集群通信系统作为专用无线通信网络的一种,主要用于满足户外作业中统一指挥和生产调度等通信需求,并拥有着部署灵活、呼叫快速、故障弱化以及安全保密等特点,在航空通信、交通运输、公共安全等大量专用通信领域得到了广泛应用。随着无线高速业务的快速发展,集群移动通信系统对宽带多媒体业务的需求也日益增加,使得发展新一代的数字宽带集群通信系统成为必然。因此在公网通信系统中,已经商用并趋于成熟的LTE通信标准,凭借其高速、高效及低时延等显著优势,成为宽带无线集群系统演进技术的不二选择,更进一步地说,研究基于TD-LTE技术的集群通信系统对我国专网发展还有着特殊意义。在上述背景下,本文依托于TD-LTE宽带无线专网的国家重大科技专项,对TD-LTE集群系统中的随机接入技术进行了深入研究。首先,从TD-LTE上行物理层关键技术入手,重点介绍了其中的上行同步技术,并对标准协议中的物理随机接入信道设计进行了详细解析。然后,针对TD-LTE集群系统中随机接入物理层前导信号的检测接收算法,参考3GPP TS 36.104规范中的基本要求,对TDD模式所特有的前导格式4进行了AWGN信道与ETU 70信道下的检测性能仿真与分析,确定了一种切实可行的检测算法。其次,还根据前者的基本检测原理,考虑空地集群通信中的航空场景,基于前导格式3的接入设计,针对物理帧结构优化及检测算法的改进给出了一些建议,并通过相应的仿真比较证明了改进方案的有效性。随后,基于Virtex-6 FPGA芯片完成了随机接入前导检测算法各个FPGA模块的逻辑设计与功能仿真,并确保仿真结果满足设计要求。最终在MicroTCA硬件平台上搭建了TD-LTE集群系统模型,以及通过测试验证了算法实施的可行性。