高速铁路环境下LTE随机接入算法研究

摘要

现今，LTE技术因其高频谱效率、高速率、低时延、高移动性等优点被大规模商用。与LTE技术一同发展的还有我国的高速铁路技术。LTE技术以其不可比拟的优势被应用于下一代铁路专用通信系统LTE-R中，以应对高速铁路环境下通信终端移动速度快，网络承载业务多样化等诸多问题。随机接入过程是用户接入网络的重要一步，其性能直接影响系统的整体性能。所以在条件复杂的高速铁路环境中要保障可靠的通信首先要保障随机接入过程的良好性能。本文就是在这一产业发展背景下展开研究的，所做的主要工作包括:
　　(1)本文介绍了LTE技术，高速铁路环境的通信特点以及LTE技术应用于高速铁路通信的优势;阐述了随机接入的目的、流程;重点研究了LTE随机接入前导码的生成和退避过程，论述了其根序列ZC序列的特性并进行了仿真;结合高速铁路通信特点对LTE随机接入的改进方向进行了分析。
　　(2)本文进行了高速铁路环境下随机接入前导检测算法的研究。高速铁路环境会带来很大的多普勒频率偏移，而LTE系统随机接入检测技术依靠的是其前导序列良好的相关性，频偏对序列的相关峰值及位置有着明显的影响。在对随机接入前导序列的相关峰值和相关峰位置受频偏的影响进行了理论推导和仿真分析的基础上，针对LTE标准中高速模式下的随机接入检测算法进行了研究，分析了此算法在超高速环境下的不足;为了弥补该算法的限制条件，本文提出一种改进的单窗口检测算法。本文改进算法考虑了频偏超过一个PRACH子载波问隔的情况，利用一个足够大的单窗口进行检测，降低了算法的复杂度，并通过一定的限制条件将相关峰伪峰偏移量限制在一个较小的范围。在不同信道及速度条件下对本文改进算法和LTE标准算法的性能进行比较，结果表明本文改进算法能满足更高速度下的检测需求，不同条件下漏检概率有0.5-2dB的改善。
　　(3)本文进行了区分优先级的随机接入算法研究。LTE-R系统承载着铁路安全及非安全业务的诸多子系统，本文在分析LTE-R系统对随机接入差异化需求的基础上，讨论了区分优先级的两种实现路线，提出了一种区分优先级的随机接入算法，该算法从随机接入前导码的分配和退避算法两个角度人手，为高优先级用户提供更多的随机接入码字资源和较短的退避时间，提升高优先级用户的接入机会，降低其接入时延。仿真比较了本文所提算法和LTE公网随机接入算法的性能，结果表明本文所提算法对高级和中级优先级用户的接入成功率和接入时延都有很好的提升。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 随机接入检测算法研究现状

1．2．2 区分优先级的随机接入算法研究现状

1．3 本文主要工作及结构安排

2 LTE随机接入技术

2．1 LTE概述

2．2 高速铁路通信

2．2．1 高速铁路通信特点

2．2．2 LTE与高速铁路通信结合优势

2．3 随机接入技术

2．3．1 随机接入概述

2．3．2 随机接入过程

2．3．3 随机接入前导码

2．3．4 随机接入退避过程

2．3．5 高速铁路环境对随机接入优化需求

2．4 本章小结

3 高速铁路环境下的随机接入前导检测算法

3．1 前导信号的产生与检测

3．1．1 前导基带信号的产生

3．1．2 前导序列的检测

3．2 高速环境下的前导检测算法

3．2．1 高速环境对随机接入前导检测的影响

3．2．2 限制循环移位理论

3．2．3 LTE高速模式前导检测算法

3．3 改进的超高速环境下的前导检测算法

3．3．1 LTE高速模式前导检测算法的不足

3．3．2 改进的超高速环境下的前导检测算法原理

3．4 仿真及结果分析

3．4．1 高速铁路信道模型

3．4．2 仿真平台架构

3．4．3 评价指标及性能要求

3．4．4 仿真参数

3．4．5 仿真结果分析

3．5 本章小结

4 高速铁路环境下区分优先级的随机接入算法

4．1 随机接入前导码规划

4．1．1 常见随机接入前导码规划方案

4．1．2 区分多优先级的前导码规划方案

4．2 退避算法

4．2．1 经典退避算法及其不足

4．2．2 优先级指数退避算法

4．3 一种区分优先级的随机接入算法

4．3．1 设计思路

4．3．2 算法流程

4．3．3 仿真评价指标

4．3．4 仿真参数

4．3．5 仿真结果分析

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果