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近三十年来,现代移动通信技术飞速发展,LTE技术的商用标志着移动通信步入4G时代。LTE通信系统通过随机接入过程建立上行定时同步,因此随机接入是上行数据传输的前提。本论文采用软件定义无线电技术,基于GNU Radio/USRP软硬件平台,在已有LTE通信系统基础上,设计并实现了LTE随机接入过程。首先,细致阐述了LTE系统和随机接入过程,主要包括LTE关键技术、随机接入的作用、随机接入总体过程和随机接入使用的前导序列时频格式等。其次,详细讨论了非竞争随机接入过程设计。第一,结合LTE标准,分别为LTE基站和终端设计了随机接入状态机,通过状态转移控制系统各模块灵活切换工作模式,实现随机接入总体流程;第二,在终端侧生成时域前导序列,使用补零操作将标准规定的839点IDFT变换为1024点IFFT,进而通过重采样使随机接入子帧的采样率与普通子帧保持一致,简化了系统设计;第三,在基站侧,首先选用速度更快的频域互相关算法产生前导序列的功率时延谱PDP,然后使用固定门限检测算法或峰均比检测算法找出PDP中的峰值位置,从而确定接入终端的初始时间提前量及身份标识。然后,在GNU Radio/USRP软硬件平台上实现了随机接入过程。第一,根据随机接入流程,实现了基站下发配置信息、终端发送前导序列、基站下发随机接入响应、终端发送SRS信号四个步骤,其中最后一步是可选的,其目的是降低随机接入耗时,加快系统响应速度;第二,基于GNU Radio平台的多线程调度机制,使用“空调度+无效子帧+非法标记”的实现方式,极大地避免了不必要的系统开销;第三,基于GNU Radio的数据传输特点,终端通过增减其输出的基带信号样点数目,来调节子帧发送时刻,从而实现系统上行定时调整;第四,基于GNU Radio信号驱动的流图机制,搭建基站侧和终端侧软硬件设备,实现了可支持随机接入的LTE无线通信实际系统。最后,在仿真信道和室内无线环境下对随机接入做了测试。第一,首先在仿真信道下,通过虚警率和漏检率的大量测试,为峰均比PDP检测算法选定了合适的检测门限,进而分别在AWGN和多径仿真信道下验证了其检测性能。测试结果表明,峰均比PDP检测算法在信道信噪比降低5dB的情况下,依然可以达到与固定门限检测算法相同的正确检测概率。第二,在室内无线环境下对LTE软硬件系统做了实测,通过人为引入信道时延,验证初始TA检测的准确性,结果表明15PRB带宽下最多存在两个样点的偏差,检测较为准确;此外,验证了本文实现的随机接入可支持的最大往返时延约为0.1ms,与LTE标准规定的理论值吻合。