文稿成果汇总

1、摘 要社会，随着互联网发展壮大，网络已成为人类生活日常中不可或缺的一部分，这些主要体现在现如今对无线网络，智能的使用上面。科技在进步，网络也从当年的 2G，发展为 3G，乃至术和 4G 技术之间的过渡技术L的 4G，本篇所要讲述的就是 3G 技TE 不是大众认为的 4G 技术，而是 3.9G，它主要改善了 3G 技术中的空中接入技术，并将其增强，LTE 与 3G 技术采用的码分多址技术（CDMA）不同，而是采用了正交频分多址技术（OFDM）与多输入多输出天线（技术MIMO）作为基础，其中包括了 TDD 与两种模式。本主要关注的是 LTE 的（频分双工）的随机接入过程进行深入。首先，本文介绍了

2、LTE 技术的背景和 LTE 系统的要求和 LTE 的技术优势。然后，总结了随机接入的概念，随机接入的目的和过去的通信标准接入原理，以及 LTE 随机分类和使用的详细描述。紧随 LTE-接入信号的生成过程和对应LTE-之后 PRACH（随机接入信道）发射具体详细介绍多径信道模型的设计用于LTE 信号传输的瑞，例如什么是前导码序列的接收和检利信道模型；对于 LTE-PRACH 的测，特别是由频移产生的“伪峰值”信号，提值检测固定阈值的方法，除）的发送，接收和接收通道，了上述贡献之外，还有三部分针对（矩阵矩阵设计整个系统模型，与 3GPP（第三代合作伙伴项目）严格一致，对 LTE -的定义，系统参

3、数可以分配，最后根据该模型，按照 LTE-测试的要求，利用不同的配置参数来进行 PRACH 系统的整体仿真，以验证信号发生模块，信道设计和检测模拟的可靠性也被模拟。结果表明，设计的 LTE-中 PRACH 仿真模型，特别是瑞利信道模型对于实际的 eNB的设计，具有特别重要的实际指导意义，可以有效缩短设计和调试的周期，同时半动态阈值检测算法可以使 PRACH 信号的检测性能得到大幅度提高。：LTE，PRACH，瑞利信道，相关检测ABSTRACTodays society, with the development and expanof theernet, the networkhase an

4、indispensable part of human life, which is mainly reflectedhe currentuse of our wireleetwork, smart phones above. Technologyhe progress of the mobilenetwork from the year 2G, the development of 3G, and even todays 4G, wee to talkabout this pr is 3G technology and 4G technology betn the transition LT

5、E, LTE isnot the publict 4G technology, but 3.9G, which improves the aerial acs technologymultiplein 3G technology and enhanit, LTE and 3G technology use code diviacs (CDMA) different, but the use of orthogonal frequency divimultiple acs(OFDM) and multiple input Multi-output antenna (MIMO) as a basi

6、c technology, includingTDD andThis p of LTE.two modes.r focusethe random acs pros of(frequency dividuplex), the background of LTE technology and the requirements of LTE systems andthe technical advantages of LTE areyzed androduced. Then, the concept of randomacs, the pure of random acs and the past

7、communication standard acsprinciple are summarized, and theed description of LTE random acs classificationand use immarized. Following the LTE-, the PRACH (Physical Random AcsChannel) transmits aed description of teration pros of the acs signal andthe Rayleigh fading channel mdesigned for LTE signal

8、 transmisfor multipathPRACH, forfading channels corresponding to LTE-; The receiver of the LTE-example, what is the reception and detection of the preamble sequence, in particular thepseudo peak signal generated by the Doppler shift, improves the peak detection fixedthreshold, and proes a semi-dynam

9、ic Method of threshold detection method. In additionto the above contributions, there are three parts for the(matrix laboratory) tosend, receive and receive channels, matrix laboratory design of the entire system m,and 3GPP (third generation partnroject) strictly consistent with the LTE -And thesyst

10、em parameters can be freely allocated. Finally, according to the requirements of theLTE-test, the most comprehensive simulation of the PRACH system is carried outwith different configuration parameters to verify the reliability of the signal generation module, channel design and receiver detection.

11、Sex is also simulated and compared with the performance of the semi-dynamic threshold detection algorithm and the fixed thresholdmethod.The results showt the designed LTE-PRACH simulation m, espellythe Rayleigh fading channel m, is very important for the design of the actual eNB basesion, which can

12、effectively shorten the design and debugging cycle, and thesemi-dynamic threshold detection algorithm can be effective Improve the detection performance of PRACH signal.KEYWORDS:LTE,PRACH,rayleighsemi-dynamicthresholdalgorithm,preambledetection目录第一章 绪论01.1 LTE 背景概述01.2 本选题意义及内容1第二章 LTE 随机接入技术3随机接入技术

13、概述3随机接入技术的产生和原理3随机接入技术应用4LTE 中随机接入技术分类及应用场景6LTE 中的定时提前量7定时提前量的作用7定时提前量的计算方法8本章小结9第三章 LTE 中 PRACH 信号的生成10LTE 中PRACH 前导格式10LTE 的帧结构及上行信道103.1.2 LTE 中PRACH 前导信号的. 113.1.3 PRACH 前导序列在传输时的时频配置11随机接入前导序列的设计12前导序列的选取12确定用于签名序列的 ZC 序列的长度14PRACH 前导序列及基带信号的生成14PRACH 前导序列的生成14基带信号的生成15本章小结15第四章 PRACH 仿真实现17PRA

14、CH 信道传输模型17LTE-系统的信道条件17加性白噪声信道模型174.1.3 瑞利信道与Jakes模型184.1.4 多径信道模型设计19前导序列的检测算法19前导序列的时域检测原理19频域检测原理21中低速场景峰值检测方法21高速速场景峰值检测方法22改进门限峰值检测算法23PRACH 前导信号检测的性能参数25虚警概率及其产生原因25错检概率及其产生原因25PRACH 的测试要求26随机接入检测性能要求26随机接入测试其他要求26仿真环境与配置27仿真环境27仿真参数配置284.6 仿真结果分析284.6.1 仿真结果284.6.3 结果分析32第五章 结论与展望34致 谢35参考文献

15、36附 录0附录 A 部分代码0第一章 绪论1.1 LTE 背景概述近 20 年来，无线通信技术的发展经历了极快的性增长过程，这一增长不仅体现在用户数量的急剧增长，而且也体现在快速发展的体现技术和服务质量上。如果在无线通信技术发展的历史以“”来区分，可以大致分为三个朝代：第一代模拟移动网络主要是熟悉的代表“大哥大”，首先出现在的著名的贝尔，首次使用”蜂窝移动网络“概念，其主要业务是模拟信号作为语音通信业务的载体；第二代无线通信技术基于第一代数字信号更强，信息速率更高，容量更大，主要在初始数字语音业务中主要在中间，提高语音呼叫质量，增加了数据包数据业务支持而后者则增强了原有的数据业务，数据传输速

16、率也了，第二个时代是由第二代移动通信技术向第三代（“2.5 代”和“2.75 代”）进化的过程，第三代无线通信技术仍然是把数字语音及数据业务作为重点，进步的是加入了通话，其数据速率大大提高。已经接近甚至超过了一些国家的宽带数据速率，这被称为 3G 网络的高速普及。LTE 之所以改进的目标就是为了提高现如今人类所需要的高速率，降低成本，提高系统容量，并且扩大覆盖范围，让从而改善人们的生活质量。的人可以更方便的使用到无线通信技术，LTE 为了做到满足未来的一个较长时期内尽可能多的用户对互联网的需求，同时也为了顾及到各种可能会到的技术性问题，所以为了解决上一代移动通信系统的不足，3GPP 制定了关于

17、 LTE 系统的性能需求参数，这些参数指标可以概括为如下几点1：（1）降低各层面系统的时间延迟；（2）传输速率到一个很高的层次，使这个速度可以能够满足未来几年甚至十几年来用户的需要；提高小区边界的比特率，保证业务数据一致，从而对边界服务质量进行改善；提高目前以及增加的频谱的灵活性和频谱的利用率，降低运营成本；简化复杂的网络结构；尽可能的实现不同无线接入网之间的流畅切换；（7）降低用户设备功耗，延长设备电池。这些指标大概到了目前整个 LTE 系统技术制定的工作需求中，但是最终制定的参数甚至可能会超过某些已制定的目标。为了满足 LTE 系统的需求，3GPP 主要采用了以下这些关键性技术2：1.多址

18、接入技术。多址接入技术就是把多个用户接入同一个无线通信信道并且共享此信道，从而提高信道利用率的一项技术。它把一个信道按照频率、时间等因素进行分割，从而达到不同用户可以在一个信道中互不道。的使用这一个无线信2.多天线技术。多天线技术结合了正交频分复用技术，从而能实现空间、时隙、频谱的综合调度，很好的提高是 LTE 系统的传输速率和灵活性。多天线系统采用了数字信号处理技术还有信号传输空间特性，做到调整每条天线上发送的信号值，从而可以修正所收到的信号特性。其中修改接收信号权值运用了波束赋形技术，修改接收信号权值之后可以在天线中产生定向波束，准确地使有效的信号能量发送给用户。多天线技术可以为 LTE

19、系统带来三种增益，即分集增益，阵列增益和空间复用增益。分集增益主要使用了多个天线从不同的路径接收由相同信号的多径信号多路径；阵列增益是通过特定方向上的传输或有能预先编码为不同方向的用户提供他们需要的特定的流量；空间复用增益是对于在不同空间域中发射的不同天线和不同的信号流，并且将这些不同的信号流传送到相同或者不同的用户设备，从而实现更高的传输速度的比率。EPC 网络架构。EPC 网络架构的优点在于它可以支持多种接入模式，包括 3GPP， wifi 等非 3GPP，可以称为异构网络融合架构，EPC 网络的这种特殊可以是网络 IP化。1.2 本选题意义及内容随着科技的发展，使用互联网的用户大幅度的增

20、长，所以随机接入过程便成为LTE 系统中越来越重要的一部分，所有请求通信的用户都必须通过随机接入来接入互联网，于是，用户是否可以成功接入互联网的决定性便指向了随机接入过程的设计。在通信传输系统中，只有用户设备在取得上行的传输时间同步的时候，该用户设备的上行传输才会被调度通过连接到下一步骤，但是如果一个用户设备没有取得时间同步，这个时候，就需要它通过随机接入来获取定时同步信息，随机接入过程一方面为用户设备得到了它所需要的信息资源，另一方面也解决了不同用户设备之间的接入问题。由此可见，LTE 中随机接入过程在通信传输过程总起着的作用。本篇则主要了 LTE 的模式下随机接入前导序列信号的产生，接收过

21、程以及检验算法，然后通过仿真的到仿真结果，最后对其仿真结果进行合理分析。本具体各章内容如下：第一章：绪论，主要讲述了 LTE 系统的背景，为后文铺垫。随机接入做了一个大第二章：介绍 LTE 中的随机接入技术，与前期 2G,3G 系统作对比，表现 LTE技术的异同点，同时如何选取 LTE 随机接入技术的优缺点，讲述了它的应用场景，最后介绍了定时提前量的作用及原理。第三章：主要介绍 PRACH 时域与频域的配置情况，介绍如何生成前导序列及基带信号，可以说第三章为信号的产生做了理论依据。第四章：分析了目前 LTE-的恶劣环境，根据当前环境设计相对应的方案来解决问题，提出瑞利果进行具体分析。信道模型。

22、并对不同的情况进行仿真，最后对仿真结第五章：对本做了一个大体的总结分析，并且对后续的做了相关展望。第二章LTE 随机接入技术2.1 随机接入技术概述2.1.1 随机接入技术的产生和原理在二十世纪七十年代初期，夏威夷大学在世界上第一次提出随机接入技术，目的是使分散的国家无线电通信站可以获取中算机的有限资源，每个人都知道无线电通信信道是公共信道，所以使之无线电通信发送站发送的信息会被若干个通一个棘手的问题，就是由一个收站接收到，与此同时，一个通信站也会接收到多个其他站点发送过来的信息，可以看出，这种收发过程是随机无规律可寻的，这种事先没有任何协议的系统就被称为随机接入系统。随机接入使用户设备开始发

23、送请求与网络建立通信之前的过程，当用户设备没有与 LTE 系统建立或建立后却丢失了上行同步的时候，用户设备的随机接入称为非同步随机接入，若已与 LTE 系统获得上行同步，则称为同步随机接入。夏威夷大学提出来的这个系统被叫做 ALOHA 系统，是全世界第一个提出来的分通信协议。它的工作原理如图 2-13：组接入系统，也是第一个图 2-1 ALOHA 随机接入原理图这个系统中每一个用户设备都可以完全的发送数据帧，为了方便查看，用持续时间表帧长度，在图 2-1 中用 T0 代表该段时间。首先假设该通信系统中所有的用户设备（UE）的帧长度全部是完全相同的，并且也没有存在因为信道质量而导致的误码率等一系

24、列。当 UE1 发送数据帧 1 时，其他的 UE 都没有发送数据，因此 UE1 的发送一定成功。但是图中 UE2 和 UEN-1 发送的数据帧 2 和数据帧 3 其中一部分了。这就是“碰撞”。碰撞会引起双方或者发送数据的多方发送的数据在中无法正别，所以都需要进行一次重新传输。但是发生了碰撞的各个用户设备却不能立即开始进行重新传输，因为如果立即重传的话，肯定还会由碰撞发生。基于上述原因，ALOHA 系统作出如下规定，假设发生了碰撞，发生了碰撞的各发送端必须等待一定时间之后才可以进行重传，例如图中 UE2 和 UEN-1 发送的数据帧 2 和数据帧 3，数据帧 3 通过延迟等待重新传输的数据帧 6

25、 因为没有发生再次碰撞而传输成功，然而数据帧 2 通过延迟等待而重新传输的数据帧 4 又与 UEN 传输的数据帧 5 发生了碰撞，因此 UE2 则需要进行第二次延迟重传，一直到成功方可停止。图 2-1介绍了一个简单的 ALOHA 系统随机接入过程，它被称为纯 ALOHA 系统4。从图 2-1 中也可以看出纯 ALOHA 系统的不足，所以为了挺高系统效率，避免用户发生二次碰撞，将时间资源划分为了多个不同时隙（slot），然后给每个 slot，并且要求用户只可以在每个时隙的开头发送一个消息帧，它就是 slot-ALOHA系统，与发生后的图 2-1 描述相似。2.1.2 随机接入技术应用因为移动通信

26、系统的不同，制定的系统需求要求也不相同，所以使用随机接入技术的标准开发也是不一样的，这些不同点主要体现在：接入在初始发生时随机接入请求信号发送功率差异、随机接入的信号所包含信息数据大小的差异、重传的时间和次数的差异等等。这些差异导致不同移动通信系统的随机接入过程的复杂性和发生碰撞的概率差异。当对 GSM 系统执行随机接入时，初始发送的信息包括：寻呼的响应消息、移动台的国际移动设备识 ID、位置申请和一些信道申请消息。与此同时，GSM 终端在随机接入过程中具有最大功率发射，在呼叫移动终端发送信号的过程中，电源控制速度相对比较慢。对有这些特征的 GSM 随机接入导致了对较大资源占有的随机接入，而用

27、户接收到相当大量的瞬时辐射。并且，码分多址系统的用户设备从随机接入过程之前由系统广播的信息接收专门用来控制功率的一些信号电平值，从而估计作为终端传输的起始功率的较低功率，随机接入过程开始的时候，首先需要进行“随机接入试探操作”，只有在系统所要求的时间内收不到信息的回应，终端才会加大发射电平，进而进行第二次“随机接入试探操作”等重复该过程，除非系统达到所设定的最大试探次数，否则将一直重复到应答。通过功率控制过程成功接入系统之后，可以动态调整用户设备发送过来的功率大小，做到适应当前信道干扰情况。与 GSM 系统相对比，CDMA 用户设备具有更小的和更平稳的电源上升调整，这样不仅有助于用户设备的健康

28、而且延长了设备电池的寿命。另外，CMDA 还使用了与同一中的不同设备中随机接入信息签名信号相同的伪随机序列的频率偏移产生的不同序列，还可以大大的减少占用系统的数量资源。CDMA2000 系统基于原始系统的随机接入过程，通过增加反向“增强随机接入的信道”来提高随机接入性能。宽带码分多址技术（WCDMA）与时分同步的码分多址技术（TDSCDMA），这两种技术都使用了“slotALOHA”系统，因此它们会更严格的要求时间同步，这两个系统具有改进的功率控制和接入效率，特别是宽带码分多址技术的随机接入过程为 LTE 随机接入过程奠定了基础，宽带码分多址技术的随机接入过程的流程如下5：步骤一：根据小区广播

29、指定的不同类型的接入业务，用户设备确定随机接入信道的可用组和下一个完整接入时隙集合中有效的上行接入时间集，然后选择上行接入时隙用于随机接入。步骤二：用户设备选择在给定的随机签名序列中从给定的服务类别和给定的随机签名序列中随机选择的随机接入签名。步骤三：设定随机接入前导码重传计数器值。步骤四：设定前导码序列的原始功率电平。步骤五：用户设备基于已经选择的上行接入时隙、选定的签名和选定的前导序列码来进行前导发射。步骤六：用户设备等待返回来的确认信息，如果没有检测到捕获指示信道上的捕获指示，用户设备将会一直重复第五步，并按照功率调整直到检测到捕获指示。步骤七：如果用户设备收到的捕获指示为“-1”，那么

30、将物理层状态体控制层，然后再退出物理随机接入的过程。给媒步骤八：如果用户设备收到的捕获指示为“+1”，那么在相应的时隙依照系统设置来进行随机接入的消息传输。时分同步的码分多址技术的随机接入过程与宽带码分多址技术的随机接入过程类似，但是由于时分同步的码分多址技术系统属于时分系统，因此它对同步的要求更加严格，故在随机接入的过程中添加了专门用于在时间上对准的上行同步处理流程，流程如图 2-2：图 2-2 时分同步的码分多址技术的随机接入流程图2.2 LTE 中随机接入技术分类及应用场景随机接入过程是用户设备与互联网之间建立无线通信的必经，只有在随机接入过程正常完成后，eNB（evolved Node

31、 B，演进型）与用户设备之间才可以进行数据传输及操作。用户设备利用随机接入过程实现了获得与和申请获取上行资源的两个基本功能。的上行同步随机接入技术根据不同的业务触发方式分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。基于非竞争的随机接入比较好理解，即不同用户设备向发送的资源不同，两者或多者之间无关联，不存在竞争关系。而基于竞争的随机接入，即不同的用户设备向发送具有相同前导码序列的资源，同时希望获得的资源操作，但与此同时，并不知道每个请求对应的用户设备，在这种情况下，需要各用户设备向发送一条代表自己设备的唯一的消息，这个消息被称为MSG3，收到 MSG3 后需要回传给该用户设备一条“验证消息”，即

32、 MSG4，来验证此时成功接入的用户设备是哪一台，这就是用来解决竞争随机接入的方法，与三次握制相似。在不清楚用户设备的状态，又必须要申请上行资源或上行同步的情况下，用户设备会发起竞争随机接入。此时，并没有为用户设备分配唯一 Preamble码，而是由用户设备在一定的范围内不定向选择 Preamble 码后发起随机接入过程。下列是会产生竞争随机接入的具体场景：（1）用户设备初始接入时。这个时候无线资源控制层为空闲状态，用户设备需要连接请求，但是并不知道，故需要执行竞争随机接入过程。（2）用户设备的重建。例如用户设备端的无线链路层控制协议上行重传到达最大次数会引起重建，但执行竞争随机接入过程。并不

33、能接收到用户设备的重建状态，则需要用户设备（3）用户设备与互联网建立后又丢失上行同步。此情况与用户设备初始接入类似，收不到用户设备的请求。（4）用户设备发送了上行数据，却没有调度请求资源。通常来说，上行调度用于发送缓冲状态，用户设备会通过调度请求来发送上行资源申请，若缺少调度请求资源，则只能利用竞争随机接入的形式申请上行调度。显而易见，这个时候也不知道用户设备有没有发送过上行数据。（5）当在非竞争随机接入过程中，突然发现非竞争资源不见了，这个时候会转到竞争随机接入过程。非竞争随机接入指用户设备根据的指示，在确定的随机接入信道的资源上利用给定的 Preamble 码而发起的随机接入过程，下面介绍

34、非竞争随机接入的场景：（1）切换。由端发起，优先执行非竞争的随机接入过程。（2）有下行数据发送，但检测上行失步。（3）无线资源控制层态下需要执行定位过程，但用户设备这个时候没有上行同步。2.3 LTE 中的定时提前量2.3.1 定时提前量的作用因为 LTE 中上行链路和下行链路都用于改善正交频分复用技术多址技术，所以上行传输不同的用户设备信号到达时的时间需要严格对准，来确保信号的正交性，准确有效消除信号对齐正交子载波之间的干扰。都知道，信号在空间中传输不可避免的有一定的延迟，并且一个和不同的用户设备之间的距离不相同，传输路径不相同，延迟量不一样，所以每个用户设备与之间的时间同步建立是LTE 系

35、统上行传输的主要环节。 上行传输的时间的校验这主要通过在用户设备端使用定时提前（iming Advance）来完成。通过对用户设备随机接入过程的分析，已知用户设备首先会向传输随机接入的前导码序列，根据这些可以估测出相应的上行链路时间调整量，然后通过 RAR消息反馈使用 11 位定时提前命令进行响应。 实际上，时间提前量是用户设备接收的时间并且通过控制下行链路子帧和发送的上行链路子帧之间的开始处的负偏移量，使得可以在的接收端处控制用户设备定时对准。 距离远的用户设备的信息存在延迟非常大的问题，因此需要将上行链路传输与用户设备进行很大的时间提前操作，图 2-36、7:图 2-3 在上行时间校正上使

36、用定时提前量如果如图 23(a)不采用定时提前，导致不同时延的 UE端定时错位，产生干扰无法使信息彼此正交，而如图 23(b)由于采用时间提前使不同 UE端定时对齐。UEl 的位置靠近，所以产生的时延量较小，因此在 UE 侧一个很小的时间提前量足够来补偿信号传输时延从而保证时间对齐。相反 UE2 的位置远离，产生的时延较大，则需要较大的时间提前量对发送信号进行补偿。2.3.2 定时提前量的计算方法定时提前量处理过程被称为定时估计或定时调整，主要是由基于竞争的随机接入过程而直接给出的。 由于它在正交频分复用系统中信号遵循时频之间的对应关系如下：步骤三：计算信号时偏值：第三章 LTE 中 PRAC

37、H 信号的生成3.1 LTE 中 PRACH 前导格式3.1.1 LTE 的帧结构及上行信道LTE 中上行信道和下行信道采用的都是相同的帧结构，每个帧结构包括十个子帧，每个子帧 1ms。LTE 支持和 TDD 两种帧结构模式。在帧结构中，每一帧包括二十个时隙（019），每一个小时隙的长度为0.5ms，每个子帧是由两个 0.5ms 长度的小时隙来的。如图 3-1：图 3-1帧结构在 TDD 帧结构中，长度为 10ms 的无线电帧由长度为 5ms 的两个半帧组成，分成的每个长度为 5ms 的半帧，包括四个普通子帧和一个特殊子帧。 普通子帧是由两个 0.5ms 时隙组成，其中特殊子帧由三个特殊的时隙

38、（DwPTS，GP 和 UpPTS）组成。如图 3-1：图 3-2 TDD 帧结构帧结构还是 TDD 帧结构全部定义了“物理资源块”的概念，作为分不管是配物理资源的基本，每个资源物理块相当于占十二个连续子载波的频域上的每个子载波，因为每个子载波占用 15 kHz 的带宽，所以物理资源块占用 180 KHz 带宽；并且在上述时域包括了七个 SC-FDMA 符号（假如扩展 CP 为 6），这七个 SC-FDMA符号在时间上占用一个了时隙的长度。在 LTE 上行链路中，一共有三种不同作用的物理信道：PUCCH，物理上行控制信道，主要作用是通过这个信道进行上行控制信息传输；PUSCH，物理上行共享信道

39、，它的作用是进行上行数据的传输；PRACH，物理随机接入信道，这个信道则是用来实现随机接入过程。这三种信道按照一定的规律被放置在上行信道相应位置，增强了上行通信信道的性能。3.1.2 LTE 中 PRACH 前导信号的LTE 中 PRACH 的前导序列是由一个复式序列组成的，这个序列把它的尾部加到它的起始位置。前序序列结构如下图 3-3：图 3-3 前序序列结构到前序序列开头部分 CP 被称为循环前缀，并且它的作用被用于反延迟，CP 越大，延迟的越大。 因为前导序列的总长度小于随机接入的时隙，所以需要在序列最后留下一段间隔 GT，被称为保护间隔，它为不可的附加传播延迟提供保护空间。 根据用户设

40、备所在小区的覆盖区域大小的不同配置给用户设备的 CP、GT 和序列的长度也不一样。 下图 3-4 是在不同前导码中 PRACH 对应的签名序构造8、9：图 3-4 03 格式前导序列参数根据图 3-4 可以观察出前导格式不同占用子帧数量也不相同，因为格式 1 增加了循环前缀和保护间隔的长度，从而对时延产生影响，因此格式 2、格式 3 不仅要增加循环前缀和保护间隔的程度，还需要将序列一倍。目的为了增加边缘小区用户的序列信号的能量叠加，对抗由于信道带来的影响。3.1.3 PRACH 前导序列在传输时的时频配置为了克服具有不同大小覆盖的小区的时延，选择了不同的前导码格式，与此同时时域为了随机的成功率

41、，LTE 系统将根据不同的场景、随机接入频率以及不同业务负载情况配置不同的随机接入信道的位置。为了缩短用户设备接入的等待时间，为了提高的随机接入前导码检测的简单性，LTE 在时域中使用多个接入时隙来作为 PRACH 的资源，这也表示 LTE PRACH 该技术属于“slot-ALOHA”技术。下图 3-5 详细说明了前导格式 03 相对应的接入配置。图 3-5 前导格式 03 相对应接入配置3.2 随机接入前导序列的设计3.2.1 前导序列的选取用户设备的前导码签名序列用于识别用户设备对重要的接入的，所以签名序列的选择应符合以下条件：检测性能好，即需要较高的检测率，这就要求序列具有优秀的自相关

42、性和互相关性。需要产生足够数量的序列也是有利的这些小区被分配给不同的用户设备不同的序列，从而避免发生。因为随机接入过程属于上行传输过程之一，所以信号峰值功率比不能太高，要不然会导致超过用户设备发射机功率放大器的线性工作范围的信号功率的动态范围，这增加了用户设备的功率功耗，同时也增加了用户设备放大器设计的难度。在宽带码分多址和码分多址系统中使用 PN（伪噪声）进行识别不同小区。 以 PN 序列的典型序列为例，序列输出长度为 2N-1，其中 N 是移位寄存器位数。对应于差异的起始位置，可以有 2N-1 种输出序列的不同组合。在不同移位寄存器的组合中，也会相应得到不同的伪噪声序列组合。 应注意的是，

43、因为移位寄存器的初始化状态各不相同，伪噪声序列的相对特性可能会有不同的结果。只有当初始寄存器状态是原始多项式时，才能确保自相关运算的峰值值是锐利的，因此可以选择具有该属性的伪噪声序列作为单元格中的一组签名序列。恒包络零自相关序列便是一个非常好的选择，该序列拥有以下特性：具有恒定的序列包络，不管是什么长度的序列，幅值一定。将此序列的周期进行移位后的序列具有互相关性。恒包络零自相关序列本身具有良好的自相关性，尤其峰值突出，易检测。平均峰值功率比较低。（5）恒包络零自相关序列经过快递列。变换后仍然是恒包络零自相关序ZC 序列便是恒包络零自相关序列其中的一种，它满足恒包络零自相关序列的性质，ZC 序列

44、生成公式如下：3.2.2 确定用于签名序列的 ZC 序列的长度在确定序列长度时需要考虑到的几点要求如下：（1）首先序列互相关性要好，在这个前提下，必须要求所选序列具有恒定包络，因为这样可以有效地降低用户设备的峰平均功率比。（2）尽量使信道的数据不会干扰到所选序列。3.3 PRACH 前导序列及基带信号的生成3.3.1 PRACH 前导序列的生成随机接入前导的签名序列可以由具有零自相关区域的一个或多个 ZC 序列来生成，用户设备可以使用一组前导码序列，其中小区网络已经被配置为用于随机接入，其中每一个都具位的前导签名序列，仅用于 LTE-前导码 0 到 3 的随机接入长度为 839 的前导码的签名

45、序列，因为签名序列是复杂序列，所以广播 64 长度为 839 的复杂序列，这个成本是难以忍受的。 根据前一节的性质，可以知道 ZC序列及其循环位序列。若在步骤二中没有生成六十三个循环序列，那么重复步骤一，重新生成基准序列和它相对应的移位序列，一直到满足个前导序列方可停止。3.3.2 基带信号的生成悉的前提下，才可能对下一章仿真算法如鱼得水，这也是本仿真算法的最基础。第四章 PRACH 仿真实现4.1 PRACH 信道传输模型4.1.1 LTE-系统的信道条件在现实中的无线通信系统中，电磁波的方法包括直达波和反射波，有由于各种空间所造成的辐射能量散射现象和折射现象，随着城市建设建筑越来越多，信号

46、传输受到越来越多的多径效应的影响。所谓多径效应是在信号中的反射、和衍射形成了多条传输路径，并最终导致接收信号的场造成的不一样现象，这直接反映在不同的路径的信号传输的过程中的衰减的程度是不同的，信号到达的时间是不对齐的。和更远的用户设备远离，有更明显的效果。可以说目前无线电通信系统信号的重要原因就是多径效应。根据 LTE 的需求，可以看出系统仍然可以在高速时，用户设备速度接近 350 500km/h 的操作用户设备的连接状态。此时除了上述多径信号的阴影外，为影响信号传输的第二重要原因。根据用户设备速度以及时延大小的不同，3GPP 将多径的高速运动频移也成信道划分成扩展步行模式（EPA）、扩展车辆

47、模式（EVA）以及扩展典型城市模式（ETU）三种模式，这三种模式分别对应低、中、高三种时延的传输环境。除了距离较远的用户设备，还有用户设备离小区距离近的情况，这种情况下，可以接近理想中信道的可能，信道主要干扰条件便成为了系统和空间之中产生的白噪声，所以加性白噪声也必须考虑在信道设计的方案中。4.1.2 加性白噪声信道模型通道模型主要适用于在静态性能测试，在这种情况下，信号不存在恶劣影响，例如效应或多径效应，信道是最简单的通信信道类型之一，是射频传输的理想信道信道，噪声源主要是加性白噪声，建立信道模型的优点是可以消除外部信道影响，做到在理想条件下检测系统模型的性能，链路的完整和设计的精度，它具有

48、优化随机算法的举足轻重的功能。信道的功率谱密度公式为：当注意，当建立信道模型的时候，信道信噪比应该考虑发射前的信号情况，一定要计算发射信号的信噪比。 同时，添加一个“AWGNflag”即可使用为了控制是否添加噪声，通道仿真过程应遵循以下步骤，如图 4-1：图 4-1 加入噪声流程加性白噪声在信道中可以单独使用，同时也可以在多径信道里使用，目的为了检验系统抗功率谱密度的低躁干扰能力。4.1.3 瑞利信道与 Jakes模型根据不同的动态线路通信的场景和多路径的场景进行信道模型测试主要使用瑞利信道，瑞利信道是用于描述平坦信号的最常见的信道接收的信道模型，可以有效地描述很多物中大量散射无线电信的存在在

49、射频传输环境，适用于城市中心非常密集的建筑物中，发射机和之间不存在直接路径，其中发生大量反射，折射，衍射和多径传输。是移动环境中的小规模的主要方式。大量的测量数据和理论表明，在复杂的无线信道环境中，信号通过许多不同的传输路径大小和传输过程终于到达，信号包络近似瑞利分布，与相位0,2均匀分布，称作瑞利，瑞利分布的概率密度函数为：图 4-2 瑞利与函数曲线4.1.4 多径信道模型设计多径模拟多径信道模型设计，主要使用 Jakes模型作为通道的数学模型，进行信道的稳定和每个路径的随时间而变化。 因为信号不是通过实际通道的实际传输，所以信号主要与仿真过程的算法有关多径信道可能受到接收信号的影响，要包括

50、以下步骤：接收时域形式。 对于 PRACH 执行 Jakes算法处理主步骤一：获取信道配置数据，得到信道处理参数。步骤二：采取系统发送的 PRACH 基带信号无线帧“framem”处理长度,每处理一帧，下一个循环就处理信号帧“framem+1”。在处理之前由 Bw 处理确定一个帧的长度 Ts，用于和剪切。步骤三：根据系统配置的信息来确定通道类型，如果是加性白噪声通道，则将会显示该信息数字加上白噪声; 如果是瑞利定仿真情景以及为信号准备 Jakes模型的情景。步骤四：通过 Jakes模型配置好的参数来计算R(t)。信道，则根据 CH_mode 模式确信道的信号包络函数步骤五：根据 CH_mode

51、 类型对应场景的多径的路径条数Np，时延值 Td(i)，相对功率 P(i)，将每个信号进行功率调整。步骤六：R（）函数乘上每个帧序列得值，进行信号包络衰减。4.2 前导序列的检测算法4.2.1 前导序列的时域检测原理随机接入的前导码签名序列在瑞利信道之后到达，并且通过上文可知，签名序列在当列的时域信号通过不同的信道条件时，原始信号不仅加到某一信噪比的噪声信号上，同时，由于瑞利信道的影响，信号具有一定程度的延迟，包络衰减和信号功率损耗，这要求的检测的可能性达到可以接收的水平。抵抗信道对信号的影响，并使成功根据上文，知道每个小区的前导码序列的数量是 64，这 64 个前导码签名通过来自相同根序列的

52、不同长度的循环位移产生，并且还可以由许多不同的根序列一起产生循环位移。 通过 ZC 序列的性质，得到良好的周期相关共轭循环位移序列，相同的序列具有良好的自相关，因此可以通过前导签名序列的相关性来传递相关检测。进行相关检测是接收信号与信号乘法的前导码签名本地前导签名序列和数据中的根和的 e信号序列的复共轭，即卷积运算，公式如下：图 4-3 时域检测框图4.2.2 频域检测原理频域检测的系统流程与时域基本相同，只用将本地根序列的时域形式 X（n）转换为复共轭 X 频域形式 X*（k），提取信号 839 RACH 信号值直接乘以信号点然后通过逆变换将结果转换成时域。4.2.3 中低速场景峰值检测方法

53、在中低速单元中，当与时域或频域相关时，它可以获得一段长度的 Nzc 时域相关序列，通过 ZC 序列的周期性自相关，循环移位之后的序列对应序列的峰值可能出现在相关值序列的位移值旁。 所以可能将阈值应用于所有时域相关序列。要找到大于此阈值的序列值附近 NCS 的长度 Cv 点，然后通过值和根序列来确定用户设备的前导码数，如果小于阈值该值被识别为噪声。原理如图 4-4：图 4-4 峰值检测原理4.2.4 高速速场景峰值检测方法在用户设备在或中等条件下移动的情况下，即 4.2.3 节中低速场景下使用的峰值检查测量方法是可靠的，但是为了实际模拟用户设备可能的所有信道条件，本文必须考虑到移动速度对用户设备

54、快速移动过程中随机接入前导序列检测的影响。通过效应，已知当用户设备以一定速度接近时，相对于用户设备在源极附近，信号波的频率增加，这被称为蓝移，而信号波的频率下降低，导致。频率偏移公式：图 4-5 改进固定门限的检测方法当检测窗口中的信号超过阈值 C1 时，认为在该窗口中可能存在 PRACH 的前置信号的相关性峰值显示在图 CS1 和 CS2 窗口中，然后设置有用的信号阈值 C2，C,1 和 CS2 窗口分别对上述 C 阈值的所有相关值进行平均，然后获得平均信号功率 P1 和 P2；设置第三阈值 C3，如果平均功率大于 C3，表示窗口有峰值通过，此外，可以准确地确定峰值的位置，并且确保固定阈值检

55、测算法的灵活性。固定阈值算法非常简单，但也具有非常严重的缺点，如在配置之前遍历系统模拟所有可能的不同条件找到相应的门槛，这需要大量的工作;什么时候当通道产生新的变化时，与原始仿真模型不完全相似，甚至在差异较大时影响检测性能它也相应地增加，当系统设计改变时，必须重新确定新的阈值。如今，存在一些检测动态阈值的方法，例滑动窗口峰值检测，该算法需要输入信号噪声实时用于计算早期上升功率，并且还需要检测信号的相关值的多个取样点的动态采样与算法相比，算法复杂，计算量大，也增加了系统表面的延迟。对于这样的算法，即使它们检测精度高，假概率低，但成本不值得损失系统效率和瞬时性的代价。为了提高检测精度，同时具有很好

56、的适用性，算法简单，并且计算量小，直观，本文提出了峰值检测算法，采用动态阈值法和固定阈值法主要思想是根据相关信号的概率分布特征静态计算峰值阈值系数将4.4 PRACH 的测试要求4.4.1 随机接入检测性能要求为了让仿真结果更准确，PRACH 前导码检测的仿真配置参数主要参考 3GPP 测试规范对 LTE的实际参数测试，可能会频偏和信道噪声的模拟测试与以下要求相比，表 5-1 表示普通低速环境中前导码检测的要求;前导码检测的要求。表 5-2 表示高速环境中在两个表中，接收天线的数量为 2，给出的不同的信道条件和不同的前同步码格式来满足检测性能的最小信噪比（SNR），也就是说，在模拟设定中给出了

57、一系列信噪比模拟时，当模拟正确的检测概率满足系统要求时，即大于 99的模拟信件集噪声比必须小于或等于给定的 SNR。如果达到检测概率，则进试，如果 SNR大于此值，则系统性能不能达标。同时，需要在相应的 SNR 下进行检测假概率，如果误报概率大于 0.1，系统性能不能达标。对于不同的通道条件，否以相同的速度，相应的信噪比也不相同。而上表 2 中的 ETU 70 表示瑞利消息通道的 ETU模式，同时给出了 70Hz频移，表的所有频率值都作为系统参数预匹配用户设备使用的基带信号来产生前导码序列。4.4.2 随机接入测试其他要求在进行前导码检测时，需要连续重复和重复前导码长度，也就是每个前导码之间的

58、距离可以是信号帧长度，或者两个信号帧长度，所选择的子帧的位置和前导码格式的类型由系统配置，并且根据该帧执行前导码检测工作检测在参数 Nd 次累积1，直到检测到总次数为 N。最终通过下式得到相对应的成功检测概率：序列）时导码中重复两次，占用三帧，信号产生频移，信道使用多路径效应在较差的 ETU 模式下，模拟时间可以提高到 100 分钟。本要求不同的前导码格式并对不同信道条件下的随机前导序列检测进行系统仿真，并在同样条件下执行不同算法的仿真比较。如果采用个人电脑的主流配置，仿真配置总数可达 30 台总模拟时间接近 5000 小时。为了优化反复模拟场景的性能，不考虑这一点。因此，模拟挖掘采用特殊算法

59、仿真服务器，简要配置如图 4-7 所示，由于 8 位四核处理器有效的计算能力（每次 10 次同步 PRACH 链路仿真）大大降低了仿真时间，为算法的校正和优化提供了有力的保证。图 4-7 仿真硬件参数4.5.2 仿真参数配置本次设计采用的 PRACH 上行链路模型主要分为主函数，PRACH 所有参数定义，生成基带信号，生成前导序列矩阵，生成循环移位距离几个功能模块有主函数衔接，部分代码见附录。，各模块4.6 仿真结果分析4.6.1 仿真结果2 天线，中低速场景，加性白噪声信道，0Hz 频偏，前导格式 03 的仿真结果如下图：图 4-8 仿真结果 12 天线，中低速场景，ETU70 信道，270

60、Hz 频偏，前导格式 03 的仿真结果如下图：图 4-9 仿真结果 22 天线，高速场景，加性白噪声信道，0Hz 频偏，前导格式 03 的仿真结果如下图：图 4-10 仿真结果 32 天线，高速场景，ETU70 信道，270Hz 频偏，前导格式 03 的仿真结果如下图：图 4-11 仿真结果 44.6.3 结果分析模拟参数配置前四使用个相同的信道条件，只有不同的前同步码格式横截面可以在格式 2 和格式 3 中进行。在系统 SNR 级别，四个模拟结果的误差检测概率和误报概率分别为 0.01 和 0.001，边距为 1dB 左右。其中当使用前置码格式 0 和前同步码格式 1 时，假警报概率的检测性