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窄带物联网(NarrowBand Internet of Things,NB-IoT)作为新兴蜂窝技术,其关键问题之一是高效地用有限频谱资源支持大规模物联网终端。随机接入过程是NB-IoT用户上行同步的重要过程,论文依托重庆市科委重点研发项目“NB-IoT物联网终端SOC开发与应用”与“基于ZYNQ的NB-IoT测试设备研发”,对窄带物理随机接入信道(NarrowBand Physcial Random Access Channel,NPRACH)发送和接收中重难点问题给出解决方案,并进行了数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)实现。同时,论文基于上行非正交多址接入(Non-Othogonal Multiple Access,NOMA)和串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术,提出一种窄带非正交随机接入(NarrowBand Non-orthogonal Random Access,NB-NORA)方案。本文对比了LTE-A与NB-IoT的系统特性,并说明了NPRACH结构和前导取值的设计原理;设计了基于跳频图样对比方式的前导索引检测方案,并用于接收端前导索引检测;提出了基于时域和频域的两种定时提前量(Time Advance,TA)检测算法,并估计出接收端TA。结果表明,在三种覆盖等级下前导索引误检概率与漏检概率均低于标准规定的指标0.1%和1%,并且TA估计误差在[-2.5~2.5us]范围内的概率为100%,满足标准要求大于90%的要求。NB-NORA方案的主要步骤:1)终端传输Msg1,基站检测在相同资源上承载的不同终端的NPRACH信号,并获取各终端的TA值;2)基站组装NB-NORA响应组(NB-NORA Responses,NB-NORA-RARs),终端根据窄带小区定位参考信号(NarrowBand Positioning Reference Signal,NPRS)相关峰值获取TA近似值匹配NBNORA-RARs组中与之最接近的值以获取对应Msg3配置内容;3)终端按照响应中指定功率在窄带物理上行共享信道(NarrowBand Physical Uplink Shared Channel,NPUSCH)上发送Msg3,基站基于SIC分离解码;4)竞争解决。论文建模和仿真分析了功率回退步长、重复编码次数、信噪比等因素对该方案吞吐量的影响。结果表明,相同信道环境下,Msg1最大吞吐量较传统窄带正交随机接入方案提升约一倍,随机接入过程接入成功数提高了约75%。在突发性拥塞情况下,NB-NORA方案能在一定程度上缓解冲突。论文将NPRACH发送和接收流程在TMS320C6670芯片上进行了DSP实现,对基于降采样的频域相关TA估计算法和前导索引检测方案等各个子模块的实现流程进行了详细描述。DSP实现结果满足标准规定的TA误差取值范围和前导索引检测精度,并且论文还从运行时间和占用空间两方面对整个方案进行了可行性分析。得出内存与时间均可满足项目和标准需求的结论。