TD-LTE中的PRACH資源規劃

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）

TD-LTE中的PRACH資源規劃

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據通信業務的質量起著至關重要的作用，TD-LTE中如何進行隨機接入參數規劃從而提高邊緣地區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，隨后詳細介紹了各個參數及配置原則，并結合規劃思路說明試驗網PRACH參數的規劃情況及建議。

PRACH配置索引；高速狀態指示；零相關配置；根序列索引；頻率偏移

LTE是3GPP在“移動寬帶化”趨勢下研發的“準4G” 無線通信標準制式，該技術是一個高速率、低時延和基于分組的移動通信系統提出了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中的重要的環節，是用戶進行初始連接、切換、連接重建、從空閑模式轉換到連接模式時重新恢復上行同步以及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的運行和業務質量。在這樣的背景下， 本文將主要研究物理隨機接入信道（PRACH）資源的規劃。

物理隨機接入信道承擔著用戶設備（UE）接入網絡、申請網絡資源、定時同步、越區切換等重要任務。TDD-LTE系統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用，可見PRACH資源的合理規劃至關重要。

1 隨機接入過程簡述

隨機接入過程的實現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系統中有以下5種情況可以觸發隨機接入過程，（1）在RRC_IDLE狀態時，發起的初始接入；（2）在RRC_ CONNECTED 狀態時，發起的連接重建處理；（3）小區切換過程中的隨機接入；（4）在RRC_CONNECTED狀態時，下行數據到達，但上行處于未同步狀態時發起的隨機接入；（5）在RRC_CONNECTED狀態時，上行數據到達，但上行處于未同步狀態或沒有為調度請求分配PUCCH資源時發起的隨機接入； 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）

隨機接入前導序列由UE隨機選擇，就存在多于一個UE同時傳輸同一前導序列的可能性，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序列來避免競爭的發生，這就是非競爭的隨機接入方式。本節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、零自相關且互相關性良好的Zadoff-Chu序列作為隨機接入的參考序列。根據規劃配置結果和系統消息SIB2通知的前導序列，UE從中等概率隨機選擇一個作為本次發送；第2步：Node B檢測到隨機接入序列后，通過下行共享信道PDSCH發送隨機接入響應。該消息至少包含所收到的Preamble碼的編號、上行發送的時間調整量（TA）、上行PUSCH調度信息和分配的臨時C-RNTI； 第3步：UE根據隨機接入響應中承載的調度信息和TA信息，進行上行數據（PUSCH）發送。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容。在第1步中，UE的物理層根據高層所指示的PRACH配置索引（prach-ConfigIndex）、高速狀態指示（highSpeedFlag）、零相關配置（zeroCorrelation ZoneConfig）、頻率偏移（prach-FrequencyOffset）等均是將要討論的PRACH規劃參數。

2 PRACH參數規劃原則

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

2.1 PRACH配置索引

2.1.1 參數介紹

本參數用于指示小區的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。該參數需要提前確定小區時隙配置，同時也明確了采用的前導格式0～4。

物理層隨機接入前導序列在時域上由長度為TCP的循環前綴、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量，長序列能夠支持更大的覆蓋即更大的接入半徑。為適應不同的覆蓋要求，3GPP TS 36.211協議規定了5種格式的PRACH循環前綴長度、序列長度、以及GT長度，如表1所示。

圖2 隨機接入前導格式

表1 隨機接入前導參數

Preamble格式和小區覆蓋范圍的關系約束原則為：小區內邊緣用戶的傳輸時延需要在GT內部，才能保證PRACH能正常接收，且不干擾其它的子幀。

PreambleFormat 0：持續時間1ms，序列長度800μs，適用于正常小區覆蓋區域。1ms隨機接入突發時長，小區半徑小于14km，此格式滿足網絡覆蓋的多數場景；

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

PreambleFormat 2：持續時間2ms，序列長度1600μs，前導信號重復一次，適用于中型小區，適用于較大覆蓋小區和UE移動速率快的場景，最大小區覆蓋半徑可達28km；

PreambleFormat 3：持續時間3ms，序列長度1600μs，前導信號重復1次，適用于大的覆蓋范圍小區和高速移動UE，最大小區覆蓋半徑可達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幀結構類型，持續時間157.3μs（488Ts+4096Ts+288Ts），適用于小覆蓋小區，覆蓋范圍大約1km，一般應用于短距離覆蓋，特別是密集市區、室內覆蓋或熱點補充覆蓋等場景。它是對半徑較小小區的一種優化，只在UpPTS上傳輸，有助于提高系統上行吞吐量。

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；當存在多個PRACH信道時，優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，當采用時分復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）參數配置，即選擇中不同的時間參數進行配置；當鄰區間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(prach-frequencyOffset)來改變PRACH的頻域起始位置，此方法只適用于前導格式0～3，前導格式4不支持 “頻率偏移（prach-FrequencyOffset）”參數配置。

由于前導格式4在UpPTS時隙發送且不支持配置頻率偏移，多個相鄰小區時域、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 高速狀態指示

2.2.1 參數介紹

本參數用于指示小區覆蓋是否處于UE高速狀態下，即高速公路等場景。參數取值范圍：TRUE或FALSE，對應于零相關配置參數NCS是否選擇限制集（restricted set）。

2.2.2 配置原則

小區覆蓋在高速場景下，本參數配置為TRUE，需要按照限制集規則來生成循環移位參數。當不是高速小區覆蓋場景時取值為FALSE。需要按照非限制集規則來生成循環移位參數。

2.3 零相關配置

2.3.1 參數介紹

本參數用于指示PRACH前導序列生成時使用的循環移位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”對應是否為高速情況。參數取值范圍：對于前導格式0～3，參數取值0～15，對于前導格式4，參數取值0～6。

循環移位NCS是由小區覆蓋范圍決定的，即NCS與小區半徑相關。原則上，NCS越大，小區半徑越大，小區內的NCS可用最小值由小區覆蓋半徑來確定。如對于Normal set，若小區覆蓋半徑5km，則其最大環回時延為2×5km/3×105km/s=33.3μs，假設定時誤差為2μs，多徑時延余量7μs，安全余量7μs，則循環移位的最小間隔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，根據3GPP TS 36.211表5.7.2-2可選擇NCS是配置9。

2.3.2 配置原則

規劃半徑相同的小區可以選擇相同的NCS是參數。

2.4 根序列索引

2.4.1 參數介紹

本參數用于指示生成前導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，參數取值范圍：前導格式0～3，參數取值0～837，前導格式4，參數取值0～137。

LTE標準規定在小區內存在64個有效的前導序列，所有的序列都可以從一個根序列上產生，而這依賴參數NCS的取值。NCS越大，從根序列產生的序列數量就越少，如下式：

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

2.4.2 配置原則

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

為避免相鄰小區之間的干擾，建議相鄰小區之間的根序列配置不相同，即一個小區使用的多個根序列來生成64個前導碼，其相鄰小區應避開該小區使用的根序列。

2.5 頻率偏移

2.5.1 參數介紹

本參數用于指示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參數配置的基礎上決定了PRACH信道的頻域位置，參數取值范圍0～94。

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

2.5.2 配置原則

各鄰區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調度的復雜度。

3 PRACH參數規劃思路

PRACH參數規劃步驟如圖3所示。

圖3 PRACH參數規劃流程圖

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

（2）根據規劃的小區半徑選擇前導格式，格式0～4；

（3）根據選擇的前導格式、規劃的小區半徑和高速狀態指示來確定零相關配置（NCS）的大小；

（4）根據小區接入負載容量、小區時隙配比、小區間頻域資源等確定PRACH配置索引的配置；

（5）選擇根序列，確定根個數并根據零相關配置（NCS）與根序列的對應關系確定根序列索引（rootSequenceIndex）的配置。

4 PRACH參數規劃建議

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

4.1 試驗網PRACH規劃建議

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

4.2 PRACH分場景規劃建議

試驗網規劃的場景相對單一，隨著LTE的試商用和商用，可以考慮分場景進行PRACH參數規劃。根據覆蓋范圍內UE移動速度可分為高速和中低速場景，根據小區覆蓋地貌類型可分為密集城區、一般城區、郊區等。

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

圖4 試驗網配置案例

對于后者的場景分類主要考慮半徑的變化，需注意前導格式、PRACH配置索引、零相關配置、根序列索引等參數變化。對于前導格式和規劃小區半徑直接相關。綜合PRACH占用資源及常見宏蜂窩的覆蓋范圍和特性，LTE的初始網絡前導格式盡量選擇Format 0；格式1和格式3都適合大覆蓋小區，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；格式4是TDD特有的，半徑只支持1.4km，一般不會采用，最多應用在微站當中。PRACH配置索引則根據選擇的前導格式和小區容量進行選擇；覆蓋小區場景的半徑越大則零相關配置參數越大；根序列索引對于大半徑小區要選擇小峰均比的根序列。

5 總結

本文從LTE隨機接入過程的特點引出PRACH規劃的主要參數，詳細說明了PRACH相關參數及配置原則，給出了PRACH參數的規劃思路并對照試驗網給出TD-LTE的PRACH參數規劃情況，并提出分場景的PRACH規劃建議。在網絡用戶、業務較少的階段，PRACH規劃結果好壞的影響也較小，隨著業務增加，PRACH規劃的作用將逐漸體現。希望本文的分析可為今后TD-LTE的規劃建設及優化提供參考。

[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

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