507 浏览5G移动通信系统物理随机接入信道的实现
摘要：随着第五代蜂窝通信的逐步推出和优化,增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延等场景的要求将逐步达到。基站在完成与终端的下行同步后,终端要向基站发起随机接入才能接入网络,物理随机接入信道则是随机接入的第一步。针对5G的多场景多业务情况,设计出满足多格式速度快的物理随机接入信道很有必要。本文在项目的支撑下,分析了物理随机接入信道相关的协议规范,通过协议的规定分析设计了物理随接入信道的基带发射端设计和接收端设计,并在FPGA上完成了实现。首先从5G NR的标准化协议入手,研究了NR中关于物理随机接入信道的前导序列的各种规定,其中包括其在时间和频率范围的位置。同时介绍了新版本的两步随机接入对于老版本的四步随机接入的优势,简述了用户与基站之间的整个接入流程。然后根据3GPP对NR协议规范中的要求,解析协议中前导各个格式的生成方法与使用范围,按照协议标准生成前导序列。并且完成了物理随机接入信道的发射端和接收端仿真设计,发射端提出了ZC频域序列生成算法,并通过复杂度分析和资源消耗分析证明了算法的优势。在降采样率滤波部分和升采样率滤波部分结合现有的滤波技术,通过分级多相滤波和半带滤波器结合的方式减小该处的资源损耗,同时提高性能。也对比了固定门限检测算法和综合门限检测算法的性能,最终选择性能更好的综合门限算法。接着基于VCU 118的FPGA评估板完成了物理随机接入信道的发射端和接收端的逻辑设计、仿真和测试的工作。根据具体的硬件特性,在发送端设置频域ZC序列生成参数查找表来改善系统性能,并且在发射端和接收端部分将部分电路并行,提高了系统的工作效率。本文还针对该设计平台对多相滤波的FPGA应用做了一定的优化。并且根据发射端和接收端两个基带模块设计了相应的软核测试系统,并将测试的结果与MATLAB的仿真结果进行了对比,确保硬件设计满足要求。
关键词：随机接入
文章目录
摘要
abstract
缩略词表
第一章 绪论
1.1 研究的背景与意义
1.1.1 第四代蜂窝通信
1.1.2 第五代蜂窝通信场景
1.2 随机接入的发展现状与趋势
1.3 本文的主要工作及结构安排
第二章 第五代蜂窝移动通信
2.1 5G NR标准化演进
2.2 5G新空口物理层概述
2.2.1 5G频谱范围与双工模式
2.2.2 时频资源概念
2.3 随机接入过程
2.4 本章小结
第三章 链路仿真设计
3.1 PRACH信号生成过程
3.1.1 ZC序列生成
3.1.2 前导序列生成
3.2 发射端链路设计
3.2.1 高层参数配置
3.2.2 ZC频域序列生成
3.2.3 子载波映射和IFFT
3.2.4 升采样率滤波与组帧
3.3 接收端链路设计
3.3.1 定时同步与去CP
3.3.2 降采样率与滤波
3.3.3 FFT和子载波解映射
3.3.4 前导序列相关算法
3.3.5 分集合并
3.3.6 峰值检测算法
3.4 检测性能仿真和分析
3.4.1 发送端信号仿真结果分析
3.4.2 接收端信号仿真结果分析
3.5 本章小结
第四章 5G系统PRACH的 FPGA实现设计
4.1 发射端实现
4.1.1 高层参数配置模块
4.1.2 ZC频域序列生成模块
4.1.3 子载波映射和IFFT模块
4.1.4 升采样率滤波模块
4.1.5 组帧输出模块
4.2 接收端实现
4.2.1 定时同步与去CP模块
4.2.2 降采样率滤波模块
4.2.3 频域相关模块
4.2.4 分集合并与检测模块
4.3 FPGA测试及结果分析
4.3.1 测试方法
4.3.2 结果分析
4.3.3 资源占用分析
4.4 本章小结
第五章 全文总结与展望
5.1 全文总结
5.2 后续工作展望
致谢
参考文献
[1]面向大规模物联网的随机接入：现状、挑战与机遇[J]. 范平志,李里,陈欢,程高峰,杨林杰,汤小波. 通信学报. 2021(04)
[2]5G随机接入增强技术[J]. 沈霞,刘慧. 移动通信. 2020(04)
[3]5G通信中的物联网变革与发展[J]. 孟令云. 信息通信. 2019(08)
[4]常见分集合并系统的性能分析[J]. 彭国祥,庄铭杰,林比宏. 电讯技术. 2005(06)
[5]随机接入协议:研究综述[J]. 肖瑶,周宗仪. 通信技术. 2003(01)
