康蘭蘭，盧昶，馮幸，夏龍根

（中國移動通信集團廣東有限公司佛山分公司，廣東 528000）

TD-LTE中的PRACH資源規(guī)劃

康蘭蘭，盧昶，馮幸，夏龍根

（中國移動通信集團廣東有限公司佛山分公司，廣東 528000）

隨機接入性能的好壞對于高速數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，TD-LTE中如何進行隨機接入?yún)?shù)規(guī)劃從而提高邊緣地區(qū)隨機接入成功率是一個值得研究的問題。本文首先簡要介紹了基于競爭隨機接入過程的基本步驟，從中說明PRACH資源的重要參數(shù)，隨后詳細介紹了各個參數(shù)及配置原則，并結(jié)合規(guī)劃思路說明試驗網(wǎng)PRACH參數(shù)的規(guī)劃情況及建議。

PRACH配置索引；高速狀態(tài)指示；零相關(guān)配置；根序列索引；頻率偏移

LTE是3GPP在“移動寬帶化”趨勢下研發(fā)的“準(zhǔn)4G” 無線通信標(biāo)準(zhǔn)制式，該技術(shù)是一個高速率、低時延和基于分組的移動通信系統(tǒng)提出了20MHz帶寬上達到瞬時峰值下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的要求。隨機接入過程是移動通信系統(tǒng)中的重要的環(huán)節(jié)，是用戶進行初始連接、切換、連接重建、從空閑模式轉(zhuǎn)換到連接模式時重新恢復(fù)上行同步以及UL SCH資源請求的唯一策略，接入信道的性能將直接影響整個系統(tǒng)的運行和業(yè)務(wù)質(zhì)量。在這樣的背景下， 本文將主要研究物理隨機接入信道（PRACH）資源的規(guī)劃。

物理隨機接入信道承擔(dān)著用戶設(shè)備（UE）接入網(wǎng)絡(luò)、申請網(wǎng)絡(luò)資源、定時同步、越區(qū)切換等重要任務(wù)。TDD-LTE系統(tǒng)具有靈活的時隙配比配置，其上下行子幀配置方式就有7種，隨機接入資源也從原來的一維變成時頻二維資源的復(fù)用，可見PRACH資源的合理規(guī)劃至關(guān)重要。

1 隨機接入過程簡述

隨機接入過程的實現(xiàn)方式分為基于競爭的隨機接入和基于非競爭的隨機接入，過程如圖1所示。在LTE系統(tǒng)中有以下5種情況可以觸發(fā)隨機接入過程，（1）在RRC_IDLE狀態(tài)時，發(fā)起的初始接入；（2）在RRC_ CONNECTED 狀態(tài)時，發(fā)起的連接重建處理；（3）小區(qū)切換過程中的隨機接入；（4）在RRC_CONNECTED狀態(tài)時，下行數(shù)據(jù)到達，但上行處于未同步狀態(tài)時發(fā)起的隨機接入；（5）在RRC_CONNECTED狀態(tài)時，上行數(shù)據(jù)到達，但上行處于未同步狀態(tài)或沒有為調(diào)度請求分配PUCCH資源時發(fā)起的隨機接入； 其中（3）和（4）可采用基于非競爭的隨機接入過程，其它均只能為基于競爭的隨機接入方式。

圖1 基于競爭的隨機接入過程（左）基于非競爭的隨機接入過程（右）

隨機接入前導(dǎo)序列由UE隨機選擇，就存在多于一個UE同時傳輸同一前導(dǎo)序列的可能性，所以需要一個解決競爭的過程。這就是基于競爭的隨機接入方式。eNodeB給UE分配一個專用的前導(dǎo)序列來避免競爭的發(fā)生，這就是非競爭的隨機接入方式。本節(jié)主要描述的是基于競爭的隨機接入過程：

第1步：LTE 采用具有時/頻恒幅、零自相關(guān)且互相關(guān)性良好的Zadoff-Chu序列作為隨機接入的參考序列。根據(jù)規(guī)劃配置結(jié)果和系統(tǒng)消息SIB2通知的前導(dǎo)序列，UE從中等概率隨機選擇一個作為本次發(fā)送；第2步：Node B檢測到隨機接入序列后，通過下行共享信道PDSCH發(fā)送隨機接入響應(yīng)。該消息至少包含所收到的Preamble碼的編號、上行發(fā)送的時間調(diào)整量（TA）、上行PUSCH調(diào)度信息和分配的臨時C-RNTI； 第3步：UE根據(jù)隨機接入響應(yīng)中承載的調(diào)度信息和TA信息，進行上行數(shù)據(jù)（PUSCH）發(fā)送。該消息包含了終端的唯一ID，如TMSI；第4步：Node B接收UE的上行消息，向接入成功的UE返回競爭解決消息。該消息中包含了接入成功終端的唯一ID。

其中第1步和第2步是隨機接入在物理層的主要內(nèi)容。在第1步中，UE的物理層根據(jù)高層所指示的PRACH配置索引（prach-ConfigIndex）、高速狀態(tài)指示（highSpeedFlag）、零相關(guān)配置（zeroCorrelation ZoneConfig）、頻率偏移（prach-FrequencyOffset）等均是將要討論的PRACH規(guī)劃參數(shù)。

2 PRACH參數(shù)規(guī)劃原則

PRACH規(guī)劃的主要目的是減少基于競爭隨機接入的沖突概率。小區(qū)半徑、移動速度、接入次數(shù)和概率、時隙配比等對PRACH參數(shù)規(guī)劃結(jié)果影響較大，前導(dǎo)序列共有64個前導(dǎo)序列碼，前導(dǎo)序列碼由根序列生成，下面將一一分析PRACH資源主要參數(shù)的規(guī)劃原則。

2.1 PRACH配置索引

2.1.1 參數(shù)介紹

本參數(shù)用于指示小區(qū)的PRACH配置索引，說明了PRACH的時頻域資源位置及資源占用情況，取值范圍為0～63，其中58～63保留。該參數(shù)需要提前確定小區(qū)時隙配置，同時也明確了采用的前導(dǎo)格式0～4。

物理層隨機接入前導(dǎo)序列在時域上由長度為TCP的循環(huán)前綴、長度為TSEQ和長度為TGT的3部分序列組成， 如圖2所示。CP的長度決定了能夠支持的接入半徑。長CP能夠容忍更長的傳輸往返時延。序列長度主要影響基站對序列的接收質(zhì)量，長序列能夠支持更大的覆蓋即更大的接入半徑。為適應(yīng)不同的覆蓋要求，3GPP TS 36.211協(xié)議規(guī)定了5種格式的PRACH循環(huán)前綴長度、序列長度、以及GT長度，如表1所示。

圖2 隨機接入前導(dǎo)格式

表1 隨機接入前導(dǎo)參數(shù)

Preamble格式和小區(qū)覆蓋范圍的關(guān)系約束原則為：小區(qū)內(nèi)邊緣用戶的傳輸時延需要在GT內(nèi)部，才能保證PRACH能正常接收，且不干擾其它的子幀。

PreambleFormat 0：持續(xù)時間1ms，序列長度800μs，適用于正常小區(qū)覆蓋區(qū)域。1ms隨機接入突發(fā)時長，小區(qū)半徑小于14km，此格式滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的多數(shù)場景；

PreambleFormat 1：持續(xù)時間2ms，序列長度800μs，適用于大的覆蓋小區(qū)，2ms隨機接入突發(fā)時長，最大小區(qū)覆蓋半徑可達77km；

PreambleFormat 2：持續(xù)時間2ms，序列長度1600μs，前導(dǎo)信號重復(fù)一次，適用于中型小區(qū)，適用于較大覆蓋小區(qū)和UE移動速率快的場景，最大小區(qū)覆蓋半徑可達28km；

PreambleFormat 3：持續(xù)時間3ms，序列長度1600μs，前導(dǎo)信號重復(fù)1次，適用于大的覆蓋范圍小區(qū)和高速移動UE，最大小區(qū)覆蓋半徑可達100km，一般用于海面、孤島等需要超長距離覆蓋的場景；

PreambleFormat 4：僅限于TDD幀結(jié)構(gòu)類型，持續(xù)時間157.3μs（488Ts+4096Ts+288Ts），適用于小覆蓋小區(qū)，覆蓋范圍大約1km，一般應(yīng)用于短距離覆蓋，特別是密集市區(qū)、室內(nèi)覆蓋或熱點補充覆蓋等場景。它是對半徑較小小區(qū)的一種優(yōu)化，只在UpPTS上傳輸，有助于提高系統(tǒng)上行吞吐量。

2.1.2 配置原則

一個上行子幀（包括UpPTS）可以同時存在多個PRACH信道；當(dāng)存在多個PRACH信道時，優(yōu)先考慮占用不同的子幀，再考慮一個子幀中支持多個PRACH信道。

相鄰小區(qū)間的PRACH信道的時域或頻域位置盡可能錯開，首先在時域上分配PRACH時隙，當(dāng)采用時分復(fù)用方式不足以分配全部的PRACH信道時隙時，再采用頻域分配方式。鄰區(qū)間PRACH配置考慮時域位置不同時，可以通過選擇不同的PRACH配置索引（prach-ConfigIndex）參數(shù)配置，即選擇中不同的時間參數(shù)進行配置；當(dāng)鄰區(qū)間PRACH配置考慮頻域位置不同時，可以通過選擇不同的頻率偏移參數(shù)(prach-frequencyOffset)來改變PRACH的頻域起始位置，此方法只適用于前導(dǎo)格式0～3，前導(dǎo)格式4不支持 “頻率偏移（prach-FrequencyOffset）”參數(shù)配置。

由于前導(dǎo)格式4在UpPTS時隙發(fā)送且不支持配置頻率偏移，多個相鄰小區(qū)時域、頻域上可以選擇的不同的時頻位置比較少，所以小范圍覆蓋時一般采用Preamble格式0。

2.2 高速狀態(tài)指示

2.2.1 參數(shù)介紹

本參數(shù)用于指示小區(qū)覆蓋是否處于UE高速狀態(tài)下，即高速公路等場景。參數(shù)取值范圍：TRUE或FALSE，對應(yīng)于零相關(guān)配置參數(shù)NCS是否選擇限制集（restricted set）。

2.2.2 配置原則

小區(qū)覆蓋在高速場景下，本參數(shù)配置為TRUE，需要按照限制集規(guī)則來生成循環(huán)移位參數(shù)。當(dāng)不是高速小區(qū)覆蓋場景時取值為FALSE。需要按照非限制集規(guī)則來生成循環(huán)移位參數(shù)。

2.3 零相關(guān)配置

2.3.1 參數(shù)介紹

本參數(shù)用于指示PRACH前導(dǎo)序列生成時使用的循環(huán)移位NCS的索引值， 如3GPP TS 36.211中表5.7.2-2和表 5.7.2-3所示，表中的“unrestricted set”和“restricted set”對應(yīng)是否為高速情況。參數(shù)取值范圍：對于前導(dǎo)格式0～3，參數(shù)取值0～15，對于前導(dǎo)格式4，參數(shù)取值0～6。

循環(huán)移位NCS是由小區(qū)覆蓋范圍決定的，即NCS與小區(qū)半徑相關(guān)。原則上，NCS越大，小區(qū)半徑越大，小區(qū)內(nèi)的NCS可用最小值由小區(qū)覆蓋半徑來確定。如對于Normal set，若小區(qū)覆蓋半徑5km，則其最大環(huán)回時延為2×5km/3×105km/s=33.3μs，假設(shè)定時誤差為2μs，多徑時延余量7μs，安全余量7μs，則循環(huán)移位的最小間隔33.3+2+7+7=49.3μs，NCS/NZC＞最小間隔/Preamble序列長度，對于PreambleFormat 0來說，最小的NCS=52，即對于覆蓋半徑為5km的小區(qū)，根據(jù)3GPP TS 36.211表5.7.2-2可選擇NCS是配置9。

2.3.2 配置原則

規(guī)劃半徑相同的小區(qū)可以選擇相同的NCS是參數(shù)。

2.4 根序列索引

2.4.1 參數(shù)介紹

本參數(shù)用于指示生成前導(dǎo)序列的起始根序列的邏輯序號，如3GPP TS 36.211表5.7.2-4和表5.7.2-5所示，參數(shù)取值范圍：前導(dǎo)格式0～3，參數(shù)取值0～837，前導(dǎo)格式4，參數(shù)取值0～137。

LTE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在小區(qū)內(nèi)存在64個有效的前導(dǎo)序列，所有的序列都可以從一個根序列上產(chǎn)生，而這依賴參數(shù)NCS的取值。NCS越大，從根序列產(chǎn)生的序列數(shù)量就越少，如下式：

對于覆蓋半徑為5km的小區(qū)，NCS=59，則v=0…13，從單個根序列能產(chǎn)生14個序列，需要5個不同的根序列來獲得64個Preamble。增加根序列數(shù)量會增加實施的復(fù)雜性。

2.4.2 配置原則

前導(dǎo)格式為0～3時，3GPP TS 36.211表5.7.2-4中的838個根序列都可以選擇，根序列和NCS沒有一定的約束關(guān)系，但為了較好的小區(qū)覆蓋性能，最好選擇邏輯序號在0～455之間的根序列；前導(dǎo)格式為4時，3GPP TS 36.211表5.7.2-5中的137個根序列都可以選擇。

為避免相鄰小區(qū)之間的干擾，建議相鄰小區(qū)之間的根序列配置不相同，即一個小區(qū)使用的多個根序列來生成64個前導(dǎo)碼，其相鄰小區(qū)應(yīng)避開該小區(qū)使用的根序列。

2.5 頻率偏移

2.5.1 參數(shù)介紹

本參數(shù)用于指示PRACH（限于PRACH格式0～3）所在的第一個物理資源塊（RB）的索引，在prach-ConfigIndex參數(shù)配置的基礎(chǔ)上決定了PRACH信道的頻域位置，參數(shù)取值范圍0～94。

LTE系統(tǒng)中PUCCH位于系統(tǒng)帶寬的兩側(cè)，當(dāng)PRACH配置索引取值在48～57時（見3GPP TS 36.211表 5.7.1-4），頻率偏移參數(shù)不需要配置。

2.5.2 配置原則

各鄰區(qū)之間可通過配置不同的頻率偏移將PRACH的頻域位置錯開，但會增加PRB調(diào)度的復(fù)雜度。

3 PRACH參數(shù)規(guī)劃思路

PRACH參數(shù)規(guī)劃步驟如圖3所示。

圖3 PRACH參數(shù)規(guī)劃流程圖

（1）根據(jù)小區(qū)中覆蓋場景及用戶移動速度情況，確定該小區(qū)是否為高速小區(qū)，確定高速狀態(tài)指示的配置；

（2）根據(jù)規(guī)劃的小區(qū)半徑選擇前導(dǎo)格式，格式0～4；

（3）根據(jù)選擇的前導(dǎo)格式、規(guī)劃的小區(qū)半徑和高速狀態(tài)指示來確定零相關(guān)配置（NCS）的大小；

（4）根據(jù)小區(qū)接入負(fù)載容量、小區(qū)時隙配比、小區(qū)間頻域資源等確定PRACH配置索引的配置；

（5）選擇根序列，確定根個數(shù)并根據(jù)零相關(guān)配置（NCS）與根序列的對應(yīng)關(guān)系確定根序列索引（rootSequenceIndex）的配置。

4 PRACH參數(shù)規(guī)劃建議

PRACH規(guī)劃涉及的參數(shù)主要有：基于競爭的每秒隨機接入的次數(shù)、基于非競爭的每秒隨機接入的次數(shù)、小區(qū)期望的隨機接入沖突概率、小區(qū)終端的平均移動速度、小區(qū)半徑參數(shù)、前導(dǎo)格式、PRACH配置索引、零相關(guān)配置參數(shù)、頻率偏移、基于競爭的前導(dǎo)序列個數(shù)、以及基于非競爭的前導(dǎo)序列個數(shù)的取值和分配方法、現(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃參數(shù)等參數(shù)，其中小區(qū)半徑和終端速度，對結(jié)果有較大影響。PRACH規(guī)劃的輸出結(jié)果主要是小區(qū)根序列和PRACH配置索引。一般情況下，一個小區(qū)需要多個根序列來生成足夠的Preamble碼，規(guī)劃和網(wǎng)管配置均為起始根序列邏輯序號。

4.1 試驗網(wǎng)PRACH規(guī)劃建議

目前試驗網(wǎng)覆蓋場景主要是城區(qū)，在此前提下PRACH參數(shù)規(guī)劃原則為： PRACH配置索引采取鄰區(qū)間時域位置不同來規(guī)避干擾；小區(qū)規(guī)劃半徑大致相同，采用前導(dǎo)格式0；高速狀態(tài)指示配置為FALSE，全網(wǎng)選擇相同的NCS配置；為避免相鄰小區(qū)之間的干擾，相鄰小區(qū)之間的根序列配置不相同；為降低PRB調(diào)度的復(fù)雜度，頻率偏移參數(shù)配置相同；室外按照5km半徑，50km/h速度，室內(nèi)按照2km半徑，10km/h速度（或更低）。試驗網(wǎng)配置示例如圖4所示，小區(qū)覆蓋半徑5km，時隙配比2：2。

4.2 PRACH分場景規(guī)劃建議

試驗網(wǎng)規(guī)劃的場景相對單一，隨著LTE的試商用和商用，可以考慮分場景進行PRACH參數(shù)規(guī)劃。根據(jù)覆蓋范圍內(nèi)UE移動速度可分為高速和中低速場景，根據(jù)小區(qū)覆蓋地貌類型可分為密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)等。

對于前者的場景分類主要關(guān)注移動速率的變化，需注意高速狀態(tài)指示及零相關(guān)配置參數(shù)的變化，并且在高速場景中循環(huán)偏移不宜過大，用于降低頻偏造成的循環(huán)移位對峰值檢測的影響，中低速小區(qū)不受限。

圖4 試驗網(wǎng)配置案例

對于后者的場景分類主要考慮半徑的變化，需注意前導(dǎo)格式、PRACH配置索引、零相關(guān)配置、根序列索引等參數(shù)變化。對于前導(dǎo)格式和規(guī)劃小區(qū)半徑直接相關(guān)。綜合PRACH占用資源及常見宏蜂窩的覆蓋范圍和特性，LTE的初始網(wǎng)絡(luò)前導(dǎo)格式盡量選擇Format 0；格式1和格式3都適合大覆蓋小區(qū)，格式3一般用于海面、孤島等需要超長距離覆蓋的場景，還適合高速場景；格式2適用于中型較大覆蓋小區(qū)；格式4是TDD特有的，半徑只支持1.4km，一般不會采用，最多應(yīng)用在微站當(dāng)中。PRACH配置索引則根據(jù)選擇的前導(dǎo)格式和小區(qū)容量進行選擇；覆蓋小區(qū)場景的半徑越大則零相關(guān)配置參數(shù)越大；根序列索引對于大半徑小區(qū)要選擇小峰均比的根序列。

5 總結(jié)

本文從LTE隨機接入過程的特點引出PRACH規(guī)劃的主要參數(shù)，詳細說明了PRACH相關(guān)參數(shù)及配置原則，給出了PRACH參數(shù)的規(guī)劃思路并對照試驗網(wǎng)給出TD-LTE的PRACH參數(shù)規(guī)劃情況，并提出分場景的PRACH規(guī)劃建議。在網(wǎng)絡(luò)用戶、業(yè)務(wù)較少的階段，PRACH規(guī)劃結(jié)果好壞的影響也較小，隨著業(yè)務(wù)增加，PRACH規(guī)劃的作用將逐漸體現(xiàn)。希望本文的分析可為今后TD-LTE的規(guī)劃建設(shè)及優(yōu)化提供參考。

[1] 3GPP TS36.211，Physical Channels and Modulation[S].

[2] 3GPP TS36.331，Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification[S].

PRACH resource planning of TD-LTE

KANG Lan-lan, LU Chang, FENG Xing, XIA Long-gen
(China Mobile Group Guangdong Co., Ltd. Foshan Branch, Foshan 528000, China)

The performance of the random access plays a crucial role for the service quality of the high speed data communication system in TD-LTE. It’s a problem that is worth studying how to determine the parameter planning so as to improve the random access success rate of the edge region. This article first briefly introduces the basic steps of the competition-mode-based random access process, and specifies the important parameters for the random access resource, then describes the meaning and the planning principles of the parameters. Finally, it specifies the suggestions and situations of the PRACH parameters planning in test network of TD-LTE.

prach-Conf i gIndex; highSpeedFlag; zeroCorrelationZoneConf i g; rootSequenceIndex; prach- FrequencyOffset

TN929.5

A

1008-5599（2012）10-0042-06

中國移動研究院與Mindspeed就合作研究Nanocell簽署技術(shù)合作備忘錄

2012-09-10

小蜂窩基站半導(dǎo)體解決方案領(lǐng)導(dǎo)者敏訊科技有限公司（Mindspeed）與中國移動研究院共同宣布：兩家公司已經(jīng)簽署了一項合作備忘錄（MOU），將就在中國推動Nanocell相關(guān)的研究展開多項合作。Nanocell是一種最新定義的無線接入設(shè)備種類，它集成了移動小蜂窩基站及電信級的WLAN接入點。這對于持續(xù)加快建設(shè)的中國移動異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以及Mindspeed基于旗下Picochip TD-SCDMA和Transcede LTE系統(tǒng)級芯片（SOC）解決方案的小蜂窩基站平臺，都是一個重要的里程碑。Mindspeed被選中參與此開創(chuàng)性的項目源于其在當(dāng)前小蜂窩基站市場中的領(lǐng)導(dǎo)地位及其未來的產(chǎn)品路線圖。