TD-LTE網絡隨機接入前導碼規劃分析

朱士棟，張建奎，郭寶

（1 中國移動通信集團江蘇有限公司淮安分公司，淮安 223400；2 中國移動通信集團江蘇有限公司，南京 210026；3 中國移動通信集團山西有限公司，太原 030001）

TD-LTE網絡隨機接入前導碼規劃分析

朱士棟1，張建奎2，郭寶3

（1 中國移動通信集團江蘇有限公司淮安分公司，淮安 223400；2 中國移動通信集團江蘇有限公司，南京 210026；3 中國移動通信集團山西有限公司，太原 030001）

TD-LTE網絡隨機接入是終端接入網絡的必經過程，是用戶進行初始連接、切換、連接重建立以及重新恢復上行同步的唯一策略，其失敗率會影響TD-LTE網絡的接入性能。本文中重點介紹TD-LTE網絡隨機接入前導碼的精細規劃，以及隨著網絡割接調整而實施的前導碼自動規劃。

隨機接入；ZC根序列；接入性能

TD-LTE網絡隨機接入是終端接入網絡的必經過程，是用戶進行初始連接、切換、連接重建立，重新恢復上行同步的唯一策略，其失敗率會影響網絡的接入性能，在TD-LTE網絡中起著重要作用。在TD-LTE網絡實際部署伊始即對隨機接入過程進行精細化、自動化的分析和規劃，對于提升網絡性能和用戶體驗有極大的意義。

隨機接入過程和確定性的上下行調度不同之處在于隨機性，首先，UE在隨機時刻選擇前導序列接入；其次接入的結果也具有隨機性，并不能保證100%的成功。競爭隨機接入是指eNB沒有為UE分配專用Preamble碼，而是由UE隨機翻Preamble碼并發起的隨機接入，這樣有可能導致多于一個的UE同時傳輸同一個前導序列，所以需要一個解決競爭的過程。ZC根序列不同，那么生成的Preamble序列是正交的。通過在相鄰的小區之間規劃不同的根序列可以有效消除隨機接入過程中的沖突。在TD-LTE隨機接入過程的參數規劃中，ZC根序列的規劃是最重要的一個參數。ZC根序列規劃通過網絡規劃為多個小區自動分配合理的前導索引，保證高速小區優先分配檢測性能較好的前導序列，且相鄰小區分配不同前導序列以降低干擾。

1 TD-LTE隨機接入過程

當用戶通過小區選擇找到合適的小區并接收到該小區足夠的廣播消息后，接下來將進入到隨機接入過程，以獲得上行同步并完成空口連接。隨機接入過程如圖1所示，包括Msg1：發送 Preamble，Msg2：隨機接入響應（包含接收到的 Preamble 序列、時間調整量、Msg3傳輸所需的上行資源指示、臨時C-RNTI），Msg3：RRC連接建立請求（Msg3攜帶的消息根據用戶的狀態不同而不同，初始接入時是RRC連接建立請求，其它情況該消息內容還有可能是RRC重建、切換確認消息等），Msg4：RRC連接建立（Msg4會攜帶Msg3的拷貝，并采用Msg3中的臨時C-RNTI來加擾PDCCH，從而解決用戶使用相同Preamble碼造成的沖突問題），Msg5：RRC連接建立完成（攜帶NAS消息附著請求等信息）。至此，用戶完成了上行同步和RRC連接建立。

在這個過程中，涉及到的主要參數包括Preamble初始目標接收功率、調整步長、最大傳輸次數、Preamble格式，以及Msg3最大傳輸次數和隨機接入過程中的UE 定時器（T300）等。其中，Preamble 格式和另外一個影響隨機接入過程的參數“NCS”均與小區半徑設置相關。

圖1 TD-LTE網絡隨機接入流程

2 TD-LTE隨機接入相關參數

2.1 前導碼格式與小區覆蓋范圍

隨機接入信號是由CP（長度為TCP）、前導序列（長度為TSEQ）和GT (長度為TGT) 3個部分組成，前導序列與PRACH時隙長度的差為GT，用于對抗多徑干擾的保護，以抵消傳播時延。一般來說較長的序列，能獲得較好的覆蓋范圍，但較好的覆蓋范圍需要較長的CP和GT來抵消相應的往返時延，即小區覆蓋范圍越大，傳輸時延越長，需要的GT越大，為適應不同的覆蓋要求，3GPP 36.211協議規定了5種格式的PRACH。

前導碼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，且不干擾其他的子幀。即需要滿足的關系為TCP＞TRTT+TDS，TGR＞TRTT，TCP為循環前綴CP的長度；TGT為保護間隔；TRTT為最大往返時間。

根據以上關系，可以得到各種格式下所支持小區的最大半徑(考慮TDS)如表1所示。

表1 前導碼格式與小區覆蓋范圍

具體可以敘述為：

Preamble格式 0：持續1 ms，序列長度800 us，適用于小、中型的小區，最大小區半徑14.53 km，此格式看滿足網絡覆蓋的多數場景。

Preamble 格式 1：持續2 ms，序列長度800 us，適用于大型的小區，最大小區半徑為77.34 km。

Preamble 格式 2：持續2 ms，序列長度1 600 us，適用于中型小區，最大小區半徑為29.53 km。

Preamble 格式 3：持續3 ms，序列長度1 600 us，適用于超大型小區，最大小區半徑為100.16 km；一般用于海面、孤島等需要超長距離覆蓋的場景。

Preamble 格式 4： TDD模式專用的格式，持續時間157.292 μs（ 2個OFDM符號的突發），適用于小型小區，小區半徑不大于1.4 km，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。它是對半徑較小的小區的一種優化，可以在不占用正常時隙資源的情況下，利用很小的資源承載PRACH信道，有助于提高系統上行吞吐量，某種程度上也可以認為有助于提高上行業務信道的覆蓋性能。

2.2 ZC根序列索引

小區可用的64個前導集合是由一個或多個根Zadoff-Chu序列（簡稱ZC序列）進行循環移位產生的，小區使用的根序列的起始根序列的邏輯序號由本參數進行配置，在系統信息中進行廣播。

系統共使用838個ZC序列作為前導的物理根序列，協議中根據高速模式下各個物理根序列u所支持的最大的Ncs-max進行了分組，使得同一組內的Ncs滿足NCS（g）≤NCS_max＜NCS(g+1)（g為組號），共分為32個序列組，每組中的根序列按照CM值(CM是上行功率放大器非線性影響的衡量標準，比PAPR更準確，直接表征功放功率的降低——稱為功率退化的程度，CM越低，對射頻硬件要求比較低)排序，位置連續的根序列CM值始終接近，可以實現一致的小區覆蓋，重新排序后的根序列序號稱為根序列的邏輯序號。

根據CM值的大小將838個序列可以分為低CM組和高CM組。根序列邏輯序號0～455為低CM組，根序列邏輯序號456～837為高CM組，CM值越低，越有利于小區覆蓋因此低CM值的根序列優先使用。

當前導格式0～3的情況下，原則上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。

當前導格式4時，可以在表（36.211 Table 5.7.2-5）0～137個根序列中任選根序列。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和使用都不相同，即1個小區在使用多個根序列生成64個前導碼的情況下，其相鄰小區應避開其他小區使用的根序列。

2.3 前導碼所需的根序列

低速情況下產生64個前導碼需要的根序列個數，其中，K表示根序列的個數，K=(64/(NZC/NCS))，前導格式0-3，NZC=839，前導格式4，NZC=139，式中的64表示64個前導碼，計算出低速（非限制集）情況下產生64個前導碼需要的根序列數，如表2所示。

對于高速移動環境下的UE，由于多普勒效應，會破壞ZC序列不同循環移位之間的正交性，對這種環境下按照特殊規則生成的循環移位。

表2 產生64個前導非限制集需要的根序列個數

3 前導碼自動規劃

通過對于TD-LTE的研究及仿真可知，前導碼規劃受到網絡規模、鄰區及接入速率等多重因素影響，采用人工手段進行規劃，效果較差且工作量巨大。如果網絡割接調整較多，伴隨部分入網基站，人工規劃前導碼基本是不可行的。在TD-LTE基站大規模建設入網期間，需要開發一個精細規劃分析平臺，實現對隨機接入前導碼的自動化和精細化的規劃，提高網絡接通率，為建設高水平的TD-LTE網絡奠定堅實的基礎。

TD-LTE隨機接入前導碼規劃包含3個模塊：鄰區生成、Preamble分配模塊和PRACH資源分配模塊。模塊以及模塊的輸入與輸出關系如圖2所示。

前導碼規劃主要步驟為：

通過對于掃頻數據等的分析，結合網絡容量規劃，自動實現PRACH的規劃，提升工作效率和網絡性能，實現隨機接入前導碼的自動化規劃；

根據規劃場景的不同(如小區半徑、鏈路預算等)，實現協議支持的5種物理隨機接入信號格式的規劃。

圖2 TD-LTE隨機接入前導碼規劃流程

4 總結及下一步方向

TD-LTE隨機接入前導碼規劃需要考慮鄰區、網絡負荷、覆蓋半徑等多重因素，在TD-LTE基站大規模建設入網期間，需要開發一個精細規劃分析平臺，實現對隨機接入前導碼的自動化和精細化的規劃。通過ZC根序列自動規劃，將網絡規劃為多個小區自動分配合理的前導索引，保證高速小區優先分配檢測性能較好的前導序列，且相鄰小區分配不同前導序列以降低干擾，提升網絡的整體性能。最后，結合掃頻數據與容量規劃，實現隨機接入前導碼的自動規劃，提升工作效率和網絡性能。

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Preamble planning of radom access process in the TD-LTE network

ZHU Shi-dong1, ZHANG Jian-kui2, GUO Bao3
(1 China Mobile Group Jiangsu Co., Ltd. Huaian Branch, Huaian 223400, China; 2 China Mobile Group Jiangsu Co., Ltd., Nanjing 210026, China; 3 China Mobile Group Shanxi Co., Ltd., Taiyuan 030001, China)

Terminal access TD-LTE network must pass through random access processing, it’s also the only policy of user-initiated connections, switches, connections to establish and restore the uplink synchronization. The failure rate will affect the TD-LTE network access performance. This article focuses on TD-LTE network random access preamble planning and the automatic plan of preamble.

random access; ZC root sequence; access performance

TN929.5

A

1008-5599（2014）01-0026-04

2013-10-23