基于高鐵場景下的TD—LTE PRACH參數研究

劉曾怡　屈姍姍　魯曉峰　賀廣龍

摘要：做為新一代的移動通信系統，TD-LTE的隨機接入較2G/3G系統有更為精細的設計要求，為了使高速鐵路中的TD-LTE網絡能更穩定地運行，從Preamble、根序列和NCS等方面著手分析，總結出了一套適合中國高鐵的TD-LTE PRACH參數體系，并對其進行了驗證，驗證得到了良好的效果。

關鍵詞：高速鐵路 TD-LTE PRACH參數 網絡切換 小區配置

1 引言

2004年3GPP啟動了長期演進（LTE）項目，無線技術新使用了正交頻分多址復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技術。這兩項技術結合其他LTE關鍵技術將系統頻譜效率提升到了5 bps/Hz；上行最大傳輸速率大于50 Mbps，下行傳輸速率最大情況下大于100 Mbps[1]。在2008年基本確定了LTE第一版本的R8協議標準，現已發展到了R13版本。LTE項目完成的時間進度如圖1所示。

2012年，國家進行了TD-LTE規模試驗，2013年正式向三家運營商發布了TD-LTE商用牌照，極大地促進了國內無線通信網絡技術的發展。在2014，中央提出了“一帶一路”及“互聯網+”兩大國家重點戰略，其中高鐵技術和移動寬帶互聯網（LTE）技術是兩大戰略中不可或缺的基石。

國內外學術、工程界對高鐵場景下LTE網絡的研究也非常多。其中，文獻[3]研究了在高鐵場景下，多普勒頻移對LTE信道建模的影響；文獻[4]研究了一種新型的LTE上行自適應插值算法以消除高鐵場景下的載波間干擾（ICI）所造成的影響；文獻[5]研究了一種基于Kalman的濾波器來解決高多普勒頻移場景下的LTE時域信號畸變問題；文獻[6]研究了一種在高鐵場景下PRACH的ZC根序列設計的新方法。

本文基于TD-LTE物理層隨機接入信道（PRACH）的特點，結合已運營的TD-LTE網絡和高鐵情況，研究了在TD-LTE切換區域內非競爭接入情況下的PRACH限制因素。并由Zadoff–Chu（ZC）序列產生Preamble碼機理入手，依據現網用戶情況，研究設計出了一套適用于中國高鐵場景下的TD-LTE PRACH參數配置的方法。

2 TD-LTE PRACH信道研究

3GPP 36.211對相關的PRACH接入信道進行了詳細的規定[7]，表1中對隨機接入格式和時間進行了表述，幀結構2的隨機接入格式0～4的Preamble設置如表2所示。

表2列出了對于一個確定的PRACH密度值DRA，不同的隨機接入所需要的物理資源。每一個四元符號組用來指示一個特定隨機接入資源的時頻位置，其中fRA是一定時間間隔中的頻率資源索引；“”分別指示隨即接入資源是出現在所有的無線幀中，還是在偶數無線幀，或是在奇數無線幀中；“”分別指示隨機接入資源是位于第一個半幀還是第二個半幀；是前導開始的上行子幀號，在兩個連續上下行切換點間的第一個上行子幀為0，除了一直在UpPTS中傳輸的前導格式4，其表示為（*）。在UE端，前導格式0～3，開始時刻必須和對應的上行子幀開始時刻對齊，即NTA=0，前導格式4必須在UpPTS結束前4832·TS開始，其中UpPTS參考UE上行幀同步提前量NTA=0。

對每一種PRACH配置的隨機接入首先在時間上分配，當且僅當時間上不能分配特定密度值DTA的所有隨機接入的時候才考慮頻分。對前導格式0～3，頻率復用規則如下：

（1）

其中是上行資源塊數，是分配給隨機接入的第一個物理資源塊，參數prach-FrequencyOffset nRAPRB offset是PRACH可用的第一個物理資源塊號，它由高層配置且滿足0≤nRAPRB offset≤（NRAPR-6）[8-9]。

對前導格式4，頻率復用按式（2）進行：

（2）

其中nf是系統幀號，而NSP是無線幀中的上下行切換點數。對兩種幀結構，每個隨機接入前導帶寬都為6個連續資源塊大小。小區是否為高速小區將影響零相關配置與NCS的映射關系。非限制集對應低速小區，限制集對應高速小區。Preamble的NCS配置如表3所示。

NCS和小區半徑、最大擴展時延有關，如公式（3）所示：

NCS×Tpreamble_s>TRTD+TMD （3）

其中：

1）NCS：循環移位長度；

2）Tpreamble_s：ZC序列的抽樣長度；對于格式0～3，取值為800/839 μs，對于格式4，取值為133/139 μs；

3）TRTD：最大RTD時延（最大小區往返時延），和小區半徑關系為：TRTD=6.67×r μs（r單位為km）；

4）TMD：最大時延擴展（最大多徑時延擴展），由于高鐵場景時延擴展較大，工程上使用2 ms，可得出：

NCS>1.04875×（6.67r+TMD+2）（格式0～3）（4）

NCS>1.045×（6.67r+TMD+2）（格式4） （5）

根據表1，格式4的Preamble的TSEQ較小，并不適合高鐵的場景。由公式（4）可得在格式0～3情況下NCS與小區半徑r的關系表，如表4所示。

3 協議配置研究

3.1 高鐵場景建模

高鐵車體車廂為CRH3車廂；單節車廂長度l為25 m；

每單節車廂座位數s為80個；列車運行時速v為300 km/h；采用小區合并技術的高鐵單小區半徑r為1000 m；根據速率換算1 m/s=3.6 km/h，列車運行速度為83.33 m/s。

切換判決的時間（Time To Trigger）可設為640 ms，根據切換時延和單節車廂用戶數，按照TD-LTE用戶滲透率70%，LTE終端滲透率80%，激活比60%估算（考慮小包業務），可以得出高鐵場景TD-LTE切換時每秒在單小區上會接入108用戶，在TAU時每秒需接入用戶數為180。

3.2 參數設計研究

UE高速運動時會產生多普勒頻偏，破壞ZC序列不同循環移位之間的正交性，從而限制根序列的選擇范圍。一般SC-FDMA上行子載波帶寬為15 kHz，但PRACH信道是個特列，格式4子載波有7.5 kHz，格式0～3子載波只有1.25 kHz，更容易受頻偏影響，從而導致上行解調困難。

在非競爭接入（切換場景）下，1個PRACH/10 ms理論接入容量與RA-RNTI數量相同，可以同時接入52個基于競爭隨機接入和12個基于非競爭隨機接入。需考慮的負面因素有：高鐵場景無線環境變化復雜，車體損耗大，SINR值普遍較低，Preamble解調困難；PRACH子載波帶寬小，更容易受到頻偏問題影響，Preamble解調困難。因此在PRACH實際規劃中要預留足夠余量，減少Preamble碰撞幾率，降低eNodeB處理負荷。

（1）確定PRACH configuration index

在3.1節設立的模型中：r=1000 m，TMD為5 μs。設定Preamble format 0格式后，使用公式（5）進行計算：NCS>1.04875×（6.67×1+5+2）=14.34，通過查詢前導生成序列的循環移位NCS參數，可根據需要取NCS配置2，即NCS=15。單個根序列產生的循環前導序列數為INT[839/15]=55；需要的根序列數為INT[64/55]+1=2。

按接入的模型序列，（Preamble format 0（表1）+PRACH configuration index 6（表2））可以滿足模型設置中的用戶接入。

（2）確定小區根序列的個數

根據K=64/（NZC/NCS）（其中K表示根序列的個數，64表示64個前導碼），對于前導格式0～3：NCS=838；根據公式可以計算出在前導格式0～3情況下產生64個前導碼需要的根序列個數[11]。表5為NCS和根序列關聯表：

（3）確定根序列的取值范圍

前導格式0～3的情況下，低速小區原則上有838個根序列都可以選擇，高速小區根序列起始位置和選擇范圍均受到NCS取值的約束，如：

1）1 m（3英尺）≤Cell Radius≤1000 m（3281英尺）時，Root Sequence Idx的范圍為24～815；

2）1000 m（3281英尺）

NCS-邏輯根序列-物理根序列映射如表6所示：

按高鐵模型中的設置及表5，r為1000可得到Root Sequence Idx的范圍為24～815。

4 結論

使用現網的在網運行的LTE站點，LTE中PRACH信道的配置參數主要有5個：1）是否為高速狀態（High Speed Flag）界面取值范圍：LOW_SPEED（低速小區指示），HIGH_SPEED（高速小區指示），ULTRA_HIGH_SPEED（超高速小區指示），EXTRA_HIGH_SPEED（極高速小區指示）；2）前導格式（Preamble Format）界面取值范圍：0～4；3）PRACH配置索引（Prach-Configuration Index）界面范圍：0～63；4）循環移位長度（NCS）通過零相關配置（zero Correlation Zone Config）體現，界面范圍：0～15；5）根序列索引（root Sequence Index）。

綜合研究的結果，在國內的高鐵場景中建議配置的PRACH參數如下：

（1）HighSpeedFlag配置ULTRA_HIGH_SPEED；

（2）PreambleFmt配置0；

（3）Prach-configindex配置6；

（4）ZeroCorrelationZoneConfig配置0（NCS=15）；

（5）RootSequenceIdx的配置范圍為24～815，每個小區規劃2個根序列。

在已運營的CML高鐵上試點驗證了本文提出的小區配置和PRACH參數設置，在配置前后6天的驗證中，切換成功率如圖2所示。該高鐵平均LTE切換成功率由98.01%提升到了99.07%，該高速鐵路PRACH設置取得了良好的實際應用效果。

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