CN101166352B - 一种上行链路随机接入方法及实现装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种上行链路随机接入方法及实现装置和方法，应用于第三代移动通讯长期演进系统，其思路是在RACH设计上采用时分复用和频分复用结合、RACH前导采用多个码字相结合；相对于单独的频分复用、时分复用和码分复用方式，本发明的技术方案可以获得更大的接入用户数目，减小多用户之间的干扰和多小区间的干扰，而且可以使用较少的相关器，并降低序列设计的复杂度。

Description

一种上行链路随机接入方法及实现装置和方法

技术领域

本发明涉及一种移动终端接入技术，特别涉及第三代移动通讯长期演进系统中，上行链路随机接入的方法及实现装置和方法。

背景技术

众所周知，在蜂窝移动通信中在移动终端申请入网时，先向基站发送入网请求信息，再获得上行链路的时间同步并且能够接入网络。在现有的LTE(第三代移动通讯长期演进系统)上行链路随机接入方法中，存在TDM(时分复用)、FDM(频分复用)、CDM(码分复用)和TDM/FDM几种接入方式。

现有的LTE上行链路随机接入方法存在以下不足：

(1)TDM、FDM接入的用户数目不能太多，且多小区间的干扰较大。

(2)CDM虽然可以抵抗多小区间的干扰，但接入的用户数量也不足。

发明内容

针对上述不足，本发明提出了一种新的随机接入方法及实现装置和方法，采用本发明的技术方案可以获得更大的接入用户数目，而且可以减小多用户之间的干扰和多小区间的干扰。

本发明所采用的技术方案是：

一种上行链路随机接入方法，应用于第三代移动通讯长期演进系统，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：通过在时域上分成数个时隙，将总的用户分成数个用户组，各用户组分时隙接入系统；

步骤二：在每个时隙上把整个系统频率带宽分成多个随机接入信道RACH带宽；

步骤三：在每个RACH带宽中，多个用户以正交或伪正交的RACH前导序列码接入系统。

进一步地，上述步骤二中，RACH带宽采用固定式载波分配方式。

进一步地，上述步骤三中，每个RACH带宽中的用户以满足自相关性要求的不同序列接入系统。

进一步地，上述RACH前导采用Zadoff-Chu CAZAC序列。

进一步地，上述RACH前导所用的符号采用与上行业务信道兼容的发射方式。

进一步地，上述RACH前导的长度可以根据小区半径的接入需要进行扩展。

进一步地，上述相邻小区的RACH占用不同的频率资源。

实现上述方法的移动终端发射机，其特征在于，所述的移动终端发射机包括：

RACH信号发生器(1)，用于产生RACH信号；

傅立叶变换单元(2)，与RACH信号发生器(1)相连，用于将其产生的RACH信号进行傅立叶变换，得到频域信号；

子载波映射单元(3)，与傅立叶变换单元(2)相连，用于进行子载波映射，将所述频域信号调制到子载波上；

逆傅立叶变换单元(4)，与子载波映射单元(3)相连，用于对所述子载波进行逆傅立叶变换，形成多路并行的时域信号；

并/串转换单元(5)，与逆傅立叶变换单元(4)相连，用于将所述多路并行的时域信号转换为一路串行时域信号；

D/A转换单元(6)，与并/串转换单元(5)相连，用于将所述串行时域信号由时域离散信号转换为时域连续信号；

射频发射单元(7)，与D/A转换单元(6)相连，用于对所述连续信号进行上变频；及

发射天线(8)，与射频发射单元(7)相连，用于将上变频后的信号发射。

利用上述移动终端发射机发射RACH的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：产生一个RACH信号；

步骤二：对所述信号进行傅立叶变换，得到频域信号；

步骤三：进行子载波映射，将所述频域信号调制到相应的子载波上；

步骤四：对所述子载波进行逆傅立叶变换，形成多路并行的时域信号；

步骤五：将所述多路并行的时域信号转换成一路串行的时域信号；

步骤六：将所述串行信号进行D/A转换，得到时域连续信号；

步骤七：对所述时域连续信号进行上变频后发射。

进一步地，上述步骤三中，子载波映射采用固定式载波分配方式。

进一步地，上述步骤四中，逆傅立叶变换采用快速傅立叶变换算法。

实现上述方法的基站接收机，其特征在于，所述的基站接收机包括接收天线(9)，用于接收移动终端发射的射频信号；

射频接收单元(10)，与接收天线(9)相连，用于对接收到的信号进行下变频，得到基带信号；

A/D转换单元(11)，与射频接收单元(10)相连，用于将下变频后的信号转换成离散信号；

串/并转换单元(12)，与A/D转换单元(11)相连，用于将所述离散信号由串行信号转换为多路并行信号；

傅立叶变换单元(13)，与串/并转换单元(12)相连，用于对所述的多路并行信号进行傅立叶变换，得到频域信号，完成多载波的解调；

子载波解映射单元(14)，与傅立叶变换单元(13)相连，用于将解调得到的信号恢复为传送的信号；

相关检测单元(15)，与子载波映射单元(14)相连，用于将所恢复的信号与本地的码元进行相关运算；及

门限检测判决单元(16)，与相关检测单元(15)相连，用于对相关运算的结果进行门限检测判决。

利用上述基站接收机接收RACH的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：接收移动终端发射的射频信号；

步骤二：将所述射频信号进行下变频，得到基带信号；

步骤三：将所述基带信号进行A/D转换，得到离散信号；

步骤四：将所述离散信号由串行信号变成多路并行信号；

步骤五：对所述并行信号进行傅立叶变换，得到频域信号，完成多载波的解调；

步骤六：将所述频域信号通过子载波解映射恢复为传送的信号；

步骤七：将所述恢复的信号与本地的码元进行相关运算；

步骤八：对所述的相关运算的结果进行检测判决，当检测的功率大于一个预先定义的门限值时，RACH前导被检测到，从而完成用户的接入。

进一步地，上述步骤五中，傅立叶变换采用快速傅立叶算法。

本发明的优点如下：

(1)使用较少的相关器：当RACH采用时分复用和频分复用结合、RACH前导采用码分复用的接入方式后，可以降低接收端的复杂度，能通过较少数量的相关器解决用户的接入问题，因为只需要在每个不同频率的RACH带宽内做相关运算，这样比单独采用时分复用、频分复用或码分复用方式所需要的相关器少。

(2)可以降低序列设计的复杂度：用户分组后，分组中的用户数相对较少，可以较易选得自相关性较好，互相关性较低的序列。

(3)可以减少多用户间的干扰和多小区间的干扰：采用用户分组后，在每个分组中的每个接入资源中的用户数目比单独采用码分复用方式时的少，因此多用户间的干扰较少；在多小区的情况下，每个小区中采用不同的码字，可以减少多小区间的干扰。

(4)可以增加接入的用户数目：采用用户分组后，每组用户可以分时隙接入，并且在每个频率块中，以不同的码来区分不同的用户，因此采用本发明的方法可以比单独的时分复用、频分复用或码分复用方式容纳更多的用户。

附图说明

图1是本发明的上行链路随机接入方法的原理图。

图2是本发明的RACH帧结构图。

图3是本发明的RACH的子帧结构图。

图4是本发明的移动终端发射机框图。

图5是本发明的基站接收机框图。

具体实施方式

通常RACH信号的传送有两个部分，一个部分是传送RACH前导，用来快速获得接入和估计时间同步；另一部分是RACH信息的传送，包括RACH数据包信息和相关的控制信息。本发明是基于用户分组的设计方法，其思路是RACH采用时分复用和频分复用结合、RACH前导采用码分复用，下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的上行链路随机接入方法的原理图，其步骤为：

步骤一：通过在时域上分成数个时隙，将总的用户分成数个用户组，各用户组分时隙接入系统；

步骤二：在每个时隙上把整个系统频率带宽分成多个RACH带宽；

步骤三：在每个RACH带宽中，多个用户以正交或伪正交的RACH前导序列码接入系统。

本发明的RACH在不同系统带宽下的接入情况如表1所示：

表1

本发明有多种设计选择方案，参数选取的不同，会得到不同的选择。在上表中总结了一个设计的例子，它提供了许多RACH接入的可能性。在这个例子中，对于5M带宽，所有的300个子载波分成4个资源块，一个RACH信号序列占用75个子载波，带宽为1.125MHz，这样序列的长度为75。在时域有8个时隙，在每个资源块中有16个相关性较好的码字，这样对于5M带宽有4*8*16＝512个接入的可能，根据不同的带宽可以变化。当系统带宽大于10M时，RACH总的带宽为10M。

LTE RACH结构有以下的特点：

(1)RACH符号的周期不同于上行义务调度信道的周期。

(2)RACH符号没有加CP可以获得理想的采样时间；为了保持前导序列的性质，RACH符号不应该加CP，如果加入CP，RACH序列的性质就遭到破坏。

(3)解决时间估计的问题，使用频域检测器，多个符号重复用以积聚足够的能量来检测RACH信号。如果采用时域的检测器，那么计算的复杂度就很大。

(4)由于受到小区半径的影响，固定每个符号的长度不变，可以采用多次重复的方式来检测。

图2是本发明的RACH帧结构图。

一个RACH帧为10ms，它由20个RACH子帧组成，每个子帧为0.5ms，每个子帧由7个RACH符号组成。

图3是本发明的RACH的子帧结构图。

RACH符号可以存在于一个RACH子帧。如图所示，一个子帧中有7个RACH符号，可以全部用来作前导，也可以部分用来做前导。在图3中为了保持前导序列的性质，RACH符号不应该加CP，如果加入CP，RACH序列的性质就遭到破坏。

此外，对于不同的小区半径，RACH带宽需要的符号数目不同。如果小区的半径小于5Km，RACH前导的周期在一个子帧周期内。然而，如果小区的半径超过5Km，就需要更多的子帧来承载RACH前导。

多小区重用随机接入的方案如下：考虑多个小区上，在每个小区中，在时域上分成多个时隙，参见图1，在频域上分成多个RACH带宽，把RACH带宽分给每个小区；为了减少多小区间的干扰，把CAZAC码分成许多子集，把每个子集分给每个小区。CAZAC子集可以在临近的小区重复利用，在这些小区中RACH占用不同的频率资源。在同一个小区中，如果有多个频率块接入资源，在这些不同的频率块资源中都采用相同的码字集合。

实施例1，移动终端发射机，用于实现LTE上行链路随机接入方法，参见图4。移动终端发射机用于发射RACH，由RACH信号发生器1、傅立叶变换单元2、子载波映射单元3、逆傅立叶变换单元4、并/串转换单元5、D/A转换单元6、射频发射单元7和发射天线8组成；

移动终端发射机的工作步骤如下：首先由RACH信号发生器1产生信号 $x\left(n\right)=\exp \left[\frac{j2\mathrm{\πl}}{M}(n+n\frac{n+1}{2})\right],$ 此为输入信号，是长度为M的序列；经过M点的傅立叶变换单元2后，得到一个长度为M的频域信号，然后由子载波映射单元3把子载波映射成N点的序列，为了减小干扰采用固定式载波分配的方式；序列经过N点的逆傅立叶变换单元4，完成正交调制，得到N个并行的时域信号，这里一般可以采用快速傅立叶变换(IFFT)算法，但不论是哪种算法均不影响本发明的一般性；为了进行传输，信号经过并/串转换单元5，成为一路串行数据，这时数据为离散信号，为了在空间传输，经过D/A转换单元6转换为时域连续信号，通过射频发射单元7进行上变频，经发射天线8辐射至电磁波传输介质中。

本发明移动终端发射机部分的原理，参见图4：某用户RACH信号发生器1产生的长度为M的CAZAC信号

$x\left(n\right)=\exp \left[\frac{j2\mathrm{\πl}}{M}(n+n\frac{n+1}{2})\right],l=\mathrm{1,2},...,K,n=\mathrm{0,1,2},...,M-1---\left(1\right)$

经过M点的傅立叶变换单元2后，得到频域信号为

$X_m\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{M}\mathrm{nk}},k=\mathrm{0,1,2},...,M-1---\left(2\right)$

被分配的子载波序号为 $\{C_0^{\left(k\right)},C_1^{\left(k\right)},......,C_{M-1}^{\left(k\right)}\}=C^{\left(k\right)},$ 通过子载波映射成为长度为N的序列S_m ^(k)，其中 $\left\{S_m^{\left(k\right)}\right\}={[S_0^{\left(k\right)},S_1^{\left(k\right)},......,S_{N-1}^{\left(k\right)}]}^T,$ (·)^T为转置运算，其中

经过N点的逆傅立叶变换单元4后，得到时域信号s(n)：

$s\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_m^{\left(k\right)}{e}^{j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}---\left(4\right)$

这里采用IFFT算法；然后信号通过并/串转换单元5成为串行数据，通过D/A转换单元6转换为时域连续信号，最后经过射频发射单元7进行上变频，从发射天线8发射。

实施例2，基站接收机，用于实现LTE上行链路随机接入方法，参见图5。基站接收机用于接收RACH，由接收天线9、射频接收单元10、A/D转换单元11、串/并转换单元12、傅立叶变换单元13、子载波解映射单元14、由K个相关器组成的相关检测单元15和门限检测判决单元16组成；

基站接收机中接收天线9接收到发射的信号，首先由射频接收单元10进行下变频，再通过A/D转换单元11进行采样，得到基带信号，通过串/并转换单元12得到N路并行数据后，经过傅立叶变换单元变换13得到N路频域信号，通过频域进行检测。首先要按照子载波分配表，由子载波解映射单元14进行子载波解映射，恢复发送信号的基带频域信号，然后通过相关检测单元15进行检测；相关检测单元15的实质是由K个相关器组成的相关检测器，发送的基带频域信号与本地的K个码元分别作相关运算，检测每个相关运算后的信号的功率，然后通过门限检测判决单元16进行门限检测，一旦检测的功率大于一个预先定义的门限值，RACH前导就被检测到。

本发明基站接收机部分的实质是对接收信号进行多载波解调并且进行相关检测的用户接入过程。

相关检测单元15的原理描述：在前导序列的设计上要采用具有良好自相关性而互相关性较低的序列，来提高检测性能。在随机接入的过程中牵扯到多个用户的竞争资源，会存在一个碰撞的问题，它将直接影响到用户的接入成功率和系统的资源分配。基站采用相关算法实现接入碰撞的检测。基站所采用的相关参考码组与本小区当前可用的前导码组相同。基站将同一时刻所接收到的多个用户的前导码迭加信号与参考信号进行相关运算，通过相关峰值的检测，实现接入碰撞判定。其基本思想是根据接收到的相关序列的功率来判断所有可能的序列，来接入用户；相关运算可以在时域或频域完成，但在时域进行会增加计算的复杂度。本发明采用频域检测的方法。

检测的基本思想是根据接收到的序列和所有可能的序列的做相关运算后来检测接收到的功率。一旦检测的功率大于一个预先定义的门限值，RACH前导就被检测到。很容易看到门限的选择决定了检测性能。在性能评估上采用错误检测概率和虚警概率，其定义为：

错误检测概率＝Pr(信号没有被检测到|RACH信号已传输)

Claims (10)

1.一种上行链路随机接入方法，应用于第三代移动通讯长期演进系统，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：通过在时域上分成数个时隙，将总的用户分成数个用户组，各用户组分时隙接入系统；

步骤二：在每个时隙上把整个系统频率带宽分成多个随机接入信道RACH带宽；

步骤三：在每个RACH带宽中，多个用户以满足自相关性要求的不同的正交或伪正交的RACH前导序列码接入系统；其中，所述RACH前导序列码为恒定振幅零自相关CAZAC序列码；

其中，所述RACH前导的长度能够根据小区半径的接入需要进行扩展；

对于多个小区，在每个小区中，在时域上分成多个时隙，在频域上分成多个RACH带宽；RACH带宽被分给了每个小区；把CAZAC码分成多个子集，把每个子集分给每个小区，CAZAC子集能够在临近的小区重复利用，在这些临近的小区中RACH占用不同的频率资源；在同一个小区中，如果有多个频率块接入资源，在这些不同的频率块资源中都采用相同的码字集合。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤二中，RACH带宽采用固定式载波分配方式。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的RACH前导所用的符号采用与上行业务信道兼容的发射方式。

4.一种用于实现权利要求1所述的方法的移动终端发射机，其特征在于，所述的移动终端发射机包括：

RACH信号发生器(1)，用于产生RACH前导序列码；

傅立叶变换单元(2)，与RACH信号发生器(1)相连，用于将其产生的RACH前导序列码进行傅立叶变换，得到频域信号；

子载波映射单元(3)，与傅立叶变换单元(2)相连，用于进行子载波映射，将所述频域信号调制到子载波上；

逆傅立叶变换单元(4)，与子载波映射单元(3)相连，用于对所述子载波进行逆傅立叶变换，形成多路并行的时域信号；

并/串转换单元(5)，与逆傅立叶变换单元(4)相连，用于将所述多路并行的时域信号转换为一路串行时域信号；

D/A转换单元(6)，与并/串转换单元(5)相连，用于将所述串行时域信号由时域离散信号转换为时域连续信号；

射频发射单元(7)，与D/A转换单元(6)相连，用于对所述连续信号进行上变频；及

发射天线(8)，与射频发射单元(7)相连，用于将上变频后的信号发射。

5.一种利用权利要求4所述的移动终端发射机发射RACH的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：产生一个RACH前导序列码；

步骤二：对所述RACH前导序列码进行傅立叶变换，得到频域信号；

步骤三：进行子载波映射，将所述频域信号调制到相应的子载波上；

步骤四：对所述子载波进行逆傅立叶变换，形成多路并行的时域信号；

步骤五：将所述多路并行的时域信号转换成一路串行的时域信号；

步骤六：将所述串行信号进行D/A转换，得到时域连续信号；

步骤七：对所述时域连续信号进行上变频后发射。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤三中，子载波映射采用固定式载波分配方式。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤四中，逆傅立叶变换采用快速傅立叶变换算法。

8.一种用于实现权利要求1所述的方法的基站接收机，其特征在于，所述的基站接收机包括：

接收天线(9)，用于接收移动终端发射的射频信号；

射频接收单元(10)，与接收天线(9)相连，用于对接收到的信号进行下变频，得到基带信号；

A/D转换单元(11)，与射频接收单元(10)相连，用于将下变频后的信号转换成离散信号；

串/并转换单元(12)，与A/D转换单元(11)相连，用于将所述离散信号由串行信号转换为多路并行信号；

傅立叶变换单元(13)，与串/并转换单元(12)相连，用于对所述的多路并行信号进行傅立叶变换，得到频域信号，完成多载波的解调；

子载波解映射单元(14)，与傅立叶变换单元(13)相连，用于将解调得到的信号恢复为传送的信号；

相关检测单元(15)，与子载波解映射单元(14)相连，用于将所恢复的信号与本地的码元进行相关运算；及

门限检测判决单元(16)，与相关检测单元(15)相连，用于对相关运算的结果进行门限检测判决。

9.一种利用权利要求8所述的基站接收机接收RACH的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：接收移动终端发射的射频信号；

步骤二：将所述射频信号进行下变频，得到基带信号；

步骤三：将所述基带信号进行A/D转换，得到离散信号；

步骤四：将所述离散信号由串行信号变成多路并行信号；

步骤五：对所述并行信号进行傅立叶变换，得到频域信号，完成多载波的解调；

步骤六：将所述频域信号通过子载波解映射恢复为传送的信号；

步骤七：将所述恢复的信号与本地的码元进行相关运算；

步骤八：对所述的相关运算的结果进行检测判决，当检测的功率大于一个预先定义的门限值时，RACH前导被检测到，从而完成用户的接入。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤五中，傅立叶变换采用快速傅立叶算法。

Images