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5G终端模拟系统随机接入过程的设计与实现

计算机应用与软件 2022年第9期39卷 183-186,218页

作者：徐方圆张治中李晨重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

为了使模拟用户和实际用户行为一致,提出一种5G终端模拟系统中随机接入的实现方法,属于通信技术领域。主要从系统开销资源和时间复杂度两方面对5G终端模拟系统中随机接入模块进行设计。使用线程池的思想,可有效减少系统开辟线程资源消... 详细信息

为了使模拟用户和实际用户行为一致,提出一种5G终端模拟系统中随机接入的实现方法,属于通信技术领域。主要从系统开销资源和时间复杂度两方面对5G终端模拟系统中随机接入模块进行设计。使用线程池的思想,可有效减少系统开辟线程资源消耗的时间,并能节省系统20%~50%的资源开销。在用户线程资源调度上,采用两个链表数据结构,处理数据的时间复杂度由传统的O(N)降低到O(1),大大增加了数据传输的速度,且按照R15版本协议标准成功完成5G终端模拟系统的随机接入过程。

关键词： 5G 随机接入线程池资源调度时间复杂度

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海杂波信道随机接入研究与验证

海杂波信道随机接入研究与验证

作者：陈燕铭电子科技大学

学位级别：硕士

新时期海洋战略的提出推动了诸如海上风力发电、海上油气田开发、智能航海等海事活动的开展,为了向海事设备和作业人员等海上用户提供便捷可靠的数据传输服务,国内外发展了各种海上无线通信系统。作为海上无线通信系统空口关键技术,随... 详细信息

新时期海洋战略的提出推动了诸如海上风力发电、海上油气田开发、智能航海等海事活动的开展,为了向海事设备和作业人员等海上用户提供便捷可靠的数据传输服务,国内外发展了各种海上无线通信系统。作为海上无线通信系统空口关键技术,随机接入确保了上行多用户之间的正交性,是上行通信链路建立的前提。但是,本文拟研究的海上无线通信系统具有信道带宽大、覆盖距离远、运动速度快等特点,现有随机接入方案无法满足上述设计需求。针对该问题,本文的具体研究内容包括:首先,针对大带宽、远距离、大频偏下的随机接入具体场景,分析了海杂波信道给随机接入检测带来的影响,并计算系统的指标需求。采用Longley-Rice模型预测6级海况下电磁波传播损耗;建立考虑漫反射分量的多径模型,引入有效漫反射区域计算漫反射多径;针对最大50km传输距离、80节相对运动速度的需求,计算系统的捕获灵敏度、多径时延、往返时延和多普勒频移等关键指标。其次,考虑海杂波信道大频偏特征和低复杂度工程实现需求,设计了优化的随机接入方案。针对随机接入前导序列通用设计方案对抗大频偏的不足,提出了一种具备抗频偏能力的前导序列设计,采用共轭对称的ZC序列进行时域叠加,消除了频偏对前导检测的影响。Matlab仿真结果表明,当SNR为-17.4d B且归一化频偏大于0.32时,本文所提前导序列检测性能优于通用前导序列。基于提出的前导序列设计,以低复杂度工程实现为目的,对随机接入发射机生成算法和接收机检测算法进行了一定优化。最后,完成海杂波信道随机接入方案硬件平台实现以及性能测试。给出了关键模块的接口和处理流程,分析了布局布线后的硬件资源消耗情况,在实验室环境搭建验证平台验证了论文设计的随机接入方案性能。测试结果表明,SNR高于-14.7d B时,误检概率小于10,且能应对50km覆盖范围的到达时间不确定性和2.5k Hz最大多普勒频移。本文设计的海杂波信道下随机接入设计方案和验证方案可进行工程应用,对远距离、大频偏的随机接入方案设计与实现具有一定参考价值。

关键词：海上通信海杂波信道随机接入前导序列

面向5G体制的低轨卫星随机接入技术的研究与实现

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面向5G体制的低轨卫星随机接入技术的研究与实现

作者：上坛星西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着地面第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)的飞速发展,空天地一体化通信网络的发展愿景日益迫切。将兼具大带宽、高速等特征的5G技术和卫星融合,构建新一代卫星移动通信系统已然是大势所趋。低轨... 详细信息

随着地面第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)的飞速发展,空天地一体化通信网络的发展愿景日益迫切。将兼具大带宽、高速等特征的5G技术和卫星融合,构建新一代卫星移动通信系统已然是大势所趋。低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星系统以其大系统容量、广覆盖等优势成为5G卫星通信系统蓝图中的重要拼图。随机接入过程作为建立可靠上行链路数据传输的第一步,是用户随机访问星地5G综合通信网络的重要前提。考虑到LEO卫星移动通信系统固有的传输时延长、多普勒频移高以及载荷受限等特性,现有的5G随机接入技术直接应用于LEO卫星并不现实。以此为研究背景,本文对随机接入前导序列设计、随机接入前导定时检测算法以及随机接入前导检测方案的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现三个方面展开了深入的研究。具体工作如下:首先,考虑LEO卫星星地链路特征,提出了一种对多普勒频移部分鲁棒的双根级联长序列(Double-root Cascaded Long Sequence,DCLS)。DCLS 长序列由因子图组合的两个不同短Zadoff-Chu(ZC)根序列交替级联构成,满足卫星波束内宽覆盖范围和时间不确定性要求的同时,保留了短序列较大的子载波间隔。此外,采用因子图组合的方式显著减少了根序列资源的消耗,同时降低了接入冲突概率。仿真结果表明,相比于预补偿前导序列,DCLS序列具有更高的一次接入成功概率,并且可以根据其特殊结构设计检测算法进一步提升卫星信道下的定时检测性能。其次,基于已提出的LEO卫星前导序列DCLS,进一步提出了一种基于DCLS的差分互相关检测算法,所提算法对任意子载波间隔倍数的多普勒频移均具有鲁棒性,支持低信噪比下的定时检测。此外,所提算法支持灵活的检测参数配置,可以根据场景调整参数平衡检测性能和计算复杂度之间的关系。仿真结果表明,所提算法与一些现有检测算法相比能实现更优的定时检测性能,适用于LEO卫星移动通信系统。最后,基于级联前导格式和传统频域相关检测,对整个LEO卫星随机接入前导检测方案进行设计与FPGA实现。提出了一种基于查找表的本地频域序列迭代实现结构,相比于直接进行离散傅里叶变换,FPGA存储资源消耗降低了 93.65%,并只需要简单的迭代即可迅速输出,提高了系统效率。本文还优化了峰值检测部分,提出一种简单的半动态门限设置方案,FPGA实现采用移位相加的方法近似逼近噪声功率归一化后的门限,减少了硬件资源消耗。通过仿真证明了所提检测方案的性能优势。最后在所搭建的软硬件联合测试平台上验证了本文FPGA实现方案的合理性与可行性。

关键词： 5G 低轨卫星前导序列随机接入 FPGA实现

基于LDPC码的大规模无源随机接入技术研究

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基于LDPC码的大规模无源随机接入技术研究

作者：刘沿廷东南大学

学位级别：硕士

随着用户与设备通信需求的迅速攀升,移动通信技术也在不断进步和发展。海量智能设备的出现、部署与应用,对移动通信系统提出了更高的要求。完成随机接入是设备在网络中发送消息的前提。然而,传统移动通信系统采用基于授权的随机接入方案... 详细信息

随着用户与设备通信需求的迅速攀升,移动通信技术也在不断进步和发展。海量智能设备的出现、部署与应用,对移动通信系统提出了更高的要求。完成随机接入是设备在网络中发送消息的前提。然而,传统移动通信系统采用基于授权的随机接入方案,这类方案因前导序列资源池有限、大量用户碰撞,不再适用于大规模机器类接入场景。因此,本文在大规模无源随机接入场景下,针对设备通信偶发性强、活跃度低,数据分组短,时延容忍度高等特点,设计了一套基于LDPC码的大规模无源随机接入方案。首先,本文介绍了大规模随机接入技术的产生环境和研究意义。接着根据随机接入技术的不同,把通信场景分为传统移动通信接入场景与大规模随机接入场景。随后,对国内外大规模随机接入技术的研究现状进行了调研。针对不同接入方案,列举了各个方案之间的优劣点,并给出了本文立足于无源随机接入进行方案设计的原因。然后,本文对LDPC码编译码技术进行了介绍。首先介绍了LDPC码的基本原理和Tanner图,随后引出了准循环LDPC码结构、编码算法以及速率匹配技术。最后,阐述了对数域置信传播译码算法、最小和译码算法和分层译码算法三类业界较为常用的LDPC译码算法,并通过仿真进行了译码算法的性能比较和分析。接着,本文研究了大规模无源随机接入的用户检测技术。先简要介绍了压缩感知的数学模型和重建算法,随后阐述了大规模无源随机接入用户检测基本模型。再后,本文基于On-off随机接入,给出了嵌入信息位随机接入信道压缩感知模型。最后,本文利用仿真,分析并验证了发送向量的压缩程度、活跃用户稀疏度、信道噪声和估计裕度对模型性能的影响。随后,本文研究了大规模无源随机接入的联合译码技术。先简要介绍了稀疏交织多址技术发送和接收方案,并给出了多用户联合置信传播译码模型。接着,引入功能节点,阐述了联合译码器的Tanner图结构,结合对数域置信传播算法,给出了高斯白噪声信道下联合译码器算法。再后,通过统计比特交织图,引出了比特碰撞分析方法。最后,通过仿真,研究与分析了不同用户数以及不同传输序列长度下的联合译码器性能。最后,本文针对用户检测技术和联合译码技术在大规模无源随机接入场景中的技术缺陷,研究了基于LDPC码多包接收的联合译码器。将活跃用户发送的信息分为前置信息和负载信息两部分。其中,前置信息的发送和接收方案采用嵌入信息位随机接入信道压缩感知模型,负载信息发送和接收方案采用多包LDPC码联合编译码器。最后,通过不同度分配函数以及不同码率的仿真,论文证明了在大规模无源随机接入场景中,活跃用户数低于100时,本文提出的方案可以在3dB比特信噪比附近完成低于0.05的每用户错误概率的信息传输。同时,本文相比于传统稀疏交织多址方案,能够以低于传统方案1～1.75dB的最小信噪比完成大规模无源随机接入。

关键词：随机接入联合置信传播 IDMA 压缩感知

mMTC场景下基于字典学习的随机接入系统研究

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mMTC场景下基于字典学习的随机接入系统研究

作者：白宇安北京交通大学

学位级别：硕士

随着第五代(the Fifth Generation,5G)移动通信的普及和物联网技术的蓬勃发展,人们对通信质量的需求日益提高。大量终端设备的部署和互联网流量的日新月异,使得信息数据呈现出爆炸式增长的趋势,这就要求无线通信具有大连接、广覆盖的能... 详细信息

随着第五代(the Fifth Generation,5G)移动通信的普及和物联网技术的蓬勃发展,人们对通信质量的需求日益提高。大量终端设备的部署和互联网流量的日新月异,使得信息数据呈现出爆炸式增长的趋势,这就要求无线通信具有大连接、广覆盖的能力以满足该场景下的设备接入问题。为了解决海量接入冲突问题,提高信道估计和导频检测的准确性,本文利用字典学习算法对信道进行稀疏表示,并通过这种稀疏表示设计算法进行联合信道估计和导频检测。研究的工作包括:(1)针对大规模机器类型通信(massive Machine-Type Communication,mMTC)场景中信道稀疏结构的特性,提出了基于字典学习的信道块稀疏表示的方法,论述了稀疏块长度、冗余因子、样本数对信道稀疏表示的影响。首先通过基于几何结构的随机信道模型(Geometry-based Stochastic Channel Model,GSCM)刻画无线随机接入场景,并考虑在大规模多输入多输出(massive MIMO)系统中具有的块稀疏结构,改进了字典学习中的K-奇异值分解(K-SVD)算法,对原始信道进行具有块结构的稀疏表示。仿真结果表明,信道的稀疏表示准确度与稀疏块长度和冗余因子大小呈正相关;样本数越多,信道稀疏表示准确度反而会降低。(2)针对海量接入中导频资源有限的问题,提出了同尺寸聚类分析算法,并基于该算法提出了一种导频复用方法。利用聚类将小区内用户分成若干扇区,并限制每个扇区内的用户数相同,保证扇区间用户信道差异较大,通过扇区间的用户共用一套导频实现导频复用,从而将整个小区的导频需求减少到一个扇区的导频需求。将传统聚类与同尺寸聚类与参考模型进行比较可以发现,同尺寸聚类方法能够更有效地将小区内的用户划分成等数量的集合,不同集合中的用户可以通过共用导频减少小区导频数量的需求,从而节省导频资源。(3)针对mMTC场景角度扩展引起的块稀疏信道特征,提出了基于字典学习的块稀疏压缩感知联合信道估计和导频检测算法。该算法利用字典学习训练得到的字典,考虑到无线信道场景中的角度扩散等特征,提出了基于块稀疏的压缩感知算法,由此进行联合信道估计和导频检测。随着活跃设备数的减少、导频长度以及信噪比的增加,信道估计和导频检测的性能普遍提高。研究表明,本文提出的算法在信道估计与导频检测的性能明显优于其他算法。本文对mMTC的随机接入场景进行了深入研究,利用角度扩展形成的块稀疏结构,使用具有特定稀疏结构的压缩感知方法,通过字典学习构建的高度稀疏域有效提升了信道估计和导频检测的性能,同时利用同尺寸聚类实现用户分区,达到导频复用的目的,从而节省导频资源。

关键词：随机接入大规模机器类型通信字典学习压缩感知

基于矢量处理器的5G-NR随机接入信道的实现

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基于矢量处理器的5G-NR随机接入信道的实现

作者：桑野东南大学

学位级别：硕士

近些年来第五代移动通信系统以其优越的特性已经被应用于各行各业的商用系统中。随机接入过程作为5G中必不可少的一环,是用户与网络建立起基本的连接所需要的过程,因此准确地解析物理随机接入信道,实现上行同步,是后续通信过程的基础。... 详细信息

近些年来第五代移动通信系统以其优越的特性已经被应用于各行各业的商用系统中。随机接入过程作为5G中必不可少的一环,是用户与网络建立起基本的连接所需要的过程,因此准确地解析物理随机接入信道,实现上行同步,是后续通信过程的基础。如何既能准确的对前导信号进行检测,又能满足低时延需求针对硬件计算平台特性设计加速算法是一个关键问题。因此本文主要对基于矢量处理器的5G NR物理随机接入信道实现进行了研究。主要工作如下:首先本文研究了5G系统的随机接入过程,并结合3GPP协议对随机接入物理层的相关规定,深入分析了PRACH发送和接收的关键技术。接着本文针对PRACH发送和接收流程进行了仿真。其中针对发送端前导序列的生成,本文结合研究使用了频域前导序列的生成算法,相比传统的时域生成并使用DFT运算,降低了时间复杂度;在接收端相关算法的选取上,本文通过算法推导与对比,在时域相关算法和频域相关算法中最终选择了频域相关运算;针对峰值检测,本文给出了一种改进的多门限判决的峰值检测算法。仿真结果表明针对AWGN和TDLC300-100信道以及长短前导序列格式,该算法要优于传统的峰值检测算法,性能有1-2d B的提升,且满足协议要求,具有工程实现价值。最后结合改进的峰值检测算法,本文对PRACH发送和接收整体流程在CEVA-XC 4500 DSP平台上进行了矢量处理器实现。根据平台的矢量并行设计思路,对算法中的复数乘法,复数加法,数据移位以及数据比较等运算进行并行实现,实现的算法包括频域相关,时域滤波以及峰值检测等算法。本文对比了浮点仿真和矢量处理器定点化实现时的前导检测成功率。结果表明,矢量处理器实现方案可以满足协议规定的参数要求,且基于矢量处理器的并行实现可以有效缩短代码的运行时间。

关键词：随机接入上行同步前导信号检测矢量处理器并行计算

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LTE随机接入过程脆弱性分析技术研究

LTE随机接入过程脆弱性分析技术研究

作者：王晨辉西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着新型基础设施建设的推进,以第五代移动通信(5G)技术为代表的无线移动通信网络将在社会生产生活的各个方面发挥更加重要的作用,必须对其安全问题给予足够的关注。目前针对无线移动通信安全的研究大多关注信息的保密性和不可否认性,... 详细信息

随着新型基础设施建设的推进,以第五代移动通信(5G)技术为代表的无线移动通信网络将在社会生产生活的各个方面发挥更加重要的作用,必须对其安全问题给予足够的关注。目前针对无线移动通信安全的研究大多关注信息的保密性和不可否认性,对于无线通信服务的可用性的研究相对较少,但随着工业与蜂窝通信的深度融合,可用性的影响将更加广泛。对无线通信物理层服务的脆弱性进行研究,有助于了解潜在攻击手段,能够为无线移动通信网络的安全标准设计提供参考。通过发送合法的信令请求消耗基站的无线电服务资源是物理层拒绝服务攻击的一种形式,将导致用户无法得到服务。论文主要针对物理层随机接入过程中用户服务的脆弱性进行了研究与验证,主要研究工作如下:(1)研究了随机接入标准中的安全威胁在调研目前主流无线通信网络基本架构和信令流程的基础上,着重对随机接入过程中的标准及协议进行了分析。基于接入过程的资源竞争特性和物理层中基站无法对用户设备(User Equipment,UE)进行认证的技术现实,指出了长期演进(Long Term Evolution,LTE)网络物理层随机接入过程存在2个服务可用性方面的脆弱性,且在5G网络接入过程中同样存在类似的安全威胁。(2)设计并实现了随机接入过程的脆弱性验证系统提出了一种通过伪造LTE随机接入信令进行拒绝服务攻击的方案,基于该方案设计并实现了 LTE随机接入过程的脆弱性验证系统,包括半实物仿真基站、合法用户和攻击者三个网元。该系统的攻击侧能够通过软件无线电技术实现捕获、解码目标基站的广播信号以获得基站参数、完成下行同步,严格根据相关标准和基站参数伪造针对目标基站的随机接入前导序列,将随机接入前导序列映射为指定位置上的时域信号并通过软件无线电设备发送以完成攻击过程。攻击侧整体基于多线程技术进行调度,采用多个软件无线电设备同时进行收发,增加攻击效率。(3)分析验证结果并提出解决方案在半实物仿真环境中进行了脆弱性验证系统的功能性和数据面测试。证实该系统功能上的有效性后,为了进一步评估随机接入脆弱性的危害,基于多次试验进行数据面测试,得出了单位时间内使基站拒绝服务需要发送的信令数量。为切实加强无线通信网络安全,提出了一些当前可行的保障无线通信物理层接入安全的防范建议和未来可能的解决方案。

关键词：随机接入信令伪造拒绝服务攻击无线移动通信安全

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面向M2M通信的随机接入控制策略研究

面向M2M通信的随机接入控制策略研究

作者：马馨雅西安电子科技大学

学位级别：硕士

机器对机器(Machine-to-Machine,M2M)通信是一种允许机器之间通过网络独立自主地进行信息交互而无需人工干预的系统。它被广泛地应用到工业物联网、智能计量、智能电网、远程监测等行业。尽管蜂窝网络能够为M2M通信提供合适的基础设施,... 详细信息

机器对机器(Machine-to-Machine,M2M)通信是一种允许机器之间通过网络独立自主地进行信息交互而无需人工干预的系统。它被广泛地应用到工业物联网、智能计量、智能电网、远程监测等行业。尽管蜂窝网络能够为M2M通信提供合适的基础设施,但是它们主要是针对人与人(Human-to-Human,H2H)通信而设计的。相较于H2H通信而言,M2M通信具有设备数量庞大、短期内突发请求、服务质量(Quality-ofService,Qo S)多样性等特点。在网络中存在大量机器类型通信(Machine Type Communication,MTC)设备的场景中,若众多设备近乎同时地发起接入请求,会造成严重的拥塞问题。因此,本文针对蜂窝网络中存在大量MTC设备这一情况,研究更高效的随机接入控制方案。同时,本文也针对设备具有不同通信业务Qo S要求的场景,研究不同优先级设备的随机接入方案。本文的研究内容如下:(1)为了缓解可用接入资源数量不足的情况,提出了一种基于前导码扩展的随机接入方案,提出的方案中通过引入因子系数对可用前导码进行扩展,以增加可用争用资源的数量;同时为了提高方案的接入性能,采用动态接入类别限制(Dynamic Access Class Barring,DAB)限制允许接入设备数量,并确定了最佳接入设备数量。并基于数学分析和计算机穷举确定了最优的因子系数个数,以最大化成功接入设备数量。在该方案中,设备传输扩展前导码,基站利用前导码的低互相关和高自相关特性来检测扩展前导码。仿真结果表明,提出的方案显著提升了系统的接入性能,与采用DAB方案的传统随机接入方法相比,总接入时间缩短至一半左右,接入成功率提高了50%左右。(2)为了满足不同业务类型MTC设备的接入需求,提出一种基于设备优先级的前导码分配方案。针对传统前导码分配方案中当高优先级设备数量达到阈值时,所有前导码都被分配给高优先级设备,对低优先级设备不公平的问题。本方案引入权重系数并对前导码进行扩展,并通过调整权重系数,灵活适应不同的实际场景。首先依据设备权重系数与每个时隙内待接入设备总数将前导码自适应地分成多个无重叠的前导码组,然后设备对分配到的前导码进行扩展以发起随机接入。同时为了增强方案性能,本方案也采用了DAB机制。仿真结果表明,相较于传统前导码分配方案,引入权重系数的方案通过调整权重系数可以在满足高优先级设备时延要求的同时,显著降低低优先级设备的平均接入时延,增加时延要求内接入网络的设备总数。而与引入权重系数的方案相比,引入权重系数并对前导码进行扩展的方案的总服务时间、不同优先级设备的平均接入时延均缩短50%,单位时隙内低优先级设备平均吞吐量提高了一倍。

关键词： M2M通信随机接入前导码优先级接入类别限制

基于强化学习的多小区MTC随机接入与资源分配方法研究

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基于强化学习的多小区MTC随机接入与资源分配方法研究

作者：李昕南京邮电大学

学位级别：硕士

蜂窝物联网络中大规模机器类通信(Machine Type Communication,MTC)设备呈指数级增长,为有限的无线电资源带来巨大挑战,在随机接入过程会发生拥塞、资源分配不合理等问题。为了解决大量MTC设备因接入能力不足导致拥塞和功率分配问题,提... 详细信息

蜂窝物联网络中大规模机器类通信(Machine Type Communication,MTC)设备呈指数级增长,为有限的无线电资源带来巨大挑战,在随机接入过程会发生拥塞、资源分配不合理等问题。为了解决大量MTC设备因接入能力不足导致拥塞和功率分配问题,提高资源利用率,本文结合强化学习算法,针对多小区网络场景提出了基于学习的接入策略和功率分配方案,主要研究如下:(1)针对大规模机器类通信设备的接入拥塞现象,本文提出了基于价值差异的双重深度Q网络算法。该算法着重解决了在多小区网络环境下MTC设备接入基站问题,并将该深度强化算法的状态转移过程建模为马尔可夫决策过程。该算法使用双重深度Q网络来拟合目标状态-动作值函数,使MTC设备选择最佳基站和相应前导码,并采用基于价值差异的探索策略,可以同时利用当前条件和预期的未来需求来应对环境变化。仿真结果表明,所提方法可有效提高系统的接入成功率,降低网络拥塞。(2)针对具有干扰的多小区蜂窝网络中最大化平均传输速率的功率分配问题,本文提出基于增量学习的深度确定性策略梯度算法,该算法是通过两步学习来实现连续功率分配。第一步,通过离线学习预训练出深度确定性策略梯度网络模型,该模型通过Actor网络输出唯一确定性连续动作,并根据所处干扰状态通过Critic价值网络不断优化动作决策,这一过程克服了传统强化学习方法对功率离散化产生的量化误差和维度过大问题。第二步,通过增量学习的方法对模型进行在线学习,对网络进行微调。所提方法利用历史信息和新增的信道干扰状态信息一起更新网络参数,减少新的训练对原模型的覆盖。仿真结果表明,本文算法在平均传输速率性能和泛化能力上优于基线算法和其他强化学习算法。

关键词： MTC 随机接入资源分配强化学习神经网络