连的第一个子帧总是用于上行数据的传输（比如：子帧2、7等等）。二、物理信道为了提高移动通信系统的性能，TD-LTE系统对原来的3G网络构架进行了改进。由TD-LTE系统的架构可知没有了RNC。其中由eNode B来对空中接口的控制平面和用户平面的功能进行控制和管理的；对于接入网不仅承担了汇聚子层的功能，而且也包括了部分核心网的功能。根据TD-LTE系统的接入网协议来看，它包括了RLC层与MAC层间的逻辑信道、MAC层与

37、物理层间的传输信道和物理层的物理信道。TD-LTE系统物理层信道包括以下两类信道：1、上行物理信道 PRACH（物理随机接入信道）：用于UE端的上行连接同步或者上行数据资源请求。 PUSCH（物理上行共享信道）：用于承载上行数据的。 PUCCH（物理上行控制信道）：用于承载上行的控制信息。2、下行物理信道 PBCH（物理广播信道）：用于承载重要的系统信息。 PDSCH（物理下行共享信道）：用来承载数据的信道。 PDCCH（物理下行控制信道）：用于承载下行控制信息。三、LTE系统协议层结构对于TD-LTE系统物理层周围的无线接口协议结构图如2.3所示。层1与层2的MAC子层和层3的无线资源控制R

38、RC子层都具有接口，其中的圆圈表示不同层/子层之间的接口。物理层向MAC层提供了传输信道和MAC层提供不同的逻辑信道给2层的无线链路控制RLC子层。图2.3 物理层周围的无线接口协议结构第四节 本章小结本章主要的介绍了LTE系统的网络结构与LTE系统的结构图以及物理层的过程和功能、TDD的帧结构。重点介绍了TD-LTE系统的SC-FDMA技术、OFDM技术、多输入多输出关键技术。第三章 TD-LTE系统随机接入过程第一节 TD-LTE随机接入简介一、随机接入概述随机接入 RACH，Random Access Channel）是在UE端与网络端之间建立起无线链路之前或者是为了实现定时同步的一个过

39、程。只有当该过程成功完成以后，eNode B端和UE端才可能有数据正常的接收和发送。也就是说移动终端发送的同步上行信号，基站检测到该信号后，在序列信道上回应并做出相应指示信息；移动终端接收到序列响应之后会根据基站的指示在物理随机接入信道PRACH上发送要求建立连接消息请求；最后使网络端与UE端之间建立起相互的通信。这样UE端就可以通过随机接入过程与eNode B端取得上行的定时同步和获得上行资源。二、随机接入作用随机接入的主要作用就是为了使移动终端与网络端之间能够获得更加精确的定时同步。移动终端可以从广播信道帧的第一个开始时隙或者结束时隙来接收信息或者发送信息，但是广播信号的发射和接收之间存在

40、者一定的时延，所以导致移动终端无法估计自己应该在何时开始发送上行数据。随机接入过程便可以解决该问题，通过随机接入可以对定时的偏差和功率以及资源的请求等等进行相应的调整；从而使移动终端与网络端实现更加精确的定时同步，促使两者之间能够正常的发送和接收数据。第二节 随机接入过程的触发一、基于竞争中的几种触发 网络端与移动终端链路失败时，需要恢复RRC连接时的重新建立过程。 虽然UE在网络中处于连接状态，但是并没有取得上行同步，此时UE端就需要另外接收下行的一个数据。 虽然UE在网络中处于连接状态时，但是此时需要从当前被服务的小区转换到另外一个需要服务的小区时。 UE刚开机或者即将与网络端发起接入时。

41、二、基于非竞争中的几种触发 UE在网络中处于连接的状态，但是此时需要将连接从当前小区切换到另一个目标小区的时候。 连接状态时，在请求随机接入过程期间基站发送了下行链路的数据到达。第三节 竞争随机接入过程一、竞争随机接入流程图竞争随机接入就是指当eNode B端还没有给UE端分配指定的前导码，而是由UE端随机选择一个前导码，然后发起的一个随机接入过程；该随机接入过程可能会发生几次，直到达到系统规定的最大请求次数为止。在一般的情况下，eNode B端会第一个考虑选择非竞争随机接入。因为这种接入比较容易实现同时能够为系统争取时间。如果在非竞争随机接入资源不够时候，eNode B端才指示UE端发起竞争

42、随机接入。基于竞争模式下的随机过程如图3.1所示。 图3.1 基于竞争的随机接入过程1、随机接入前导的发送随机接入前导的发送是在物理层中实现的，为上行消息。该消息是由移动终端UE发送给网络端eNode B。此时的eNode B将负责对前导码以及用于发送前导码的PRACH信道资源进行配置，然后通过系统的消息将配置的结果发给小区内的移动终端。因为每个小区内有64个可用的前导码，所以eNode B将64个前导码中的一部分或者全部的前导码用于竞争下的随机接入。在这些前导码中，eNode B会选择性地把这些前导码分成了两个组即：A组和B组。当发生了触发随机接入时，终端UE第一个步骤就是根据将要发送（信息

43、3）的大小和计算出路损比较小的场景。那么A组规定应用于（信息3）路损比较大的或者是信息较小的场景；而B组规定应用于（信息3）路损比较小或者是信息较大的场景。eNode B端会在系统的消息中通知UE关于（信息3）的大小门限和路损门限。UE端就会判定出此时的前导码是归属于哪个组，然后再从这个组中随便挑选一个前导码来完成发送。随机接入的前导码是由物理随机接入信道PRACH来承载的，当UE端在发起竞争随机接入的时候，那么它选择物理随机接入信道的方式是从第一个有用PRACH的子帧开始，在连续3个子帧内选择一个PRACH用于承载 信息1 。2、随机接入响应前导的接收（信息2）是由eNode B向UE端发送

44、的信息，该信息主要的目的是为了证（信息1）已经被接收的一个响应。（信息2）是由MAC层组织的下行共享信道DL-SCH来承载，该（信息2）中可能承载着由很多不同的UE发送的前导码，并同时响应了许多个UE的随机接入的请求。此时UE端就会根据（信息2）中携带自己发送的前导码的标识来进行判断，那个是自己应该的信息或者是否收到了随机接入响应。如果当UE端并没有接收到（信息2）的时候，那么eNode B就根据回退的时延参数来进行发送第二次的接入，并同时重新选择随机接入资源来发送，如果经过好几次发送（信息2），导致已经达到了最大随机接入的次数，而UE端还是没有找出自己的前导码，那么系统就会自动判定该次随机接

45、入不成功。3、信息3（msg3）的发送（信息3）是由UE端给eNode B端发送的消息。该信息是在系统自动分配的上行的资源来传输的。当UE端已经（信息2）后，此时UE端就会发起（信息3）传输。此时信息3支持传输HARQ的过程。第一次（信息3）传输是通过MAC层的消息来指示上行数据的动态调度传输的，此时系统能够保证信息传输的资源是能够进行最大信息的传输。在随机接入过程已经成功的完成后，其它全部动态接入要通过物理层的控制信道（PDCCH）来进行一个资源的分配。如果（信息3）没有成功的被eNode B所接收；此时就需要进行第二次尝试的发送，那么UE端通过（信息2）中收到的唯一临时的标识C-RNTI并

46、与加扰的PDCCH获取重新。4、竞争解决（信息4）是由eNode B端给UE端发送的信息。该竞争是随机接入的最后一个信息，它是由eNode B和UE来完成的。（信息4）是运用MAC层的控制单元携带的标识解决UE竞争的信息，同时MAC层的控制单元中也包含了（信息3）的信息，当UE端接收到了该控制的消息后，立刻与刚刚（信息3）中高层标识信息做一个比较，如果比较后它们是相同的，那么表示竞争得到了解决。二、竞争下的两种随机接入过程1、非同步随机接入过程非同步随机接入过程的主要目的就是为了获得请求最初始接入，使从空闲状态向链接状态转换、该过程还支持eNode B之间的转换和恢复或者取得定时上行同步、向e

47、Node B请求UE ID以及向eNode B发出上行发送的资源请求。 发送随机接入前导随机接入过程的第一步就是发送随机接入前导。前导的发送是用来通知eNode B此时存在一个随机接入的请求，那么eNode B就会根据UE端发送的上行的循环前缀CP里获得上行的定时同步的要求来响应UE。 随机接入响应随机接入响应就是网络端将对刚刚收到的信息进行一个响应的过程。 终端的识别经过随机接入的响应后，移动终端的上行就可以取得同步了。在用户发送上行数据或者是接收数据之前，系统此时需要根据目标终端分配一个特殊并且指定是一个小区内唯一的标识（C-RNTI）。 消除竞争由于在同一个小区内，有时会出现同时利用同样

48、的前导序列来进行随机接入的可能，因此它们都具有同样的临时标识符。所以需要把移动终端接收的到的下行消息中的标识符和之前终端发送上行请求的标识符进行相应比较。此时只有能够相互匹配的终端标识符才可以认为整个随机接入过程是完全成功的。同步随机接入过程同步接入过程较简单了，它是当UE端已经取得了上行的定时同步，此时UE端发起的随机接入过程被就被称为是同步随机接入过程。发起定时同步随机接入过程的主要目的就是保证UE端能够申请到上行数据传输所需要的时频资源。第四节 非竞争随机接入过程一、基于非竞争随机接入过程非竞争随机接入过程是由eNode B端来指示UE端的一个过程。此时eNode B已经在指定的物理随机

49、接入信道上分配出了一个前导序列码，请求移动终端根据该前导序列码来发起随机接入。非竞争随机接入过程分为了三个主要的步骤，如图3.2所示。图3.2 基于非竞争随机接入过程1、随机接入前导分配（消息1）是由eNode B端发送给UE端的信息。eNode B已经在指定的物理随机接入信道上分配出了一个前导序列码，请求移动终端根据该前导序列码来发起随机接入或者是在eNode B端检测出UE端已经与上行定时同步失去了连接时，此时eNode B端就需要切换或者再次下发指定的前导序列给UE端，此时这个过程就是eNode B指定的向UE端发起一个随机接入的过程。这个过程也可以是由eNode B给UE端的一个有用的

50、信息，在这个信息里包含的内容是能够发起非竞争随机接入时，所需要使用的物理随机接入信道的资源以及前导序列码。随机接入前导发送（消息2）是由UE端给eNode B的一个上行信息。此时UE端在eNode B指定下发的（信息1）中的物理随机接入信道资源上和指定的前导序列码来发起随机接入。如果eNode B在（信息1）中给UE端指定了多个物理随机接入信道资源，那么UE就会在第一个可以用的物理随机接入信道资源中的一个子帧上，任意的选取一个物理随机接入信道资源，来用于承载前导码。3、随机接入响应接收（消息3）是由eNode B给UE端的一个下行信息。当eNode B已经接收到了之前的（信息2）后，那么此时e

51、Node B立刻的通过（信息3）对UE端进行一个相对应的响应。这个过程的消息格式和消息的内容都是与竞争随机接入过程是一样的，也存在一条（信息3）可以同时响应多个UE端的信息。如果UE端在这个过程中丢掉或者并没有接收到（信息3），那么系统就会自动的判定此次的非竞争随机接入不成功，接下来eNode B端还会再次的指定下一个物理随机接入信道资源，在这个指定的资源上同时用指定的前导序列码再一次的进行尝试非竞争随机的接入，如果接入达到了最大的重传接入次数，此时UE端还是没有接收到此响应消息，那么系统就会自动的判定随机接入失败。如果UE端接收到了eNode B端的响应消息，那么表示此次非竞争随机接入过程是

52、成功的。第五节 本章小结本章概要的介绍了TD-LTE系统的随机接入过程，首先介绍了随机接入的概念与作用，重点介绍了基于竞争过程的随机接入的两种接入过程，同时也简单的介绍了基于非竞争的随机接入过程以及接入过程基于竞争的几种触发和基于非竞争的里两种触发。第四章 RACH信号检测与仿真 RACH信号检测流程本节主要对TD-LTE系统基于竞争模式下的随机接入信道RACH进行流程介绍，该流程重点分析基于频域中实现RACH信号的检测，其流程图如4.1所示。图4.1 PRACH前导基于频域的检测流程第二节 RACH信号的生成一、随机接入前导发送流程基于竞争模式下的随机接入过程的初始化是由UE端的MAC子层来

53、进行初始化的，当UE端开始发起了一个竞争随机接入过程时，此时UE端首先需要在系统广播的接入信道上选择一个能够承载发送前导序列的一个可用物理随机接入信道PRACH。获取一个有用的物理随机接入信道这是完成随机接入过程的第一步。如图4.2所示是随机接入前导的发送，它包括了一下几个模块：图4.2 随机接入物理层模块流程二、前导序列的生成图4.3 随机接入前导序列生成在随机接入过程中，用户的前导序列是用来表示用户的临时身份的。对于该前导序列必须要具有比较高的检测概率和较低的误检测概率以及序列的数量必须足够满足小区所需要的数量，这样才可以保证小区里的用户与用户之间不会有碰撞的可能。在LTE系统中根据系统广

54、播的“逻辑根序列号”和“前导格式”查附录表3和附录表4，可以分别得出和。然后可以找到相对应的物理根序列号u。LTE系统中的上行随机接入前导码使用的是Zadoff-Chu序列的循环移位序列产生的，其中第u个根序列定义如下： 4-1 其中：是ZC序列的长度。因为ZC序列具有零自相关性的特点，所以为了更好的降低更多用户之间在随机接入时出现的多址干扰，LTE系统采用了不同的循环移位的ZC序列来扩大ZC序列，即随机接入前导码利用根序列和循环因子来生成。 4-2 其中，循环移位因子可以由下面求得： 由配置和（附录表4）分别给出前导格式0-3的的值。 由公式： 4-3 可以计算出，其中是满足的最小非负整数。

55、 当时， 4-4 当时， 4-5 将公式中得到的参数带入下面公式：中，可以计算得到。当一个u值不足以满足生成64个前导序列时，我们可以根据下面的公式： 4-6 4-7 利用（4-6）和（4-7）两个公式都分别可以计算出能够生成64个前导序列所需要u的个数。三、PRACH时频位置的计算对于帧结构类型2，前导格式（0-3）由高层给出的参数可以查（附录表1）可以得出：前导格式、Density Per10ms （每一帧10ms内出现的可用PRACH个数）、Version ，由参数 prach-Configuration Index 和 UL/DL configuration 查（附录表2）可以得出：时

56、频资源的4个参数。其中：是在给定时间范围内的一个频率资源指数。分别指明了资源是无线帧中的位置是偶数无线帧中，还是奇数无线帧。分别指明随机接入资源出现在前半帧还是后半帧。是前导序列开始的上行链路子帧号。图4.4 时域无线帧位置对于（前导格式0-3）前导在频域上的位置由参数来确定： 4-8 其中是上行系统的带宽，比如（5M）。是给PRACH使用的第一个资源块，是可用于PRACH的一个资源块。变量是一个固定偏移量，决定随机接入前导在物理资源块上的频域位置，变量表示随机接入导频的子载波间隔，由表4.1中可以得出其值。表4.1 随机接入基带参数前导格式0-31250 Hz7图4.5 频域无线帧位置对于前导0-3格式，每个子帧是由2个0.5ms长的时隙构成的。如果使用的是扩展的CP，那么每个时隙有6个OFDM符号。在频域上每12个子载波构成一个资源单位，所以，往往将频域上的一个单位资源在时间上一个连续时隙叫做资源块（RB），资源的最小单元是资源粒子（RE），对于扩展的CP，一个RB中包括72个RE。所以PRACH占用6个连续的RB，共72个子载波，PRACH的子载波为1.25KHz（前导格式0-3），共有