4g网络随机接入技术的分析与设计
摘 要随机接入过程是用户与网络进行通信的第一步。只有在用户完成随机接入过程之后，用户才能与网络建立联系。当UE发起随机接入过程时，由于接入资源有限，如果许多用户在同一时刻以相同的资源接入网络，就有可能会发生碰撞，而且接入时延会随碰撞概率的增大而增大。本文主要对4G网络的随机接入过程及其性能进行分析和仿真。首先概述了LTE基于竞争的和基于非竞争的随机接入步骤，对比了两者随机接入网络的主要区别。归纳了产生前导信号的Zadoff-chu序列的特性，阐述了物理随机接入信道（PRACH）的前导序列的产生过程及其时域、频域特性。然后分析了随机接入前导的检测过程，包括时域和频域传统的检测方法、检测门限的确定以及新的检测改进算法，该算法对原有的接收端进行了改进，将相关运算转换到频域并引入降采样模块，从而大大减少运算量。最后使用Matlab软件平台对LTE系统中的PRACH的前导检测过程进行了仿真，选用不同的信道模型进行试验，用正确检测概率表示PRACH的前导信号的检测能力，并采用不同的子帧数目提升PRACH前导检测的正确概率。而在虚警概率实验中，产生一个噪声信号并对前导序列的检测进行仿真，并得到了相应的虚警概率。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 .............................. 1
1.1 引言 1
1.2 背景与意义 3
1.3 主要内容与组织结构 5
第2章 LTE随机接入过程 5
2.1 竞争模式下的随机接入 6
2.2 非竞争模式下的随机接入 9
第3章 随机接入前导序列 11
3.1 Zadoff–Chu序列 11
3.2 前导序列的产生 13
3.3 前导序列格式 14
3.4 前导的时频结构 16
3.5 PRACH前导基带信号 17
第4章 PRACH前导检测 18
4.1 时频检测原理 18
4.2 改进后的检测算法 18
4.3 前导检测 20
4.4 检测门限 21
第5章 仿真结果与分析 22
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/> 5.1 仿真设计 22
5.2 仿真结果 25
第6章 总结与展望 29
6.1 总结 29
6.2 展望 29
参考文献 31
附录 34
绪论
1.1 引言
从上个世纪末开始，移动通信的发展就突飞猛进。互联网的发展和移动数据通信的发展相辅相成，相得益彰。互联网几十年的发展极大地推动了移动通信的发展，与此同时，移动通信的发展开辟了一个新的纪元，同时，移动通信的市场化又推动了通信技术自身的进步。当第三代移动通信（3G）正如日中天逐渐占领市场份额之时，世界的目光已经逐渐开始转向第四代移动通信（4G）。
采用模拟调频、频分多址等技术的模拟蜂窝移动电话系统是上个世纪末期发展起来的，也就是第一代移动通信系统（1G），1G的主要业务是语音服务。这一系统的主要制式有美国的AMPS，英国TACS等等，我国主要采用的制式主要是TACS。移动通信的长途漫游在第一代移动通信系统中是无法实现，它只能是一种区域性的移动通信系统，其主要原因就是受到带宽的限制。语音质量不高、容量有限、无法提供数据业务和自动漫游等是第一代移动通信较为明显的缺陷。
主要采用数字TDMA技术和CDMA技术的第二代移动通信系统提供的主要业务依然是语音服务，2G区别于1G的主要地方就是能够提供一些低速数据业务以及提供数字化的话音业务。GSM和CDMA是2G在全球范围内的两种主要体制。现在全球绝大多数国家都使用着由欧洲提出的GSM标准。而目前在美国、韩国等国家使用的是由高通公司提出的CDMA标准。2G改进了1G的不足，克服了它的弱点，使得话音质量和保密性能得到很大的提高。从1G到2G，不仅是数字上的增加，更是模拟技术向数字技术的转变。
与以模拟技术为代表的第一代和以数字技术为代表的第二代移动通信技术相比，第三代移动通信技术（3G）有更宽的带宽，可达5MHZ以上，有更高的传输速率，最高可达2M。3G共有三大标准，分别是欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD—SCDMA[1]。第三代移动通信的主要特点，其一是能够实现高速数据传输，第二，也是超越2G的地方——可以提供宽带多媒体服务。虽然第三代移动通信在传输速率上可以说是比前两代的通信技术有了极大的提升，但在将来还是不能满足个人通信的需求。所以说，第四代移动通信系统（4G）的产生是大势所趋。
第四代移动通信技术全称第四代移动电话行动通信标准，简称4G[2]。TDLTE和FDDLTE是4G技术的两种主要制式，严格意义上来讲，LTE只是3.9G，并未达到4G的标准。4G理论上能够以100M以上的速度下载，能够快速传输数据、进行高质量的多媒体服务等。并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G的核心技术主要是以正交频分复用（OFDM）[3]，以及被认为是未来移动通信的关键技术的空时多址（SDMA）技术为基础的。
在其他4G关键技术中，软件无线电是一项以现代通信理论为基础，以DSP技术为核心，以微电子技术为支持迅速发展起来的新技术[4]。其拥有极大的优越性，可以说，软件无线电技术未来移动通信的法宝与关键所在。第四代移动通信系统在不同的固定和无线平台提供无线服务，比第三代移动通信更接近于个人通信。在上网速度这一重要参考因素上，能够实现三维图像高质量传输的第四代移动通信技术可以超过第三代移动技术的50倍。在对无线频率的使用效率上，4G比第二代和第三代系统都高得多。在容量方面，可以引入空分多址（SDMA）技术，容量是3G的许多倍[5]。很明显，4G有着不可比拟的优越性。图1.1即是移动通信发展史
图1.1 移动通信发展史
随机接入过程[6]是指从用户发送随机接入前导码开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程。在移动通信系统中，随机接入技术是用户和网络通信的起始步骤，也是最为重要的一步。用户与网络端的下行同步是在小区选择过程中，UE通过接收该小区的参考信号获得的。但是只有通过随机接入，用户设备才能取得和基站的上行同步，之后才能进行后续的通信过程。作为最新的移动通信系统，LTE系统的要求很高，尤其是在接入时延和网络容量这两方面。在随机接入的作用上，现有的LTE通信系统与传统的3G UMTS[7]通信系统有很多不同。在新的LTE通信系统中，随机接入的主要作用是校正上行定时同歩，调整用户功率以及申请用户资源需求。LTE的上行采用的是基于DFTSOFDM[8]的传输技术，这有别于UMTS的CDMA技术。这些接入作用的不同以及传输技术的差别和对于时延的严格要求给LTE的随机接入设计带来了新的挑战。所以设计有效的随机接入过程是实现LTE高性能标准的必由之路。
1.2 背景与研究意义
1.2.1 背景
LTE 随机接入过程是用户端与网络端的建立上行链路同步的过程。(1)小区间切换 ；(2) 初始化的随机接入；(3)RRC连接重建过程；(4)RRC 连接状态下的下行数据到达； (5) RRC连接状态下的上行数据到达，或是需要发送调度请求(SR)时没有物理上行控制信道资源；（6）处于连接状态的UE出现配置请求。这几种情况可能会触发随机接入过程。在LTE系统中，随机接入过程根据应用场景的不同，有同步和非同步随机接入过程这两种情况。在发起随机接入之前，终端是否已经与网络建立同步是这二者的主要区别。本文主要讨论的是非同步随机接入过程。而非同步随机接入过程又可以分为自行获取接入资源的竞争随机接入过程以及由基站分配接入资源的非竞争随机接入过程。
1.2.2 研究意义
物理随机接入信道前导检测的性能决定了随机接入过程的整体性能，是随机接入过程的关键。无线接入过程中的最重要环节就是随机接入。后续的通信过程的进行是建立在用户设备取得与基站的上行同步的基础上的，而上行同步的建立又是通过随机接入实现的。必须通过随机接入才能完成移动台首次接入呼叫发起，短消息以及突发型数据等业务也需要通过随机接入完成。移动通信的随机接入就是解决通信问题，提高服务质量的关键。业务的质量很大程度上受随机接入信道的性能的影响。而如今，突发业务开始越来越频繁地出现，移动用户以及接入服务类型也在不断地增多。基站侧处理的算法运算量的减小将会使接入所产生的时延必然得到充分的减小。所以，研究随机接入的必要性和意义是不言而喻的。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 .............................. 1
1.1 引言 1
1.2 背景与意义 3
1.3 主要内容与组织结构 5
第2章 LTE随机接入过程 5
2.1 竞争模式下的随机接入 6
2.2 非竞争模式下的随机接入 9
第3章 随机接入前导序列 11
3.1 Zadoff–Chu序列 11
3.2 前导序列的产生 13
3.3 前导序列格式 14
3.4 前导的时频结构 16
3.5 PRACH前导基带信号 17
第4章 PRACH前导检测 18
4.1 时频检测原理 18
4.2 改进后的检测算法 18
4.3 前导检测 20
4.4 检测门限 21
第5章 仿真结果与分析 22
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
/> 5.1 仿真设计 22
5.2 仿真结果 25
第6章 总结与展望 29
6.1 总结 29
6.2 展望 29
参考文献 31
附录 34
绪论
1.1 引言
从上个世纪末开始，移动通信的发展就突飞猛进。互联网的发展和移动数据通信的发展相辅相成，相得益彰。互联网几十年的发展极大地推动了移动通信的发展，与此同时，移动通信的发展开辟了一个新的纪元，同时，移动通信的市场化又推动了通信技术自身的进步。当第三代移动通信（3G）正如日中天逐渐占领市场份额之时，世界的目光已经逐渐开始转向第四代移动通信（4G）。
采用模拟调频、频分多址等技术的模拟蜂窝移动电话系统是上个世纪末期发展起来的，也就是第一代移动通信系统（1G），1G的主要业务是语音服务。这一系统的主要制式有美国的AMPS，英国TACS等等，我国主要采用的制式主要是TACS。移动通信的长途漫游在第一代移动通信系统中是无法实现，它只能是一种区域性的移动通信系统，其主要原因就是受到带宽的限制。语音质量不高、容量有限、无法提供数据业务和自动漫游等是第一代移动通信较为明显的缺陷。
主要采用数字TDMA技术和CDMA技术的第二代移动通信系统提供的主要业务依然是语音服务，2G区别于1G的主要地方就是能够提供一些低速数据业务以及提供数字化的话音业务。GSM和CDMA是2G在全球范围内的两种主要体制。现在全球绝大多数国家都使用着由欧洲提出的GSM标准。而目前在美国、韩国等国家使用的是由高通公司提出的CDMA标准。2G改进了1G的不足，克服了它的弱点，使得话音质量和保密性能得到很大的提高。从1G到2G，不仅是数字上的增加，更是模拟技术向数字技术的转变。
与以模拟技术为代表的第一代和以数字技术为代表的第二代移动通信技术相比，第三代移动通信技术（3G）有更宽的带宽，可达5MHZ以上，有更高的传输速率，最高可达2M。3G共有三大标准，分别是欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD—SCDMA[1]。第三代移动通信的主要特点，其一是能够实现高速数据传输，第二，也是超越2G的地方——可以提供宽带多媒体服务。虽然第三代移动通信在传输速率上可以说是比前两代的通信技术有了极大的提升，但在将来还是不能满足个人通信的需求。所以说，第四代移动通信系统（4G）的产生是大势所趋。
第四代移动通信技术全称第四代移动电话行动通信标准，简称4G[2]。TDLTE和FDDLTE是4G技术的两种主要制式，严格意义上来讲，LTE只是3.9G，并未达到4G的标准。4G理论上能够以100M以上的速度下载，能够快速传输数据、进行高质量的多媒体服务等。并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G的核心技术主要是以正交频分复用（OFDM）[3]，以及被认为是未来移动通信的关键技术的空时多址（SDMA）技术为基础的。
在其他4G关键技术中，软件无线电是一项以现代通信理论为基础，以DSP技术为核心，以微电子技术为支持迅速发展起来的新技术[4]。其拥有极大的优越性，可以说，软件无线电技术未来移动通信的法宝与关键所在。第四代移动通信系统在不同的固定和无线平台提供无线服务，比第三代移动通信更接近于个人通信。在上网速度这一重要参考因素上，能够实现三维图像高质量传输的第四代移动通信技术可以超过第三代移动技术的50倍。在对无线频率的使用效率上，4G比第二代和第三代系统都高得多。在容量方面，可以引入空分多址（SDMA）技术，容量是3G的许多倍[5]。很明显，4G有着不可比拟的优越性。图1.1即是移动通信发展史
图1.1 移动通信发展史
随机接入过程[6]是指从用户发送随机接入前导码开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程。在移动通信系统中，随机接入技术是用户和网络通信的起始步骤，也是最为重要的一步。用户与网络端的下行同步是在小区选择过程中，UE通过接收该小区的参考信号获得的。但是只有通过随机接入，用户设备才能取得和基站的上行同步，之后才能进行后续的通信过程。作为最新的移动通信系统，LTE系统的要求很高，尤其是在接入时延和网络容量这两方面。在随机接入的作用上，现有的LTE通信系统与传统的3G UMTS[7]通信系统有很多不同。在新的LTE通信系统中，随机接入的主要作用是校正上行定时同歩，调整用户功率以及申请用户资源需求。LTE的上行采用的是基于DFTSOFDM[8]的传输技术，这有别于UMTS的CDMA技术。这些接入作用的不同以及传输技术的差别和对于时延的严格要求给LTE的随机接入设计带来了新的挑战。所以设计有效的随机接入过程是实现LTE高性能标准的必由之路。
1.2 背景与研究意义
1.2.1 背景
LTE 随机接入过程是用户端与网络端的建立上行链路同步的过程。(1)小区间切换 ；(2) 初始化的随机接入；(3)RRC连接重建过程；(4)RRC 连接状态下的下行数据到达； (5) RRC连接状态下的上行数据到达，或是需要发送调度请求(SR)时没有物理上行控制信道资源；（6）处于连接状态的UE出现配置请求。这几种情况可能会触发随机接入过程。在LTE系统中，随机接入过程根据应用场景的不同，有同步和非同步随机接入过程这两种情况。在发起随机接入之前，终端是否已经与网络建立同步是这二者的主要区别。本文主要讨论的是非同步随机接入过程。而非同步随机接入过程又可以分为自行获取接入资源的竞争随机接入过程以及由基站分配接入资源的非竞争随机接入过程。
1.2.2 研究意义
物理随机接入信道前导检测的性能决定了随机接入过程的整体性能，是随机接入过程的关键。无线接入过程中的最重要环节就是随机接入。后续的通信过程的进行是建立在用户设备取得与基站的上行同步的基础上的，而上行同步的建立又是通过随机接入实现的。必须通过随机接入才能完成移动台首次接入呼叫发起，短消息以及突发型数据等业务也需要通过随机接入完成。移动通信的随机接入就是解决通信问题，提高服务质量的关键。业务的质量很大程度上受随机接入信道的性能的影响。而如今，突发业务开始越来越频繁地出现，移动用户以及接入服务类型也在不断地增多。基站侧处理的算法运算量的减小将会使接入所产生的时延必然得到充分的减小。所以，研究随机接入的必要性和意义是不言而喻的。
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