LTE隨機(jī)接入技術(shù)研究

1、 lte隨機(jī)接入研究目 錄圖 表4表 格71 引言81.1 編寫目的81.2 預(yù)期讀者和閱讀建議81.3 縮寫術(shù)語(yǔ)82 技術(shù)特征102.1 lte概述介紹102.2 lte系統(tǒng)中隨機(jī)接入過程概要介紹103 有關(guān)隨機(jī)接入相關(guān)提案及發(fā)展過程介紹和討論113.1 隨機(jī)接入的目的113.2 非同步隨機(jī)接入的時(shí)頻結(jié)構(gòu)113.2.1 隨機(jī)接入資源與數(shù)據(jù)資源的復(fù)用方式113.2.2 多個(gè)隨機(jī)接入資源之間的復(fù)用方式133.2.3 隨機(jī)接入資源的傳輸帶寬163.2.4 prach攜帶控制信息的方式18prach包長(zhǎng)度的選取19超大小區(qū)prach的考慮21cp長(zhǎng)度的確定223.2.8 prach發(fā)送之前ue需要獲

2、取的信息243.2.9 tdd模式隨機(jī)接入資源設(shè)計(jì)的考慮24非同步隨機(jī)接入的前導(dǎo)（preamble）設(shè)計(jì)343.3.1 前導(dǎo)（preamble）序列設(shè)計(jì)343.3.2 序列的長(zhǎng)度353.3.3 preamble序列的循環(huán)移位操作及相關(guān)參數(shù)的確定363.3.4 preamble序列順序和分組的考慮393.4 高速特殊場(chǎng)景的考慮423.5 非同步隨機(jī)接入流程493.6 非同步隨機(jī)接入的功率控制513.7 同步隨機(jī)接入過程543.7.1 同步隨機(jī)接入設(shè)計(jì)的考慮與目標(biāo)543.7.2 同步隨機(jī)接入的設(shè)計(jì)543.8 上行同步保持技術(shù)564 36.211協(xié)議中關(guān)于隨機(jī)接入的finalization614.1

3、 非同步隨機(jī)接入時(shí)頻資源的最終設(shè)計(jì)614.1.1 fs1（fdd）模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)614.1.2 fs2（tdd）模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：62非同步隨機(jī)接入前導(dǎo)（preamble）格式644.1.4 時(shí)頻結(jié)構(gòu)格式644.2 前導(dǎo)序列preamble的最終設(shè)計(jì)694.3 基帶信號(hào)生成方式725 隨機(jī)接入相關(guān)算法研究745.1 隨機(jī)接入的相關(guān)算法設(shè)計(jì)745.1.1 隨機(jī)接入檢測(cè)之前準(zhǔn)備工作74隨機(jī)接入前導(dǎo)（preamble）序列檢測(cè)78對(duì)于檢測(cè)性能影響的因素825.1.4 模塊1855.1.5 模塊2855.2 上行同步保持算法855.2.1 上行同步保持資源設(shè)計(jì)介紹855.2.2 上行同步保持檢測(cè)算法87

4、對(duì)于檢測(cè)性能影響的因素91結(jié)論以及建議947 參考文獻(xiàn)958 附錄988.1 zadoff-chu序列特性和性能分析988.1.1 zadoff-chu序列自相關(guān)屬性988.1.2 zadoff-chu序列互相關(guān)屬性998.1.3 zadoff-chu序列頻域?qū)傩?018.1.4 zadoff-chu序列對(duì)整數(shù)倍頻偏和采樣偏差的影響1018.1.5 zadoff-chu序列插值后的屬性1028.2 gcl序列特性和性能分析104圖 表圖表 31 fdm 、tdm 、tdm/fdm隨機(jī)接入結(jié)構(gòu)（prach與數(shù)據(jù)的分集）812圖表 32 cdm隨機(jī)接入資源結(jié)構(gòu)（prach與數(shù)據(jù)的復(fù)用）213圖表

5、33 tdm/fdm模式隨機(jī)接入資源結(jié)構(gòu)（多個(gè)prach之間的分集）213圖表 34 隨機(jī)接入模式與ra復(fù)雜度、延遲的關(guān)系 3214圖表 35 texas instruments隨機(jī)接入模式時(shí)隙配置 3215圖表 36 prach頻域資源放置位置的設(shè)計(jì) 3416圖表 37 1.25、5.0、20mhz系統(tǒng)能量包絡(luò)與相應(yīng)檢測(cè)門限 5017圖表 38 prach前導(dǎo)序列帶寬與檢測(cè)性能示意圖（awgn）5017圖表 39 prach前導(dǎo)序列帶寬與檢測(cè)性能示意圖（tu03）5018圖表 310 prach攜帶控制信息方案1 518圖表 311 prach攜帶控制信息方案2 519圖表 312 prac

6、h攜帶控制信息方案3 519圖表 313 隨機(jī)接入0.5ms子幀及對(duì)應(yīng)前導(dǎo)（preamble）設(shè)計(jì) 819圖表 314 nodeb-ue距離與隨機(jī)接入preamble長(zhǎng)度關(guān)系圖1120圖表 315 隨機(jī)接入preamble在多種模式下性能曲線1120圖表 316 panasonic、docomo針對(duì)隨機(jī)接入preamble結(jié)構(gòu)的提案1121圖表 317 ran-#46bis隨機(jī)接入preamble結(jié)構(gòu)1221圖表 318 對(duì)于超大小區(qū)preamble結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1322圖表 319 在低idft采樣率時(shí)cp的插值6423圖表 320 在系統(tǒng)采樣率時(shí)cp的插值6423圖表 321 tdd模式幀結(jié)構(gòu)設(shè)

7、計(jì)5324圖表 322 ericsson針對(duì)frame structure2（tdd）middle burst結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2226圖表 323 frame structure2（tdd）關(guān)于prach結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)226圖表 324 catt針對(duì)frame structure2（tdd）短rach結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2127圖表 325 ericsson針對(duì)frame structure2（tdd）短rach結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2227圖表 326 ericsson關(guān)于tdd多個(gè)prach配置示意圖5829圖表 327 zte關(guān)于tdd模式在不同r值時(shí)nodeb的承載圖5930圖表 328 zte關(guān)于tdd模式在短prach時(shí)

8、頻資源設(shè)置示意圖5930圖表 329 zte關(guān)于tdd模式無(wú)線幀配置示意圖5931圖表 330 tdd模式prach配置示意圖15934圖表 331 tdd模式prach配置示意圖25934圖表 332 tdd模式prach配置示意圖35934圖表 333 zc序列與gcl序列互相關(guān)平均歸一化結(jié)果2035圖表 334 有干擾場(chǎng)景下隨機(jī)接入漏檢測(cè)概率3136圖表 335 隨機(jī)接入preamble子載波映射圖3136圖表 336 小區(qū)半徑與最大zc序列數(shù)量關(guān)系圖4538圖表 337 zadoff-chu序列的cm值4840圖表 338 索引調(diào)整后preamble序列cm值與高速場(chǎng)景下可支持小區(qū)大小

9、2440圖表 339 頻偏對(duì)preamble的相關(guān)性能影響圖11741圖表 340 頻偏對(duì)preamble的相關(guān)性能影響圖21842圖表 341 抑制頻偏限制集合（restricted set）基序列與循環(huán)移位示意圖1943圖表 342 限制集合方案對(duì)頻偏影響的抑制性能1943圖表 343 被限制循環(huán)移位示例66(n=839, ncs=40, du=150)44圖表 344 被限制循環(huán)移位示例66(n=839, ncs=40, du=150)45圖表 345 參考文獻(xiàn)66方法得到被限制循環(huán)移位示例6746圖表 346 參考文獻(xiàn)65方法得到被限制循環(huán)移位示例6746圖表 347 早期在25.81

10、4隨機(jī)接入流程方案設(shè)計(jì)247圖表 348 motorola關(guān)于隨機(jī)接入流程設(shè)計(jì)6248圖表 349 非同步隨機(jī)接入流程最終方案設(shè)計(jì)2648圖表 350 非同步隨機(jī)接入功率控制（固定功率）方案2950圖表 351 非同步隨機(jī)接入功率控制（開環(huán)功率控制）方案2951圖表 352 非同步隨機(jī)接入功率控制（基于開環(huán)功率遞增控制）方案2951圖表 353 激活模式下調(diào)度請(qǐng)求傳輸模式2753圖表 354 基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制調(diào)度請(qǐng)求性能圖2753圖表 355 同步隨機(jī)接入流程圖3054圖表 356 上行同步保持過程54圖表 357 ue信號(hào)同步場(chǎng)景描述7255圖表 41 非同步隨機(jī)接入時(shí)頻資源復(fù)用結(jié)構(gòu)圖59圖表

11、42 fs2（tdd）模式時(shí)頻資源復(fù)用結(jié)構(gòu)圖61圖表 43 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列格式362圖表 51 隨機(jī)接入檢測(cè)預(yù)處理方案1（頻域）72圖表 52 隨機(jī)接入檢測(cè)預(yù)處理方案2（時(shí)域）72圖表 53 隨機(jī)接入檢測(cè)預(yù)處理ddc示意圖74圖表 54 預(yù)處理低通濾波器示意圖75圖表 55 降采樣在頻譜上的示意圖75圖表 56 前導(dǎo)（preamble）序列頻域檢測(cè)流程圖76圖表 57 信道檢測(cè)中zero-padding操作示意圖177圖表 58 信道檢測(cè)中zero-padding操作示意圖278圖表 59 頻域從長(zhǎng)度q補(bǔ)零到長(zhǎng)度mq（m3）的時(shí)域?qū)?yīng)示意圖78圖表 510 前導(dǎo)序列檢測(cè)時(shí)域加窗示意圖79圖表

12、 511 lte協(xié)議rs信號(hào)設(shè)計(jì)示意圖83圖表 512 rs信號(hào)zc序列擴(kuò)展示意圖84圖表 513 上行rs信號(hào)ue發(fā)射處理示意圖85圖表 514 上行同步檢測(cè)流程圖85圖表 515 上行同步檢測(cè)fft與頻域加窗操作86圖表 516 上行同步檢測(cè)頻域加窗操作86圖表 517 上行同步檢測(cè)頻域提取與ifft模塊操作87圖表 518 上行同步檢測(cè)頻域補(bǔ)零模塊操作88圖表 519 短rs序列自相關(guān)屬性（1rb）91圖表 520 短rs序列自相關(guān)屬性（2rb）91圖表 81 zadoff-chu序列（n=63,u=33）自相關(guān)屬性示意圖97圖表 82 zadoff-chu序列（n=63,u=29,33

13、）互相關(guān)屬性示意圖98圖表 83 zadoff-chu序列（n=839,u=31）插值前后幅度示意圖101圖表 84 zadoff-chu序列（n=839,u=31）2倍插值局部放大示意圖102圖表 85 zadoff-chu序列（n=839,u=31）4倍插值局部放大示意圖102表 格表格 31 motorola關(guān)于隨機(jī)接入時(shí)隙的提案3315表格 32 prach帶寬與性能關(guān)系仿真參數(shù)5016表格 33 隨機(jī)接入preamble不同結(jié)構(gòu)參數(shù)比較1120表格 34 關(guān)于隨機(jī)接入前導(dǎo)序列前期的參數(shù)6423表格 35 關(guān)于隨機(jī)接入前導(dǎo)序列cp參數(shù)設(shè)計(jì)6424表格 36 關(guān)于tdd模式prach參數(shù)

14、提案545527表格 37 關(guān)于tdd模式prach在參考文獻(xiàn)56中參數(shù)27表格 38 tdd模式ncs參數(shù)配置5628表格 39 ericsson在文獻(xiàn)58中給出的tdd模式prach配置表5628表格 310 參考文獻(xiàn)45中給出的ncs選取方案表4538表格 311 隨機(jī)接入序列循環(huán)偏移待選方案表36 37 3839表格 312 ue信號(hào)同步精度評(píng)估參數(shù)表7156表格 313 ue信號(hào)同步精度評(píng)估（1% residual bler場(chǎng)景損失）7156表格 314 tu30場(chǎng)景中95%的timing估計(jì)絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)（cdf）7757表格 315 tu360場(chǎng)景中95%的timing估計(jì)絕對(duì)誤差

15、統(tǒng)計(jì)（cdf）7757表格 41 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列參數(shù)362表格 42 幀結(jié)構(gòu)1隨機(jī)接入?yún)?shù)配置（前導(dǎo)序列03）363表格 43 幀結(jié)構(gòu)2隨機(jī)接入?yún)?shù)配置（前導(dǎo)序列04）363表格 44 幀結(jié)構(gòu)2隨機(jī)接入時(shí)頻分配參數(shù) 364表格 45 幀結(jié)構(gòu)2上下行配置參數(shù)366表格 46 zadoff-chu序列邏輯根索引與物理根索引對(duì)照（前導(dǎo)格式03）367表格 47 zadoff-chu序列邏輯根索引與物理根索引對(duì)照（前導(dǎo)格式4）368表格 48 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列長(zhǎng)度定義370表格 49 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列生成循環(huán)移位定義（前導(dǎo)格式03）370表格 410 隨機(jī)接入前導(dǎo)序列生成循環(huán)移位定義（前導(dǎo)格式4）3

16、70表格 411 隨機(jī)接入信號(hào)生成基帶參數(shù)371表格 51 隨機(jī)接入樣預(yù)處理信號(hào)緩存樣點(diǎn)數(shù)nseq73表格 52 值定義（）389表格 53 值定義（）390 第 6 頁(yè) 共 103 頁(yè)1 引言引言提出了對(duì)本文檔的縱覽，幫助讀者理解該文檔的編寫目的，適用的讀者，參考資料，術(shù)語(yǔ)解釋等等。1.1 編寫目的簡(jiǎn)要描述本文檔涉及的研究?jī)?nèi)容和范圍，說明本文檔編寫的目的和意義。1.2 預(yù)期讀者和閱讀建議列舉本文檔所針對(duì)的不同讀者，如開發(fā)人員、項(xiàng)目經(jīng)理、測(cè)試人員或文檔編寫人員等，提出適合各類用戶的閱讀建議。1.3 縮寫術(shù)語(yǔ) density of random access opportunities per

17、radio frame carrier frequency prach resource frequency index within the considered time domain location uplink bandwidth configuration, expressed in multiples of resource block size in the frequency domain, expressed as a number of subcarriers timing offset between uplink and downlink radio frames a

18、t the ue, expressed in units of fixed timing advance offset, expressed in units of physical resource block number first physical resource block occupied by prach resource considered first physical resource block available for prach index for prach versions with same preamble format and prach density

19、 radio frame indicator index of prach opportunity half frame index of prach opportunity within the radio frame uplink subframe number for start of prach opportunity within the half frame basic time unit amplitude scaling for prach subcarrier spacing subcarrier spacing for the random access preamble第

20、 103 頁(yè) 共 103 頁(yè)2 技術(shù)特征2.1 lte概述介紹lte（long term evolution）是在2004年底的時(shí)候，第3代合作伙伴計(jì)劃（3gpp）開始的關(guān)于通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（umts）技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目是以正交頻分復(fù)用（ofdm）為核心的技術(shù)，與其說是3g的演進(jìn)，不如說是“革命”，它與umb、wimax以及ieee的802.20等技術(shù)，由于已經(jīng)具有某些第4代通信技術(shù)的特征，甚至可以被看作“準(zhǔn)4g”技術(shù)1。3gpp啟動(dòng)lte主要是為了移動(dòng)通信與寬帶無(wú)限接入技術(shù)的融合。其技術(shù)特點(diǎn)主要考慮到如下幾個(gè)總體目標(biāo)：ü 降低每bit成本。ü 擴(kuò)展業(yè)務(wù)的提供能力

21、，以更低的成本、更佳的用戶體驗(yàn)提供更多的業(yè)務(wù)。ü 靈活使用現(xiàn)有的和新的頻段。ü 簡(jiǎn)化架構(gòu)，開放接口。ü 實(shí)現(xiàn)合理的終端功耗。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)lte要求的高性能，系統(tǒng)架構(gòu)也不可避免的會(huì)發(fā)生改變?？偨Y(jié)起來為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)高數(shù)據(jù)率、低延時(shí)、為分組業(yè)務(wù)優(yōu)化的系統(tǒng)，需要完成以下工作1。ü 在空中接口物理層方面，支持靈活的傳輸帶寬，引入新的傳輸技術(shù)和先進(jìn)的多天線技術(shù)。ü 在空中接口層2/層3方面，對(duì)信令設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。ü 在ran架構(gòu)方面，確定優(yōu)化的ran架構(gòu)和ran網(wǎng)元之間的功能劃分。ü 優(yōu)化rf設(shè)計(jì)2.2 lte系統(tǒng)中隨機(jī)接入過程概要介紹隨機(jī)

22、接入（random access）是ue在開始和網(wǎng)絡(luò)通信之前的接入過程。隨機(jī)接入過程可以被分為兩種類型：同步隨機(jī)接入（synchronized random access）和非同步隨機(jī)接入（non-synchronized random access）。當(dāng)ue已經(jīng)和系統(tǒng)取得上行同步時(shí)，ue的隨即接入過程稱為同步隨機(jī)接入。當(dāng)ue尚未和系統(tǒng)取得或丟失上行同步時(shí)，ue的隨機(jī)接入過程稱為非同步隨機(jī)接入。由于在進(jìn)行非同步隨機(jī)接入時(shí)，ue尚未取得精確的上行同步，因此非同步接入?yún)^(qū)別于同步接入的一個(gè)主要特點(diǎn)，就是要估計(jì)、調(diào)整ue上行發(fā)送時(shí)鐘，將同步誤差控制在cp長(zhǎng)度以內(nèi)1。如前面所說隨機(jī)接入的過程可以被分為兩

23、種：ü 非同步隨機(jī)接入過程ü 同步隨機(jī)接入過程3 有關(guān)隨機(jī)接入相關(guān)提案及發(fā)展過程介紹和討論3.1 隨機(jī)接入的目的在上行鏈路中，node b將負(fù)責(zé)快速完成對(duì)有數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的ue進(jìn)行資源調(diào)配。為了能夠保證上行鏈路的正交性，就需要對(duì)ue發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率和時(shí)間的同步，而頻率同步通常是ue通過下行信號(hào)探測(cè)和對(duì)本振鎖定來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于由doppler等因素造成殘留頻偏通常不再做更細(xì)致的考慮。而在ue發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，node b可以完成時(shí)間同步的測(cè)量并通過接收ue數(shù)據(jù)和發(fā)送同步時(shí)間提前量給予有效調(diào)整。這個(gè)提前量主要是用于調(diào)整相應(yīng)的上行傳輸同步，在上行同步工作完成即實(shí)現(xiàn)上行同步后，ue開始進(jìn)

24、行上行調(diào)度請(qǐng)求，一旦該請(qǐng)求得到許可，ue根據(jù)調(diào)度情況便可以開始真正的上行數(shù)據(jù)傳輸了。但是在ue剛剛開啟時(shí)，由于node b通常無(wú)法獲取ue最近的上行信息，因此不能直接完成傳輸同步。因此這就需要node b與ue之間通過一個(gè)過程（隨機(jī)接入random access）從而建立這種同步關(guān)系。當(dāng)然在上行同步建立完成之前，也需要一個(gè)保護(hù)時(shí)間段（guard time），正如wcdma系統(tǒng)一樣。對(duì)于非同步隨機(jī)接入過程主要用于ue上行沒有與node b之間實(shí)現(xiàn)同步，或者ue上行鏈路失去同步的場(chǎng)景。如上所說，e-utra中隨機(jī)接入過程中除了使ue接入本地nodeb網(wǎng)絡(luò)以外，另一個(gè)主要目的就是獲得上行時(shí)間同步，使

25、其落入到上行cp的區(qū)域中。在wcdma系統(tǒng)中，上行隨機(jī)接入過程傳輸數(shù)據(jù)是非正交的，這樣所帶來的好處是在隨機(jī)接入過程中資源的放置沒有必要一定是準(zhǔn)靜態(tài)的，但是這樣就需要有一個(gè)power ramping的過程來抑制ue間的干擾。當(dāng)隨機(jī)接入過程中的數(shù)據(jù)是正交的，我們就從理論上不再需要power ramping的過程，這樣我們就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)快速的隨機(jī)接入過程4。3.2 非同步隨機(jī)接入的時(shí)頻結(jié)構(gòu)3.2.1 隨機(jī)接入資源與數(shù)據(jù)資源的復(fù)用方式隨機(jī)接入過程是基于隨機(jī)接入突發(fā)（burst）來實(shí)現(xiàn)的，它的時(shí)頻資源通常是由rrm的配置來控制。對(duì)于時(shí)頻資源的結(jié)構(gòu)曾經(jīng)有兩種建議，一種是通過fdm、tdm或二者結(jié)合的方式實(shí)

26、現(xiàn)非同步隨機(jī)接入資源結(jié)構(gòu)，另一種是通過cdm的方式實(shí)現(xiàn)非同步隨機(jī)接入資源的結(jié)構(gòu)2。隨機(jī)接入通?？梢酝ㄟ^在時(shí)域中保留一個(gè)專門子幀與數(shù)據(jù)傳輸完全分開。在下面圖表 31中的第一幅圖是fdm模式，其中我們可以看到rach資源與被調(diào)度的數(shù)據(jù)資源使用相同的時(shí)間資源，不同的頻率資源。第二幅圖是tdm模式，我們可以看到rach資源與數(shù)據(jù)資源使用了相同的時(shí)間資源和不同的頻率資源。最后的第三幅圖中是fdm/tdm相結(jié)合的模式，圖中可以看到rach資源與調(diào)度的數(shù)據(jù)資源在頻率和時(shí)間上都有復(fù)用。圖表 31 fdm 、tdm 、tdm/fdm隨機(jī)接入結(jié)構(gòu)（prach與數(shù)據(jù)的分集）8fdm模式中，rach將占用系統(tǒng)帶寬的一

27、部分。它的優(yōu)勢(shì)是可以為用戶提供一種持續(xù)的接入，這樣可以將反應(yīng)延遲減小到最小。但同時(shí)為此付出的代價(jià)就是過大的開銷，這也是很容易理解的，以至我們通常無(wú)法接收這種方法。tdm與tdm/fdm的方式是基于一種假設(shè)為前提，即有足夠的保護(hù)時(shí)間帶避免小區(qū)間的沖突。tdm模式中，并不一定像圖中所示一定要占據(jù)整個(gè)系統(tǒng)帶寬，同時(shí)可以將頻帶資源分為多個(gè)rach突發(fā)部分。而它所帶來的好處很容易看到可以使rach資源與調(diào)度的數(shù)據(jù)資源保持很好的正交性（數(shù)據(jù)的ofdm符號(hào)長(zhǎng)度和prach的ofdm符號(hào)長(zhǎng)度可能會(huì)不一致）。tdm/fdm模式可以使在相同的資源開銷的情況下有相對(duì)較小的反應(yīng)延遲，但是由于rach資源可能存在著異步

28、的問題，所以它會(huì)對(duì)鄰近頻率的數(shù)據(jù)資源帶來干擾。同時(shí)tdm模式（包括這種準(zhǔn)正交的tdm/fdm模式）由于其資源的正交性，可以通過使用power ramping（類似wcdma系統(tǒng)中）的過程，從而在一定程度上彌補(bǔ)了反應(yīng)延遲的影響。圖表 32 cdm隨機(jī)接入資源結(jié)構(gòu)（prach與數(shù)據(jù)的復(fù)用）2在上面圖表 32的結(jié)構(gòu)中，隨機(jī)接入過程使用cdm模式，多個(gè)隨機(jī)接入的時(shí)頻資源與數(shù)據(jù)的傳輸是可以發(fā)生沖突的，而接收機(jī)則可以通過足夠強(qiáng)的接收處理增益提取相關(guān)信息。這種模式的益處是rach可以靈活的配置在時(shí)頻域資源上。當(dāng)然所引入的問題很顯然就是干擾。通過上面我們對(duì)tdm、fdm、tdm/fdm以及cdm方式的介紹，以

29、及有缺點(diǎn)的解釋，很容易發(fā)現(xiàn)單一的fdm和cdm都并不是我們所希望的方式。而最終的協(xié)議中選用的方案是tdm/fdm模式，同時(shí)rach在一個(gè)時(shí)間段中也并沒有占用完整的頻域資源（如上所介紹的）。3.2.2 多個(gè)隨機(jī)接入資源之間的復(fù)用方式通常為了取得更好的性能，在多個(gè)隨機(jī)接入資源之間也可以通過某種方式達(dá)到一定的分集效果。在下面圖表 33中我們可以看到每個(gè)trach-rep的周期中一個(gè)子幀用來放置隨機(jī)接入資源，而trach-rep的值則由廣播信道通知ue。對(duì)于多個(gè)隨機(jī)接入資源的分集方式的也是分為了兩個(gè)觀點(diǎn)，即tdm/fdm與cdm模式。這兩種方式與上一節(jié)3.2.1中介紹的非常類似。tdm/fdm模式中多

30、個(gè)用戶的prach采用不同的時(shí)間和頻率資源，cdm則是多個(gè)用戶之間的prach采用不同的正交碼資源，而時(shí)間和頻率資源則是相同的。但是無(wú)論隨機(jī)接入資源采用的是cdm結(jié)構(gòu)還是fdm/tdm結(jié)構(gòu)都有著一個(gè)共同點(diǎn)，就是如上一節(jié)所說prach資源和數(shù)據(jù)資源是通過fdm/tdm方式劃分的。圖表 33 tdm/fdm模式隨機(jī)接入資源結(jié)構(gòu)（多個(gè)prach之間的分集）2注：上圖截取自參考文獻(xiàn)2，由于當(dāng)時(shí)對(duì)子幀的定義還是0.5ms，所以圖中也是0.5ms子幀。在最終的協(xié)議方案中，定義為1ms子幀方案，即prach也為1ms空隙。上圖的例子中，prach信道配置在每個(gè)10ms無(wú)線幀中第一個(gè)slot中（最終協(xié)議會(huì)在一

31、個(gè)subframe中）。系統(tǒng)中規(guī)劃了4個(gè)頻段用于prach傳輸，ue可以在4個(gè)頻帶中選擇一個(gè)進(jìn)行隨機(jī)接入。上圖的示例為ue在前一幀中使用了第1個(gè)頻段發(fā)送prach，在后一幀中則使用第3個(gè)頻段發(fā)送。而對(duì)于cdm的方式的與上一節(jié)的所描述的非常類似，它所帶來的好處是，資源的配置方法更為的豐富和靈活，同時(shí)可以通過對(duì)cdm所需要的序列的設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)更多的需求（如自相關(guān)性，互相關(guān)性，papr值的控制等）。最終協(xié)議中是采用的cdm的方式實(shí)現(xiàn)的多個(gè)用戶之間的prach復(fù)用。但是如果我們將數(shù)據(jù)資源和prach資源的復(fù)用與多個(gè)用戶的prach復(fù)用方式結(jié)合起來看這個(gè)復(fù)用問題的話，應(yīng)該認(rèn)為系統(tǒng)采用的是tdm/fdm和

32、cdm相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)隨機(jī)接入資源的復(fù)用。關(guān)于隨機(jī)接入資源復(fù)用的配置問題（相應(yīng)參數(shù)）：首先在ran49#bis會(huì)議中已經(jīng)確定prach預(yù)先定義的slot配置可以有16種（4個(gè)bits），并且每個(gè)prach的資源間隔可以大于10ms。基于以上前提，ti在文獻(xiàn)32中提到ra的處理過程不應(yīng)該像ra時(shí)隙周期（通常10ms）那樣的長(zhǎng)，要求能夠更快的將message2的消息送給ue，而這依賴于ra的承載情況，同時(shí)也影響ra接收機(jī)的復(fù)雜的。下面圖表 34右圖中所示相當(dāng)于時(shí)間復(fù)用，而左圖為頻率上復(fù)用，而右圖會(huì)有更小的時(shí)間等待延遲和ra接收機(jī)復(fù)雜度。圖表 34 隨機(jī)接入模式與ra復(fù)雜度、延遲的關(guān)系 32多小

33、區(qū)ra接收機(jī)復(fù)雜度所依賴的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)基本上可以如下：1 最小化在同一子幀中隨機(jī)接入時(shí)隙的數(shù)量。2 同一個(gè)nodeb的不同的三個(gè)小區(qū)的隨機(jī)接入時(shí)隙可以區(qū)分辨別。3 擁有周期模式（10ms、20ms等）。4 正常的隨機(jī)接入承載模式中，隨機(jī)接入的資源與系統(tǒng)基本帶寬資源一致：1.25mhz（6rbs）、5.0mhz（25rbs）10.0mhz（50rbs）15.0mhz（75rbs）20.0mhz（100rbs）。圖表 35 texas instruments隨機(jī)接入模式時(shí)隙配置 32上面圖表 35是ti對(duì)于隨機(jī)接入時(shí)隙配置的設(shè)計(jì)參考圖，他們?cè)谖墨I(xiàn)32中也給出了一個(gè)配置表，后來，motorola做了相應(yīng)

34、的修改，最后定為了圖下面表格 31中的結(jié)果，協(xié)議中也是用的相應(yīng)的結(jié)論。表格 31 motorola關(guān)于隨機(jī)接入時(shí)隙的提案33ra slot configurationra period (sub-frames)ra sub-frames0201120422073101410451076517528539101, 4, 710102, 5, 811103, 6, 912201321141015209同時(shí)由于prach在頻率資源的可選擇性，也就引出了另外一個(gè)跳頻（hopping）的問題，在參考文獻(xiàn)34中對(duì)prach的頻域位置、prach跳頻周期以及進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和比較，最后的結(jié)論是關(guān)于fdd

35、模式下頻域位置，不使用跳頻方式（或者說周期為10ms），這主要是考慮跳頻實(shí)際上并不能帶來太大的增益，主要由于prach的發(fā)送周期間隔已經(jīng)很長(zhǎng)了，同時(shí)跳頻還會(huì)帶來更多的信領(lǐng)的開銷。并且prach頻域位置應(yīng)該鄰近于pucch的附近，這樣可以盡可能的避免對(duì)pusch的分割，同時(shí)有prach的信號(hào)功率相對(duì)比較小，也可以減小對(duì)pucch的干擾，如下面圖表 36。圖表 36 prach頻域資源放置位置的設(shè)計(jì) 343.2.3 隨機(jī)接入資源的傳輸帶寬prach的前導(dǎo)序列主要用于nodeb對(duì)于ue接入的檢測(cè)以及ue與node由于距離產(chǎn)生的時(shí)間延遲的估計(jì)，對(duì)于后者則要求至少在1mhz的精確度上。因此我們這個(gè)問題將

36、集中在帶寬的大小對(duì)檢測(cè)性能的影響程度，主要考慮1.25mhz、2.5mhz、5.0mhz、10mhz、15.0mhz、20.0mhz。下圖給出了ti關(guān)于這個(gè)問題的仿真參數(shù)表50。表格 32 prach帶寬與性能關(guān)系仿真參數(shù)50bandwidth (mhz)block typefft sampling rate (mhz)nb sub-carrierspreamble sampling rate (mhz)rach preamble durationsw size (samples)samples (ns)mslte1.25long1.92751.12510240.9119short381.14

37、0.90192.5long3.841502.2520480.9138short752.250.91385long7.683004.540960.9175short1504.50.917510long15.36600981920.91150short30090.9115015long23.0490013.5122880.91225short45013.50.9122520long30.72120018163840.91300short600180.91300w-cdma5   3.8440961.0764圖表 37 1.25、5.0、20mhz系統(tǒng)能量包絡(luò)與相應(yīng)檢測(cè)

38、門限 50在參考文獻(xiàn)50中給出了前導(dǎo)序列在不同帶寬系統(tǒng)中的能量包絡(luò)的理論信噪比以及理論門限值。根據(jù)它的推導(dǎo)得出的結(jié)論是在preamble總能量不變的情況下，所占用的帶寬越小，在awgn信道中的性能就越好50（沒有分集效果的時(shí)候，帶寬越小噪聲就越?。Ｏ旅鎴D表 38的仿真結(jié)果也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論圖表 38 prach前導(dǎo)序列帶寬與檢測(cè)性能示意圖（awgn）50圖表 39 prach前導(dǎo)序列帶寬與檢測(cè)性能示意圖（tu03）50上面圖表 39給出了衰落信道tu03的仿真結(jié)果，在整個(gè)仿真的snr區(qū)域2.5mhz的性能相對(duì)是比較好的，更大帶寬的分集增益只有在更高的snr區(qū)域才體現(xiàn)出其效果。從wcdma系統(tǒng)的

39、0.999正確檢測(cè)概率標(biāo)準(zhǔn)看，1.25mhz與5.0mhz只差0.5個(gè)db。因此認(rèn)為1.25mhz的帶寬已經(jīng)足夠了，而可以將其它帶寬用于其它的前導(dǎo)序列50。在參考文獻(xiàn)51、52中也有一些詳細(xì)的描述。使用1.25mhz帶寬的preamble帶來的另一個(gè)好處就是可以使各個(gè)帶寬場(chǎng)景下lte系統(tǒng)有一個(gè)固定的prach帶寬，從而使得ue發(fā)射端與nodeb接收端處理對(duì)各種帶寬系統(tǒng)下的復(fù)雜度考慮大大降低。3.2.4 prach攜帶控制信息的方式關(guān)于該議題的討論提出的時(shí)候，具體由前導(dǎo)（preamble）所需要攜帶的具體信息還沒準(zhǔn)確的確定。對(duì)于這個(gè)議題的提出有三種方案：圖表 310 prach攜帶控制信息方案1

40、 5方案1為preamble部分只是標(biāo)識(shí)（signature）序列，所有的控制信息（control information）將通過獨(dú)立的控制消息部分（control message part）傳送。圖表 311 prach攜帶控制信息方案2 5方案2為preamble部分將攜帶標(biāo)識(shí)序列和一部分的控制信息，剩余控制信息將通過獨(dú)立的控制消息部分傳送。圖表 312 prach攜帶控制信息方案3 5方案3是preamble部分將攜帶標(biāo)識(shí)序列和所有的控制信息，而獨(dú)立的控制消息部分則不再需要了。在參考文獻(xiàn)6、7中給出了一些仿真結(jié)果，在500m和1732m小區(qū)間距的場(chǎng)景中，保證漏檢概率小于1，則preamb

41、le部分的長(zhǎng)度要大于在0.3ms和0.8ms。所以當(dāng)考慮到覆蓋率的問題時(shí)，控制消息部分中的bit數(shù)也將是嚴(yán)格受到限制的。另外如果在一個(gè)tti中通過一個(gè)prach攜帶更多的信息，一般造成低效的反應(yīng)時(shí)間和低效的射頻資源的使用。而通常情況下又應(yīng)該是多個(gè)prach的存在，從而降低每個(gè)prach所攜帶的信息。所以文獻(xiàn)5中建議使用第2種或者第3種方案，而最終被協(xié)議中所采納的方法則是第3中方案。3.2.5 prach包長(zhǎng)度的選取在參考文獻(xiàn)8中給出了preamble序列長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的模型已經(jīng)一些考慮。它是ericsson基于3.2.1章節(jié)中的時(shí)頻結(jié)構(gòu)復(fù)用方式2基礎(chǔ)上給出的。tds ？圖表 313 隨機(jī)接入0.5m

42、s子幀及對(duì)應(yīng)前導(dǎo)（preamble）設(shè)計(jì) 8ue發(fā)送的preamble在0.5ms的隨機(jī)接入子幀中。為了克服上行初時(shí)傳輸過程中時(shí)間不同步的問題，需要有足夠的保護(hù)時(shí)間tgp。其中不同步的時(shí)間偏差可以通過6.7us/km計(jì)算。這樣，對(duì)于ue與node b之間為15km的場(chǎng)景，tgp為100us已經(jīng)足夠了，同樣preamble將大約是400us。但是，后來隨著小區(qū)內(nèi)要求對(duì)于有效zc序列循環(huán)移位的個(gè)數(shù)的增加，所以在一些較大的小區(qū)中對(duì)應(yīng)的最大gp和preamble的長(zhǎng)度都要有所調(diào)整。其中ericsson仍然希望在0.5ms的prach的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的擴(kuò)展，它提出的方式是以0.5ms的prach進(jìn)行整數(shù)

43、倍的重復(fù)復(fù)制10，它認(rèn)為對(duì)于較小的小區(qū)，單一的0.5ms的prach已經(jīng)足夠了，而對(duì)于較大的小區(qū)，則需要3個(gè)重復(fù)即可得到，它的復(fù)雜度相對(duì)比較低，重復(fù)復(fù)制的結(jié)構(gòu)比較容易得到。而panasonic、docomo和ipwireless等公司認(rèn)為preamble的0.4ms長(zhǎng)度是不夠的11，而1ms的preamble可以考慮擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，即重新使用更長(zhǎng)的zc序列生成，而不是用原有的0.4ms的preamble重復(fù)生成。下圖是在參考文獻(xiàn)11中給出的一個(gè)nodeb-ue距離與preamble長(zhǎng)度的關(guān)系圖。圖表 314 nodeb-ue距離與隨機(jī)接入preamble長(zhǎng)度關(guān)系圖11注：黑線為天線30m高14dbi

44、的增益；藍(lán)線為天線30m高20dbi的增益；藍(lán)虛線為天線60m高20dbi的增益。上圖圖表 314中可以清晰的看到0.5ms的preamble在通常的30m高天線中為有效的覆蓋范圍在7km的位置，1.0ms的prach的有效覆蓋范圍為1415km。并且panasonic、docomo在文獻(xiàn)11中給出了針對(duì)0.5ms、1.0ms以及重復(fù)模式和擴(kuò)展模式下的鏈路性能仿真結(jié)果，如下圖。圖表 315 隨機(jī)接入preamble在多種模式下性能曲線11注：其中repetition為preamble重復(fù)復(fù)制結(jié)構(gòu)；extension為preamble序列擴(kuò)展結(jié)構(gòu)；r為zc序列的不同root索引。參考文獻(xiàn)11的最

45、后給出了一個(gè)比較列表表格 33 隨機(jī)接入preamble不同結(jié)構(gòu)參數(shù)比較11tti length0.5ms tti1.0ms tti2.0ms or larger ttipreamble duration432 us848 usmultiple of 848 usguard time68 us (up to 8.6km)152 us (up to 21.1km)multiple of 152 ussequence length n487953ç# of available zc sequences486952ç# of cyclic-shift sequences32 (&

46、lt;1km)16 (1 3km) 8 (3 7km) 8 (7 15km) 6 (15 20km)4 (30km)2 (60km)reuse factor (64 sequences used in a cell)240 (<1km)120 (1 3km)60 (3 7km)119 (7 15km)86 (15 20km)59 (30km)29 (60km)extension type for large cell-extensionrepetitionrepetition of 1.0ms tti.support cell sizeup to 8.6 kmup to 21.1 km&

47、gt; 15km support sls什么意思 scenariocase(a)(b) and (d)case (c)-assumed bs antenna height15m 30m30m 60m> 50massumed bs antenna gain14 dbi 20 dbi20 dbi20 dbi or more根據(jù)上面表格 33中給出的匯總結(jié)果，docomo建議對(duì)于1.0ms的prach結(jié)構(gòu)使用擴(kuò)展模式，而針對(duì)大于1.0ms的prach則可以考慮以1.0ms的prach為基本序列重復(fù)生成。如下圖圖表 316所示圖表 316 panasonic、docomo針對(duì)隨機(jī)接入preamb

48、le結(jié)構(gòu)的提案11最終在ran-#46bis會(huì)議中達(dá)成一致，使用1.0ms的基本的prach序列結(jié)構(gòu)12圖表 317 ran-#46bis隨機(jī)接入preamble結(jié)構(gòu)12parameters for 1msec tti only: cp: 0.1msec; preamble: 0.8 msec; gt: 0.1msec3.2.6 超大小區(qū)prach的考慮對(duì)于常規(guī)的幀結(jié)構(gòu)，隨機(jī)接入所占用的帶寬為1.08mhz（6rbs），在時(shí)間上約為1ms的長(zhǎng)度。其中preamble的長(zhǎng)度為800us，cp長(zhǎng)度為102.6us，gt長(zhǎng)度97.4us。從理論上考慮它所能夠支持的小區(qū)約為14.6km，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)

49、到lte所提出的100km的期望。為此，很多的公司都提出了相應(yīng)的一些方案，其中motorola在參考文獻(xiàn)13中兩種擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，一種是原有0.8ms的preamble進(jìn)行重復(fù)，cp和gt也會(huì)有一些增加；另外一種則是preamble序列長(zhǎng)度本身保持不變，而相應(yīng)的增加gt和cp的長(zhǎng)度。圖表 318 對(duì)于超大小區(qū)preamble結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13上圖圖表 318中給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的超大小區(qū)prach結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的示意圖，為了能夠支持超大小區(qū)，gt和cp必須要擴(kuò)展到足夠的大才可以保證小區(qū)內(nèi)的時(shí)延要求，根據(jù)6.7us/km的要求我們可以得到對(duì)于100km的小區(qū)，gt至少要保證有670us的長(zhǎng)度。同時(shí)由于小區(qū)半徑的變大，

50、會(huì)直接使得路徑損耗大大增加，如果仍舊使用800us的純preamble將會(huì)使我們懷疑nodeb端在進(jìn)行檢測(cè)過程中的累計(jì)能量是否足夠。如果累計(jì)能量不再足夠的話，將會(huì)直接導(dǎo)致漏警和虛警概率的增加。在參考文獻(xiàn)1314中給出了詳細(xì)的路徑損耗鏈路預(yù)算的結(jié)果，通過計(jì)算得到在100km距離場(chǎng)景下，路徑損耗約為168db，而接收的preamble若要達(dá)到正確檢測(cè)概率在99的要求，每個(gè)序列理論的累計(jì)能量信噪比要在18db以上。綜合考慮這些因素，我們會(huì)得到如果希望支持100km小區(qū)，按照0.8ms的有效preamble長(zhǎng)度，重復(fù)的次數(shù)至少應(yīng)該是2，同時(shí)還要有大于600us的時(shí)間留給cp和gt，這樣總體一共要有大于

51、2個(gè)1.0ms的preamble結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，也就是說在支持100km小區(qū)的場(chǎng)景下，隨機(jī)接入的prach長(zhǎng)度要有3.0ms。在lge的參考文獻(xiàn)14中，也有同樣的分析，最后也可以得到同樣的結(jié)論，即需要preamble的加長(zhǎng)。從這些分析中，我們不難得到最后的結(jié)論，在ran-49中得到了最終的一致，在超大小區(qū)的場(chǎng)景中會(huì)采用一個(gè)preamble重復(fù)（0.8 + 0.8 ms）的方式。對(duì)于這個(gè)章節(jié)的中的問題似乎與前一個(gè)章節(jié)3.2.5有些相似，其二者的主要差別在與3.2.5中主要討論對(duì)原有的preamble（0.4ms）是否能夠滿足preamble的檢測(cè)概率和常規(guī)小區(qū)半徑的要求，它提出多種方案是對(duì)原有的pre

52、amble重復(fù)或者重新擴(kuò)展，而最后采用是重新擴(kuò)展，同時(shí)取消原有的0.4ms的preamble的方案。而在本章節(jié)中討論的是在1.0ms的preamble模型的基礎(chǔ)上，如何能夠更好的支持超大小區(qū)。提出的方案有重復(fù)preamble或者加長(zhǎng)cp與gt（如圖表 318），而最后采用的是重復(fù)preamble的方案。3.2.7 cp長(zhǎng)度的確定在確定了prach的整個(gè)資源的大小已經(jīng)preamble的長(zhǎng)短之后，所要確定的就是cp的長(zhǎng)度。cp長(zhǎng)度確定的基本思想是基于以下兩種方案：1. 格式0和2：cp要支持最大的coverage，考慮到時(shí)延擴(kuò)展后為tcp = (1ms 800µs)/2 + d, wit

53、h d 5.2 µs2. 格式1和3：cp要支持最大半徑小區(qū)，同時(shí)要考慮最大時(shí)延擴(kuò)展d 16.67 µs則對(duì)于fs1有如下的結(jié)果ü 格式0：1ms的ra burst中有800us的前導(dǎo)序列preamble，主要支持中等以下的小區(qū)（14km半徑）。ü 格式1：2ms的ra burst中有800us的前導(dǎo)序列preamble，主要支持大半徑小區(qū)（77km半徑），沒有鏈路預(yù)算（信道的衰落等因素）的考慮。ü 格式2：2ms的ra burst中有1600us的前導(dǎo)序列preamble，主要支持中等小區(qū)（28km半徑）支持低數(shù)據(jù)率場(chǎng)景。ü 格式3：3ms的ra burst中有1600us的前導(dǎo)序列preamble，支持超大小區(qū)（100km半徑）。表格 34 關(guān)于