以軟體定義無線電平台設計與實現LTE 上行鏈路Random Access訊號產生與偵測

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研究生：	童鈺婷 Yu-Ting Tung
論文名稱：	以軟體定義無線電平台設計與實現LTE 上行鏈路Random Access訊號產生與偵測 Design and Implementation of LTE Uplink Random Access Signal Generation and Detection with SDR Platform
指導教授：	陳逸民
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	資訊電機學院 - 通訊工程學系 Department of Communication Engineering
論文出版年：	2019
畢業學年度：	107
語文別：	中文
論文頁數：	130
中文關鍵詞：	隨機接入程序、軟體定義無線電、PRACH 、UpLink 、長期演進技術
外文關鍵詞：	Random Access Procedure, Software Defined Radio, PRACH, UpLink, LTE
相關次數：	點閱：17 下載：0
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當手機想要與基地台做存取資源的時候，必須先經過隨機接入程序(Random Access Procedure)。隨機接入程序可分為兩種型態，分別為競爭型隨機接入程序，與非競爭型隨機接入程序。競爭型隨機接入程序共有 4 個步驟，首先第一步，會由使用者(UE)自行選擇 Preamble (Msg1)以上行RACH 傳送給基地台，Preamble 與上行 RACH 的選擇範圍是由基地台配置，只能在基地台所規定配置的位置上傳。第二步由基地台以下行 DL-SCH 回覆使用者Random Access Response (Msg2)，Response 裡提供使用者上行資源。第三步(Msg3)由使用者以Msg2 提供的上行資源傳送給基地台，告知基地台接入的目的或需求。最後一步則由基地台以 DL-SCH 或 PHY 層的 DCI 發送競爭消除消息(Msg4)告知是否讓使用者進入網路。
而本篇論文以軟體定義無線電的方式，實現LTE上行Preamble訊號之傳送以及下行鏈路發射機與接收機之對傳同步(手機與基地台之對傳)。透過搭載實務軟體定義無線電平台，可以實際即時的在特定頻段、特定時間發射與接收空中的訊號，也可以改變發射及接收增益來觀察訊號在經過空氣後發生的變化，以及探討訊號的品質評斷系統優劣度等等。

When the cell phone want to access the resource with the base station, it must use Random Access Procedure. And there are two kinds of Random Access Procedure. One is competitive Random Access Procedure, and the other is non-competitive Random Access Procedure. Competitive Random Access Procedure has four steps, the first step UE(User Equipment) will choose randomly selects an RA preamble sequence from the set of sequences available in the cell(Msg1) transmits the Preamble on RACH. The Preamble and uplink RACH are configured by the BS(base station). The second step, BS will transmits the RA Response(Msg2) on the DL-SCH channel. The message carries the timing and uplink resource allocation for the UE. The third step, (Msg3) UE send “RRC Connection Request” using T-CRNTI it got from “RACH Response”. The last step, BS sends “RRC Connection Setup” message which carries C-RNTI.
In this thesis, we used Software-define-radio to achieve LTE uplink and downlink transmitter and receiver (communication of user and base station). By the Software-defined-radio platform, we can immediatly transmit preamble signal at specific subframe and receive signal in the air on some particular band. Also, we can change transmit and receive gain to observe the transformation of the signal in the air, or discuss on the quality of the signal and system, etc.

中文摘要    iv
Abstarct    v
誌謝    vi
目錄    vii
圖目錄    xi
表目錄    xvi
第一章 緒論    1
1-1  研究動機與背景    1
1-2  章節簡介    2
第二章 長期演進技術上行與下行鏈路系統簡介    3
2-1  正交分頻多工調變原理    3
2-2  保護區間(Guard Interval)    6
2-3  正交分頻多重存取系統    9
2-4  隨機接入程序介紹    9
2-4-1  Physical Random Access Channel(PRACH)    10
2-4-2  在隨機接入過程之前的UE與eNodeB之間的同步    12
2-4-3  無線網路臨時識別碼Radio Network Temporary Identity    13
2-4-4  隨機接入流程(Random Access Procedure)    16
2-4-5  前導碼(Preamble)結構    21
2-4-6  前導碼(Preamble)格式    23
2-4-7  前導碼(Preamble)傳送的時間與位置    26
2-4-8  前導碼(Preamble)序列生成    28
2-4-9  隨機接入基頻訊號生成    33
2-4-10  社區搜索過程(Cell Search Procedure)    36
2-4-11  系統訊息(SI, System Information Block)    39
2-4-12  下行控制訊息(DCI, Downlink Control Channel)    45
2-5  長期演進技術結構介紹    47
2-5-1  長期演進技術訊框架構類型    47
2-5-2  分頻與分時多工    48
2-5-3  長期演進技術下行通道種類    48
2-5-4  長期演進技術下行訊號種類    50
2-5-5  長期演進技術下行傳輸規格    57
2-5-6  長期演進技術分頻多工    58
2-5-7  長期演進技術規格    59
第三章 使用者端長期演進技術系統    60
3-1  快速傅立葉轉換    60
3-2  循環字首    63
3-3  升取    64
3-4  頻率位移    65
3-5  符元時序同步(Symbol Timing Synchronization)    66
3-5-1 符元時序偏移討論    66
3-5-2 符元時序同步原理    67
3-6  載波頻率同步(Carrier Frequency Synchronization)    68
3-6-1 載波頻率誤差之影響    68
3-7  子訊框同步(Subframe Synchronization)    72
3-7-1  主同步訊號    72
3-7-2  子訊框同步原理    75
第四章 基地台端長期演進技術系統    77
4-1  星座圖映射    78
4-2  符碼時序同步(Symbol Timing Synchrnization)    79
4-2-1  基地台與使用者發射端之關係    80
4-2-2  基地台接收機符碼時序擷取    81
4-3  Preamble 訊號偵測    81
第五章 使用者端硬體實現    84
5-1  使用者端LTE下行鏈路接收機系統架構    84
5-2  符碼時序同步器(Symbol Timing Synchronizer)    85
5-2-1  延遲相關器    85
5-2-2  峰值檢測器    86
5-2-3  符碼同步器    87
5-3  載波頻率同步器(Carrier Frequency Synchronizer)    88
5-3-1  移動平均(Moving Average)    90
5-4  快速傅立葉轉換器    90
5-4-1  FFT/IFFT 切換    92
5-4-2  蝶型運算器    93
5-4-3  FFT時序控制    95
5-4-4  位元反轉排序    96
5-5  子訊框同步器(Subframe Synchronizer)    98
5-5-1  主同步訊號偵測器    98
5-5-2  Zadoff-Chu序列相乘器    100
5-5-3  主同步訊號交互相乘器    100
5-5-4  主同步訊號峰值檢測器    101
5-6  使用者端LTE 上行鏈路發射機系統架構    101
5-7  時間觸發器(Timing Trigger)    102
5-8  循環字首置入器    105
5-9   Upsampling    106
5-10  Cordic 演算法    109
第六章 基地台端硬體實現    110
6-1  基地台端LTE 下行鏈路發射機系統架構    110
6-2  星座圖映射器    111
6-3  子載波擺放器    112
第七章 軟體定義無線電平台    113
7-1  軟體定義無線電    113
7-2  軟體定義無線電平台    113
7-3  MatLab to SIMIS Engine IC    115
7-4  FPGA(AC701)    115
7-5  RF module(AD9361)    117
7-6  實驗結果    119
第八章 結論    128
參考文獻    129
名詞解釋表    130


                                

[1] C.-C. Chen, “Design and implementation of lte uplink transceiver with sdr platform,” National Central University, Master’s thesis, 2016.
[2] I.-C. Hsu, “Implementation of lte downlink transceiver with a realistic sdr plat- form,” National Central University, Master’s thesis, 2016.
[3] 3GPP Technical specification 6.300, 10.1.5 Random Access Procedure ,page 46
[4] 3GPP Technical specification 36.211 version 11.5.0 Release 11, “Physical random access channel”
[5] A. Peled and A. Ruiz, “Frequency domain data transmission using reduced computational complexity algorithms,” in Acoustics, Speech, and Signal Pro- cessing, IEEE International Conference on ICASSP’80., vol. 5, pp. 964–967, IEEE, 1980.
[6] 3GPP Technical Specification 36.213 version 13.2.0 Release 13, “Evolved univer-sal terrestrial radio access (e-utra); Physical layer procedures,”
[7] Q. Wang, C. Mehlfuhrer, and M. Rupp, “Carrier frequency synchronization in the downlink of 3gpp lte,” in 21st Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, pp. 939–944, IEEE, 2010.
[8] X. Yang, Y. Xiong, W. Jia, W. Fang, and X. Zheng, “Pss based time syn- chronization for 3gpp lte downlink receivers,” in Communications Technol- ogy(ICCT), 2011 IEEE 13th International Conference on, pp. 930–933, IEEE, 2011.
[9] Y. Yang, W. Che, N. Yan, X. Tan, and H. Min, “Efficient implementation of primary synchronization signal detection in 3gpp lte downlink,” Electronics letters, vol. 46, no. 5, pp. 376–377, 2010.
[10] J. E. Volder, “The cordic trigonometric computing technique,” IRE Transac- tions on Electronic Computers, no. 3, pp. 330–334, 1959.
[11] http://niviuk.free.fr/lte_resource_grid.html

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