吳 松

（北京新郵通通信設(shè)備有限公司 北京100035）

1 引言

在移動通信系統(tǒng)中，定時同步是UE和網(wǎng)絡(luò)進行正常數(shù)據(jù)通信的前提，對于LTE系統(tǒng)，UE可以利用隨機接入過程，通過發(fā)送PRACH Preamble來獲取上行定時同步。一般來說，當UE處于如下幾種狀態(tài)時，需要通過發(fā)送PRACH Preamble來獲取上行定時同步：

·UE處于RRC_IDLE狀態(tài)，需要進入RRC_CONNECTED狀態(tài)時；

·UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)，有上行或下行數(shù)據(jù)到達，而上行處于“失步”狀態(tài)時；

·UE需要進行切換時；

·UE無線鏈路失敗后進行RRC鏈接重建立過程時。

可以看到，PRACH信道在LTE系統(tǒng)中是一個極其重要的公共信道，使用非常頻繁，如何設(shè)計一個合理的PRACH信道，對于提高整個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能，顯得尤為重要。根據(jù)3GPP需求，LTE系統(tǒng)的最大覆蓋半徑不少于100 km，考慮到實際組網(wǎng)時大部分場景的小區(qū)覆蓋半徑一般遠小于100 km，為了降低PRACH信道的資源開銷，在3GPP R8規(guī)范中，針對LTE FDD和TD-LTE，設(shè)計了多種PRACH Preamble格式，以滿足不同的小區(qū)覆蓋半徑需求。其中 Preamble格式類型 0、1、2、3（Preamble Format 0、1、2、3）為LTE FDD和TD-LTE通用，而針對TD-LTE特殊的幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計了 Preamble格式類型 4（Preamble Format 4），用于小區(qū)半徑較小時的熱點覆蓋。

本文針對3GPP R8規(guī)范中提出的5種PRACH Preamble格式，結(jié)合Preamble的結(jié)構(gòu)設(shè)計和鏈路預(yù)算，分析不同Preamble格式的覆蓋性能。

2 PRACH信道設(shè)計及理論覆蓋半徑

LTE中PRACH Preamble仍然可以看成是一個OFDM符號，包括循環(huán)前綴（CP）和序列兩部分，CP的作用與正常的OFDM符號中CP的作用相同，可以抗多徑時延擴展，最大限度地消除載波間干擾（ICI）和符號間干擾（ISI）。同時，為了保證處于小區(qū)邊緣的UE發(fā)送的Preamble能在允許的時間點內(nèi)達到基站，需要考慮小區(qū)邊緣UE到基站的最大傳播時延的影響，因此在PRACH所在的子幀，必須預(yù)留一定長度的保護時間（guard time，GT）。PRACH Preamble的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2以幀結(jié)構(gòu)類型2為例，給出了5種Preamble格式的時域結(jié)構(gòu)。PRACH信道各個參數(shù)TCP、TSEQ和TGT的選取，與PRACH信道支持的小區(qū)覆蓋半徑相關(guān)，影響各個參數(shù)具體取值的因素主要包括：環(huán)回時延（round trip delay，RTD）、能容忍的時延擴展以及Preamble序列的檢測性能。

LTE系統(tǒng)中 PRACH Preamble采用 Zadoff-CHU（ZC）序列。通過綜合考慮Preamble序列的誤檢率要求、可用的Preamble數(shù)目及最小化Preamble與其他信道間干擾等幾個因素，3GPP R8規(guī)范中針對Preamble Format 0和1，選取的Preamble序列長度TSEQ為800 μs，而為了進一步提升小區(qū)邊緣UE發(fā)送的Preamble的檢測性能，針對Preamble Format 2和3，通過將800 μs序列重復(fù)的方式，使這兩種格式的Preamble序列長度為1 600 μs。

循環(huán)前綴長度TCP的選取，主要考慮系統(tǒng)容忍的時延擴展和RTD這兩個因素，而GT長度，一般等于RTD。對于Preamble Format 0和2，CP長度所能容忍的時延擴展基本與PUSCH符號的CP能容忍的時延擴展相同，取5.2 μs，而對于Preamble Format 1和3，其CP長度能容忍的時延擴展取16.67 μs，即使覆蓋半徑達到100 km，也能滿足時延擴展的需求。對于RTD，與小區(qū)覆蓋半徑R相關(guān)，具體可根據(jù)公式 RTD（μs）=2×R（m）/300（m/μs）計算。

表1給出了目前3GPP R8規(guī)范中定義的5種Preamble格式的CP長度、序列長度和保護時間長度的定義，根據(jù)每種Preamble格式的GT長度，采用公式R=GT（μs）×0.3（km）/2計算出不同 GT長度下支持的小區(qū)覆蓋半徑（其中每個樣點的周期TS=1/37.2=0.02688 μs）。

表1 Preamble參數(shù)取值

從表1可以看出，覆蓋半徑最大的Preamble Format 3，理論覆蓋半徑超過了100 km。而Preamble Format 4由于整個序列長度較短，支持的理論覆蓋半徑約為1.41 km。由于Preamble Format 4充分利用了TD-LTE幀結(jié)構(gòu)特點，映射在UpPTS時隙，只占用較少的資源，所以在熱點覆蓋時更有優(yōu)勢。

3 PRACH信道帶寬及頻域映射

根據(jù)3GPP R8規(guī)范定義，每個PRACH信道分配的帶寬為6個物理資源塊（PRB），即1.08 MHz。為了盡可能保證PRACH信道與相鄰PUSCH信道子載波的正交性，降低PUSCH對 PRACH的干擾，對于 Preamble Format 0、1、2、3，采用的子載波間隔ΔfRA=1.25 kHz，1.08 MHz的帶寬對應(yīng)的子載波數(shù)為 864，而 Preamble Format 0、1、2、3 實際采用的Zadoff-Chu序列長度為839，還剩余864－839=25個子載波可用于PRACH信道兩端的保護頻帶，因此對于Preamble Format 0、1、2、3，實際占用的頻帶寬度為 839×1.25 kHz=1.04875 MHz。對于 Preamble Format 4，采用的子載波間隔ΔfRA=7.5 kHz，1.08 MHz的帶寬對應(yīng)的子載波數(shù)為144，而Preamble Format 4實際采用的Zadoff-Chu序列長度為139，還剩余144－139=5個子載波可用于PRACH信道兩端的保護頻帶，因此對于Preamble Format 4，實際占用的頻帶寬度為 139×7.5 kHz=1.0425 MHz。圖 3為Preamble Format 0、1、2、3 在 頻 域的映射示 意 ，圖 4 為Preamble Format 4在頻域的映射示意，SCRA表示隨機接入的子信道。

4 PRACH鏈路預(yù)算分析

從§2可以看到，不同的Preamble格式，支持的理論覆蓋半徑不同。在進行真實網(wǎng)絡(luò)部署時，各種Preamble格式的實際覆蓋性能，還與具體的覆蓋場景、系統(tǒng)配置和終端能力等級等關(guān)系很大，下面針對普通城區(qū)覆蓋場景，UE單天線發(fā)基站兩天線接收配置下，通過鏈路預(yù)算，分析每一種Preamble格式支持的覆蓋距離。

（1）鏈路參數(shù)說明

①發(fā)送端

·單天線最大發(fā)射功率：上行方向，根據(jù)3GPP TS36.101定義，終端發(fā)送功率取23 dBm。

· 發(fā)射天線數(shù)：上行方向，終端采用單天線發(fā)送。

· 發(fā)射天線饋線、接頭和合路器損耗：上行方向，通常情況下天線損耗很小，一般認為和終端的天線增益抵消，所以取值為0 dB。

· 發(fā)射天線增益：上行方向，一般認為天線增益抵消接頭等損耗，取值為0 dBi。

· 人體損耗：上行方向，對于語音業(yè)務(wù)移動臺，一般取2～3 dB；對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)移動臺，可以不考慮人體損耗影響，即取值為0 dB。

· 等效全向輻射功率（EIRP）：EIRP＝用戶多天線最大發(fā)射功率＋發(fā)射天線增益－發(fā)射天線饋線、接頭和合路器損耗－人體損耗。

②接收端

· 接收天線增益：上行方向，定向天線的增益為15 dBi。

· 接收天線饋線和接頭損耗：上行方向，發(fā)射天線饋線、接頭和合路器損耗，一般小于1 dB，這里取0.6 dB。

· 接收天線分集增益：上行方向，在LTE鏈路仿真中，已經(jīng)將接收分集增益考慮在解調(diào)信噪比要求中。

· 人體損耗：上行方向，基站端為0 dB。

· 熱噪聲密度：－174 dBm/Hz。

· 噪聲系數(shù)：上行方向，基站一般取5dB。

· 目標SNR：通過鏈路仿真獲得不同信道的BLER和SNR的關(guān)系。

· 接收機靈敏度：接收機靈敏度＝熱噪聲密度＋10 lg（帶寬）＋噪聲系數(shù)＋目標SNR。

· 干擾儲備：取值一般需要通過干擾儲備仿真獲得。

· 快衰落儲備：在移動傳播環(huán)境中，接收信號功率經(jīng)過閉環(huán)快速功控將能夠有效補償快衰落造成的信號衰落，特別是對于慢速移動的用戶。在實際環(huán)境中，當移動臺位于小區(qū)邊界并受快衰落影響時，由于受最大發(fā)射功率的限制，移動臺或基站無法通過功率控制來克服快衰落，此時就會使解調(diào)性能惡化。因此，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時可以根據(jù)需要在鏈路預(yù)算中增加快衰落儲備。一般可以對慢速移動用戶取2～5 dB，快速移動用戶取0 dB。對于 LTE中PRACH，快衰落儲備取0 dB。

· 最小接收電平：最小接收電平＝接收機靈敏度－接收端總增益＋干擾儲備＋快衰落儲備。

表2 普通城區(qū)各種Preamble格式鏈路預(yù)算

·室外傳播模型：采用3GPP TS36.942建議的Macro-urban 模型 L=40·（1-4·10-3·Dhb）·lg(R)-18·lg（Dhb）+21·lg（f）+80 dB，其 中 R（km）為 基 站 與UE 間距離，f（MHz）為載波頻率 ，Dhb（m）為基站天線高度，按高于平均房頂高度測量，模型中f取2 000 MHz，Dhb取 15 m，整理為斜截表達式：L=128.1+37.6lg（R）。

· 邊緣通信概率：影響到陰影儲備的取值，一般根據(jù)不同需要取75%～95%，網(wǎng)絡(luò)部署初期可取75%。

· 陰影儲備：為了保證小區(qū)邊緣一定的覆蓋概率，在鏈路預(yù)算中，必須預(yù)留出一部分余量即陰影儲備，以克服陰影衰落對信號的影響。

· 穿透損耗：當使用室外宏蜂窩進行室內(nèi)覆蓋時，需要在鏈路預(yù)算中考慮建筑物穿透損耗。該參數(shù)屬于傳播相關(guān)參數(shù)，其具體取值隨建筑物的結(jié)構(gòu)材料、建筑布局、用戶在建筑物內(nèi)的位置、與基站的接近程度和方向而變化，范圍一般在5～40 dB，普通城區(qū)可取18 dB。

（2）鏈路預(yù)算結(jié)果

普通城區(qū)覆蓋場景下初步的鏈路預(yù)算結(jié)果如表2所示，從各種Preamble格式鏈路預(yù)算結(jié)果可以看出，受終端發(fā)送功率、信道傳播模型等影響，各種Preamble格式的實際覆蓋半徑，與理論覆蓋半徑差別較大。對于覆蓋距離最小的Preamble Format 4，室外覆蓋半徑約1.15 km，室內(nèi)覆蓋半徑約0.9 km，基本可以滿足熱點城區(qū)大部分場景的覆蓋性能要求。

5 結(jié)束語

本文以普通城區(qū)覆蓋場景為例，給出了各種Preamble格式的鏈路預(yù)算分析，其他覆蓋場景和配置下各種PRACH Preamble格式的鏈路預(yù)算結(jié)果，很容易通過仿真和分析獲得。PRACH信道的實際覆蓋性能，與網(wǎng)絡(luò)部署的覆蓋場景、傳播模型、eNB和UE的收發(fā)天線配置、UE的發(fā)送功率等級等因素密切關(guān)聯(lián)，其實際的覆蓋性能有待于進一步通過真實網(wǎng)絡(luò)測試進行驗證。

1 3GPP TS36.211 V870.Physical channels and modulation

2 3GPP TS36.942 V820.Radio frequency(RF)system scenarios

3 3GPP TS36.104 V860.Base station (BS)radio transmission and reception

4 3GPP TS36.101 V860.User equipment(UE)radio transmission and reception