LTE-TDD随机接入过程(2)-前导码Preamble的格式与时频位置
1.什么是前导码Preamble
前导码Preamble是UE在物理随机接入信道中发送的实际内容，由长度为Tcp的循环前缀CP和长度为Tseq的序列Sequence组成。
2.前导码Preamble格式
LTE-TDD的前导码有5种格式，分别是Preamble Format 0/1/2/3/4，如下图所示。
从上面协议给出的这张表格中，可以推导出以下几个信息：
（1）每种前导码格式占用的子帧个数。因为TDD-LTE的每个子帧时长是30720Ts，从表中可以得出，前导码格式0的Preamble时间=3168Ts+24576Ts=27744Ts<30720Ts，只需要占用1个上行子帧，同样可以计算得到，前导码格式1、2需要占用2个上行子帧，前导码格式3则需要占用3个上行子帧才能发完。特殊地，前导码格式4只能在UpPTS中使用，即LTE-FDD没有格式4。示意图如下。
（2）每种前导码支持的最大小区半径。因为每个子帧的长度是30720Ts，去掉前导码占用的时间，那么前导码格式0还剩下的保护时间GT=（30720-3168-24576）
Ts=2976Ts=2976*[1/(15000*2048)]s=96.875us。之所以空出一部分的保护间隔，在于随机接入之前，UE还没有和eNB完成上行同步，UE在小区中的位置还不确定，因此需要预留一段时间，以避免和其他子帧发生干扰。考虑eNB和UE之间的往返传输，因此最大小区半径=(3.0*10^8) m/s * 96.875 us / 2 = 14.53 km。同理，可以计算得到其他前导码格式的最大小区覆盖半径。因此，不同的小区覆盖半径，可以选择不同的前导码格式。这也是为什么前导码要分不同格式的原因。
（3）每种PRACH的持续时间。比如Preamble格式0，它的前导码持续时间=（3168+24576）Ts=0.9031ms，这与协议36101-6.3.4.2.1的数据相符。同时，从这个持续时间也可以印证每种前导码格式所占的子帧个数。
（4）前导码格式4的使用。上面的表中可以看到，格式4的前导码时长=（448+4096）Ts=4544Ts。协议明确规定，格式4只能在4384Ts或5120Ts的UpPTS上传输。
36211-Table4.2-1给出了各种特殊子帧配置下的Ts长度。从表格中可以看到，当下行CP=上行CP=normal CP的时候，特殊子帧配置5、6、7、8配置的UpPTS时长满足条件；当下行CP=上行CP=extended CP的时候，特殊子帧配置4、5、6配置的UpPTS时长满足条件。
特殊子帧配置Special subframe configuration参数在SIB1的TDD-Config信元中，如下图。
UE在解码SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号，以后再写这块内容）的时候，可以确定下行normal CP值。SIB中的ul-CyclicPrefixLength参数用于配置上行CP类型。一般情况下，上行和下行的CP类型相同。
需要注意的是，当CP类型为normal时，UpPTS的长度=4384Ts<格式4的前导码时长4544Ts，所以协议规定了，前导码格式4时，Preamble数据从UpPTS结束前的4832Ts 处开始，因此这个时候需要占用部分GP（Guard Period）时间。如下图所示。可以推导出，格式4的小区最大覆盖半径是(4832-4544)Ts*(3.0*10^8)/2=1.406km。
经过上述几个步骤的推导和说明，可以整理得到下面这个表格。
上面已经说过，不同的GT保护时间决定了小区的最大覆盖半径，GT时间越长，小区的覆盖面积越大，这个结论从下图这张示意图中也可以看出来。三个不同位置的UE1/2/3同时向eNB发送前导码，那么eNB首先会收到近端UE1的请求，最后收到UE3的前导码。如
果有个UE4，距离比UE3还要远，此时eNB无法收到完整的前导码，UE4将无法接入到该小区。
3.UE和eNB确定当前使用哪种前导码
PRACH configuration Index参数决定了前导码的格式。从协议表格Table 5.7.1-3中可以看到，PRACH configuration Index值为0~19时，使用Preamble Format 0；PRACH configuration Index值为20~29时，使用Preamble Format 1；PRACH configuration Index 值为30~39时，使用Preamble Format 2；PRACH configuration Index值为40~47时，使用Preamble Format 3；PRACH configuration Index值为48~57时，使用Preamble Format 4。
因为PRACH configuration Index参数来自于RRC层的SIB2消息（36331协议），所以UE和eNB侧都会有同样的一套参数。PRACH configuration Index的具体参数路径是：SystemInformationBlockType2->radioResourceConfigCommon->RadioResourceConfigC ommonSIB->prach-Config->PRACH-ConfigSIB->prach-ConfigInfo->prach-ConfigIndex。
4.UE会在什么时候什么位置发Preamble
UE发送前导码的时刻和位置由PRACH configuration Index参数（范围0-63，具体路径见前文）和上下行子帧配置UL/DL configuration参数共同决定。UL/DL configuration参数同样来自于RRC层的SIB1消息（36331协议），具体参数路径是：SystemInformationBlockType1->tdd-Config->TDD-Config->subframeAssignment。
36211-Table5.7.1-4给出了前导码的位置与PRACH configuration Index和UL/DL configuration两个参数之间的关系，因该表占篇幅较大，只截图部分，不影响理解。
从Table5.7.1-4中可以看到，根据PRACH configuration Index和UL/DL configuration参数，可以获取一个或多个四元素数组，分别对应参数（f_RA, t0_RA, t1_RA, t2_RA）。
t0_RA表示PRACH出现的帧位置，=0表示出现在所有的无线帧中，=1表示出现在偶数无线帧，=2表示出现在奇数无线帧。
t1_RA表示PRACH出现的帧内位置，=0表示PRACH资源是位于第一个半帧，=1表示位于第二个半帧。
t2_RA表示前导码开始处的上行子帧号，在两个连续上下行切换点间的第一个上行子帧表示为0。即2号子帧和7号子帧值=0。上下行子帧配置等于0时，t0_RA/t1_RA/t2_RA三个参数的含义如下图所示。
f_RA是一个频率位置系数，用于计算PRACH占用的RB起始位置n_RA_PRB。PRACH 固定占6个RB，因此LTE支持的带宽不能少于6个RB（Each random access preamble occupies a bandwidth corresponding to 6 consecutive resource blocks for bothframe structures.）。有了n_RA_PRB这个参数，就可以知道PRACH在频域上的位置[n_RA_PRB，n_RA_PRB+5]，有了t0_RA/t1_RA/t2_RA这三个参数，UE就可以知道在哪个子帧发送PRACH，eNB也会去相应的子帧上盲检测PRACH信息。对于有多个四元素数组的情况，eNB需要对每个可能的位置进行盲检测。
计算PRACH起始RB位置n_RA_PRB的公式如下：
公式中的各参数说明：
（1）n_RA_PRBoffset由RRC的prach-FreqOffset（范围0~94）参数决定，与PRACH configuration Index参数属于同一个结构体，因此获取参数路径也是相同：SystemInformationBlockType2->radioResourceConfigCommon->RadioResourceConfigC ommonSIB->prach-Config->PRACH-ConfigSIB->prach-ConfigInfo->prach-FreqOffset。
（2）f_RA、t1_RA直接从Table5.7.1-4的四元素组中查表获得。
（3）N_UL_RB是带宽RB个数，与DL_bandwidth值相同，如果是20M带宽，则值=100。
（4）N_SP是下行向上行切换点的点数，与上下行子帧配置UL/DL configuration参数相关，因此只有前导码4才会用到。比如上下行子帧配置1，那么N_SP=2，因为在子帧1和子帧6完成了2次下行向上行的切换。只有在上下行子帧配置3、4、5的时候，N_SP=1。
（5）n_f表示当前的系统帧号。
至此，UE和eNB就可以明确的知道PRACH的发送/接收位置了。以带宽20M，
prach-FreqOffset=0，PRACH configuration Index=9，UL/DL configuration=2举例说明，此时(f_RA, t0_RA, t1_RA, t2_RA)有三种值，分别是（0，0，0，0），（0，0，1，0）和（1，0，0，0）。
对应的频域位置：
f_RA=0时，n_RA_PRB=0+6*0=0，
f_RA=1时，n_RA_PRB=100-6-0-6*0=94。
对应的时域位置：
（0，0，0，0）：PRACH占用从k=0开始到k=5的连续6个RB块，时域L是每个无线帧的2号子帧。
（0，0，1，0）：PRACH占用从k=0开始到k=5的连续6个RB块，时域L是每个无线帧的7号子帧。
（1，0，0，0）：PRACH占用从k=94开始到k=99的连续6个RB块，时域L是每个无线帧的2号子帧。即PRACH的位置如下图。
为避免PRACH与其他UE的上行业务RB冲突，eNB调度PUSCH时可以避开PRACH占用的可能RB位置。另外，为了减少盲检测处理时长，可以选择只有一种四元素数组的配置。
帧同步提取试验
帧同步提取系统实验 一．实验目的 1、了解帧同步的机理 2、熟悉帧同步的性能 3、熟悉帧失步对数据业务的影响 二．实验内容 1、帧同步过程观察； 2、误码环境下的帧同步性能测试； 3、帧失步下对接受帧内的数据信号传输的定性观测。 三．实验仪器 1、JH5001通信原理综合实验系统一台 2、20MHz双踪示波器一台四．原理与电路 在TDM复接系统中，要保证接收端分路系统和发送端一致，必须要有一个同步系统，以实现发送端和接收端同步。帧定位同步系统是复接/解复接设备中最重要的部分。在帧定位系统中要解决的设计问题有：1）同步搜索方法；2）帧定位码型设计；3）帧长度的确定；4）帧定位码的码长选择；5）帧定位保护方法；6）帧定位保护参数的选择；等等。这些设计完成后就确定了复接系统的下列技术性能：1）平均同步搜捕时间；2）平均发现帧时间；3）平均确认同步时间；4）平均发生失帧的时间间隔；5）平均同步持续时间；6）失帧引入的平均误码率，等等。 通常帧定位同步方法有两种：逐码移位同步搜索法和置位同步搜索法。通信原理综合实验系统中的解复接同步搜索方法采用逐码移位同步法。逐码移位同步搜索法的基本工作原理是调整收端本地帧定位码的相位，使之与收到的总码流中的帧定位码对准。同步后用收端各
分路定时脉冲就可以对接收到的码流进行正确的分路。如果本地帧同步码的相位没有对准码流接收信号码流的帧定位码位，则检测电路将输出一个一定宽度的扣脉冲，将接收时钟扣除一个，这等效将数据码流后移一位码元时间，使帧定位检测电路检测下一位信码。如果下一位检测结果仍不一致，则再扣除一位时钟，这过程称“同步搜索”。搜索直至检测到帧定位码为止。因接收码流除有帧定位码型外，随机的数字码流也可能存在与帧定位码完全相同的码型。因此，只有在同一位置，多次连续出现帧定位码型，方可算达到并进入同步。这一部分功能由帧定位检测电路内的校核电路完成。 无论多么可靠的同步电路，由于各种因素（例如强干扰、短促线路故障等），总会破坏同步工作状态，使帧失步。从帧失步到重新获得同步的这段时间（亦称同步时间）将使通信中断。误码也将会造成帧失步。因此，从同步到下一次失步的时间因尽量长一些，否则将不断的中断通信。这一时间的长短表示TDM同步系统的抗干扰能力。抗误码造成的帧失步主要由帧定位检测电路内的保护记数电路完成，只有当在一定的时间内在帧定位码位置多次检测不到帧定位码，才可判定为帧失步，需重新进入同步搜索状态。逐码移位同步搜索法系统组成框图见图1所示。 语音信号的中断时间短于100ms，将不易被人耳分辨出来。但对某些数据终端传输却是不允许的。为能让学生能深入了解在有误码的环境下帧失步、同步和抗误码性能，在复接模块内专门设计了一个错码产生器（3种类型误码），通过错码设置跳线开关SWB02（E_SEL0，E_SEL1）选择不同的信道误码率（分别约为4×10—3、1.6×10—2和1×10—1）。学生能够观测到复接/解复接具有抗误码性能，即在小误码时帧同步锁定状态，加大误码帧帧失步，进入帧同步搜索（扫描）状态；另可测试不同误码和帧失步对话音业务的影响和观测对数据业务的影响。 五．实验步骤 准备工作：首先将解复接模块内的输入信号和时钟选择跳线开关KB01、KB02设置LOOP（自环）位置，使复接模块和解复接模块连接成自环测试方式；将复接模块内的工作状态选择跳线开关SBW02的m序列选择跳线开关M_SEL1、M_SEL2拔下，使m序列发生器产生全0码，将错码选择跳线开关E_SEL0、E_SEL1拔下，不在传输帧中插入误码。
通信原理软件实验7帧同步
武汉大学教学实验报告 电子信息学院通信工程专业时间2015/12/22 实验名称位同步信号的提取指导教师吴静 姓名莫帮杰年级2013级学号2013301200227 一、实验目的 1.掌握巴克码识别原理 2.掌握同步保护原理 3.掌握假同步、漏同步、捕捉态、维持态概念 二、实验内容 1.根据原理设计帧同步系统，使系统可以正常工作。 2.通过波形来加深理解帧同步原理 三、基本原理 在时分复用系统中，为了正确的传输信息，必须在信息码流屮插入一定数量的帧同步码，可以集屮插入也可以分散插入。本实验主要对集中插入同步法进行分析。 在集中插入法中，要求插入的同步码在接收端进行同步识别时出现的伪同步的概率尽可能的小，并且要求该码组有尖锐的自相关函数，以便于识别，同时要求接收机端的同步码识别器要尽量简单。目前用的比较广泛的是性能良好的巴克码，七位巴克码是1110010。 帧同步系统基本结构如图所示，该系统可以分为两个部分：巴克码识别器和同步保护。巴克码识别器包括移位寄存器、相加器和判决器，其余部分完成保护功能。
当基带信号里的帧同步码输入时，识别器就会发出判别信号P。P的上升沿与最后一位帧同步码的结束时刻对齐。 24电路是将位同步信号进行24分频得到的，其周期与输入信号的周期一样，但相位不一定相同。当识别器输出一个P信号时(即捕获到一组正确的帧同步码），在P信号和同步保护器作用下，24电路清零，使输出的24电路输出信号下降沿与P信号上升沿对齐，该信号驱动一个单稳态电路，单稳态电路设置为下降沿触发，其输出信号上升沿比+24电路输出信号下降沿稍有滞后。 同步器最终输出帧同步信号FS-OUT是由同步保护器中的与门3对单稳输出的信号及状态触发器的Q端输出信号进行“与”运算得到的。 电路中同步保护器的作用是减小假同步和漏同步。 当帧同步码没有到达时，识别器输出为0,与门1关闭，与门2
数电报告-帧同步序列检测
数字电路课程设计报告（二） 设计题目：帧同步序列检测电路 （一）指标要求: （1）信息串行输入，能辨别连续的帧同步序列； （2）用LED指示检测结果，检测到一个有效标志时输出指示灯闪烁一次； （3）同步码长规定为8Bit，可考虑同步码的修改； （二）设计方法 帧同步码检测电路可以由帧同步码锁存电路和检测电路两大部分组成，其指示图如下： 设计大致方案 串行码流流入同步序列寄存器件实现串行输入，然后通过琐存器并行输出至同步检测电路，在同步序列检测电路中拿输入的码流与预置帧序列进行比较，如果输入的码流与预置帧序列相同则输出高电平驱动LED灯发光说明检测到符合要求的帧序列。琐存控制可以琐存串行输入码流，从而实现暂停和继续对输入码流的检测。
（三） 电路工作原理分析： （1） 器件列表： 74LS194 2片， 74LS85 1片 数电实验箱 1台 连线若干。 （2） 芯片介绍： 74LS194芯片如下图： 74LS194寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的控制下依次左移和右移。根据寄存器件存取信息的方式不同可分为：串入串出，串入并出，并入串出，并入并出的四种方式。其工作状态如下列表： 74LS194图
74LS085芯片如下图： 74LS085是一个数字比较器芯片，其功能是比较 A0-3与B0-3所对应的的二进制数字。4位数值比较 器是由高位开始比较，逐位进行。若最高位已经比 较出大小，则以后各位大小都对比较结果没有影响； 如果最高位相等，则比较次高位；同理，次高位已 经比较出大小，则以后各位大小对比较没有影响。 如果四为比较结果都相等，则比较级联输入信号由 低位比较器的输出而来。74LS85真值表如下：74LS85图 （3）设计思想： 本设计需要通过74LS194右移动功能实现右移的串行输入并行输出功能，并通过74LS085比较器的比较功能实现串行码流与预设置帧信号的比较，一旦输入串行码信号与预设置帧信号相同，则从高位的74LS194 A=B（7）端口输出高点平信号，驱动接入的LED亮。单片的74LS194和74LS085只能寄存和比较4Bit的数据，所以需要通过级联实现位数的扩展。
TD中下行同步码和扰码的区别和作用
TD中下行同步码和扰码的区别和作用 分类：TD-SCDMA 2011-02-20 22:46 448人阅读评论(0) 收藏举报 1、下行同步码是用来标识小区和区分相邻小区的，UE搜索到下行同步码了才能确定是哪个小区、进行同步等。 2、关于扰码，作用比较多，上行链路物理信道加扰的作用是区分用户，下行链路加扰可以区分小区和信道，扰码在这里的功能与上下行同步码的功能有点类似。实际上，扰码最主要的作用是是干扰随机化。下行中使用了良好的扰码后，其他小区来的信号可以近似看作是高斯噪声。 补充一点，TD中的扰码只有16位，实在太短了，起不到干扰随机化的作用。 TD-SCDMA系统所使用的码按类型可以分为：下行导频码、上行导频码、小区扰码、midamble码和OVSF扩频码。其中下行导频码一共有32个，用于区分不同的小区，上行导频码共有256个，由UE在随机接入过程中使用，每个小区的下行导频码对应8个上行导频码。每个下行导频码对应4个扰码，小区的下行导频码确定后可以从中选择一个作为本小区的扰码。而midamble码用作每个信道进行信道估计，基本midamble与扰码一一对应，OVSF扩频码由系统根据RRM算法进行分配，每个信道对应的midamble码由基本midamble码经过循环移位产生，可以用来标识用户。 由于采用联合检测技术，对于单小区来说，采用不同的扰码，解调性能基本是相同的。对于小区间不同的扰码组合，其干扰情况与信道环境有很大关系。 扰码是对信道中的数据部分进行加扰处理，标识数据的小区属性，下行同步码可以用来区分小区,但扰码的主要作用是避免小区间干扰。在TD系统中，下行导频时隙DwPTS内的下行导频码SYNC-DL是用于标识小区的，每个小区用一个SYNC_DL码，一共有32个SYNC_DL码。由于DwPTS是占用专门时隙的，所以，标识小区的意义只在下行同步时用