NB—IoT系統物理隨機接入信道設計

劉錕+戴博+楊維維

提出了兩種用于窄帶物聯網（NB-IoT）終端接入網絡的物理隨機接入信道（PRACH）的設計方案，包括多子載波PRACH方案和單子載波PRACH方案。多子載波 PRACH方案遵循長期演進（LTE）PRACH的設計原理，在PRACH帶寬、子載波間隔以及Zadoff-Chu （ZC）序列的選取方面進行了重新設計，用以滿足NB-IoT系統隨機接入的需求；單子載波PRACH方案將終端全部功率集中在一個子載波上，可以提供更高的功率譜密度，更適合惡劣的無線信道環境下終端接入需求。從單子載波PRACH檢測性能著手，結合仿真驗證，給出滿足NB-IoT系統隨機接入的需求的單子載波PRACH設計方案。

NB-IoT；PRACH；單子載波；多子載波

Two kinds of narrowband Internet of things （NB-IoT） physical random access channel （PRACH） design schemes are proposed in this paper， including multi-tone PRACH and single-tone PRACH. Multi-tone PRACH scheme follows long term evolution （LTE） PRACH design principle， and PRACH bandwidth， subcarrier spacing and the selection of Zadoff-Chu （ZC） sequence are redesigned to meet the requirements of random access in NB-IoT system. Single-tone PRACH with Tx power concentrated in a single subcarrier can provide higher power spectral density and is more suitable for terminal in harsh wireless channel environment. In this paper， a single-tone PRACH design scheme which is meet the requirements of random access in NB-IoT system is given based on the analysis and simulation verification of PRACH detection performance.

NB-IoT； PRACH； single-tone； multi-tone

隨著通信以及互聯網技術的不斷發展，移動通信正在從人到人（H2H）向人到機器（H2M）以及機器到機器（M2M）通信的方向轉變，萬物互聯成為移動通信發展的必然趨勢。以車聯網、智慧城市、智慧醫療、智能家居等為代表的物聯網應用將產生海量連接，為了實現這一切則需要有一個無處不在的網絡，運營商網絡是全球覆蓋最為廣泛的網絡，在接入能力上有獨特的優勢，但是考慮到物聯網產生的連接數量遠遠超過H2H通信需求，當前的4G網絡在連接能力上明顯不足，因此有必要根據物聯網業務特征和移動通信網絡特點，研究以適應蓬勃發展的物聯網業務需求的接入系統。業界上有許多物聯網的技術以及相關標準被不斷提出[1-3]，窄帶物聯網（NB-IoT）[4]是物聯網領域一個新興的技術，占用了200 kHz帶寬，且具備四大特點：廣覆蓋，將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20 dB；具備支持海量連接的能力，支持低延時敏感度和優化的網絡架構；更低功耗，NB-IoT終端使用AA電池便待機時間可長達10年；更低的模塊成本。

針對NB-IoT系統，為了能夠支持廣覆蓋以及海量連接能力，接入信道的設計則顯得尤為重要。物理隨機接入信道（PRACH）[5]是4G長期演進（LTE）網絡承擔終端接入系統的重要信道，用于寬帶無線系統的終端接入需求，因此無法直接用于NB-IoT系統。文章中，我們結合NB-IoT系統的特點，提出了兩種用于NB-IoT終端接入網絡的隨機接入信道的設計方案，包括多子載波PRACH方案以及單子載波PRACH方案，可以有效地支持NB-IoT系統內終端的接入需求。

1 多子載波PRACH方案

多子載波PRACH方案以LTE PRACH結構作為設計基礎，在頻域上配置一段頻帶作為前導帶寬，時域上由循環前綴（CP）、前導序列以及保護時間（GT）組成，其中前導序列可以根據需求重復多次發送。

考慮到NB-IoT系統的應用場景主要是低速移動或靜止的，我們選取LTE系統中適用中低速度場景的PRACH前導作為NB-IoT多子載波PRACH的設計基礎。前導序列使用的Zadoff-Chu（ZC）序列[6-7][xu，v（n）]按照式（1）生成：

[xu，v（n）=xu（（n+Cv）modNZC）] （1）

其中，

·[xun]為ZC根序列，按照式（2）生成，u是根序列的索引，[NZC]是ZC序列的長度

[xun=e-jπun（n+1）NZC，0≤n≤NZC-1] （2）

·

其中，[NZC]是ZC序列的長度，[NCS]即為循環移位的大小。

PRACH前導時域信號生成及檢測流程如圖1所示，其中，[yu，v（n）]可以理解為[xu，v（n）]的一條循環移位序列，[yu，v（n）=xu，v（n-τ）]。由于ZC序列屬于恒包絡零自相關（CAZAC）序列[6]，所以[xu，v（n）]與[yu，v（n）]滿足式（3）：

[Corr（xu，v（n），yu，v（n））=0] （3）

式（3）為計算[xu，v（n）]與[yu，v（n）]之間的互相關值，且滿足[Corr（xu，v（n），yu，v（n））=0]的[τ]最小取值為1，即只要[xu，v（n）]與[yu，v（n）]不同，就會滿足[Corr（xu，v（n），yu，v（n））=0]。

但是考慮到[xu，v（n）]在轉換到[x（t）]時，等同于經過了N2/Nzc倍的過采樣操作，接收端在恢復[yu，v（n）]時，同樣需要經過N2 /Nzc倍的降采樣操作，這樣就會導致并不是任意的往返時延（RTD）都會使得[Corr（xu，v（n），yu，v（n））=0]，滿足[Corr（xu，v（n），yu，v（n））=0]的最小RTD為1/[ΔfRANZC]，其中，[ΔfRA]為PRACH子載波間隔。

因此，為了能夠提高基站檢測出[yu，v（n）]的精準度，1/[ΔfRANZC]取值越小越好，并且由于[ΔfRANZC]近似等于PRACH信道帶寬，也就是說PRACH信道配置的帶寬越大，基站的前導檢測精準度越高。NB-IoT系統帶寬為180 kHz，則[ΔfRANZC]最大配置也就是180 kHz。因此，針對多子載波PRACH，我們給出180 kHz帶寬的PRACH設計方案。

圖2中為多子載波PRACH的頻域結構示意圖，PRACH頻域總共占用了180 kHz帶寬，子載波之間的間隔為1 250 Hz，前導序列基于ZC序列生成，ZC序列長度為139，PRACH頻域帶寬的前后分別預留3.75 kHz和2.5 kHz的保護帶寬。

由于下行頻偏估計的偏差以及多普勒頻移等造成前導發送時的實際頻率會與配置的頻率產生一定的偏差，導致前導發送時出現相位旋轉的問題。當前導發送時間過長，相位旋轉會變得很大，進而接收端相干檢測時會產生大量的誤檢，影響前導的檢測精準度。以頻率偏差=[-50 Hz，50 Hz]為例，經過仿真評估，為了保證前導的檢測性能，前導的時域長度不要超過4 ms。

按照上述分析，前導的時域結構如圖3所示。其中，CP和GT的長度為0.3 ms，可以支持45 km的小區覆蓋；前導序列長度為0.8 ms，并且重復3次發送。

前導誤檢概率和正確檢測概率如表1所示，具體仿真配置參考文獻[8]。其中仿真配置中最小耦合損耗（MCL）為144 dB，對應NB-IoT系統非覆蓋增強需求的最大MCL取值。

考慮到NB-IoT需要提供更廣的覆蓋以及更優的室內覆蓋性能，因此前導如需要在更惡劣的無線信道環境下工作，則前導的檢測性能需要進一步的提升。例如，在前導的基礎上支持多次重復發送實現前導檢測性能的提升。

2 單子載波PRACH方案

相比于多子載波PRACH方案，單子載波PRACH方案[10-13]頻域上僅占用1個子載波，終端可以將全部功率集中在這個子載波上，可以提供更高的功率譜密度，更適合惡劣的無線信道環境下終端接入需求。本節中，我們給出了兩種單子載波PRACH設計方案。

2.1 第1種前導結構

由于單子載波PRACH的頻率上只支持1個子載波，那么前導序列只能在時域上設計，例如，前導序列為長度為N的ZC序列x（n），且將x（n）配置在時域上連續N個正交頻分復用（OFDM）符號上發送。

前導設計時需要遵循以下原則：

（1）同多子載波PRACH的分析一樣，單子載波PRACH同樣也需要考慮頻率偏差造成的相位旋轉對前導性能檢測的影響，因此前導時域長度不建議超過4 ms。

（2）由于單子載波PRACH的頻率帶寬非常小，僅為1個子載波間隔，頻率上容易受到頻率選擇性衰落的影響，造成前導檢測性能下降。因此，前導發送時需要支持頻率跳頻，獲得理想的頻率分級增益，進而抑制頻率選擇性衰落的影響。

（3）PRACH子載波間隔在允許的范圍內需要盡量大一些，這樣可以保證在相同的時域周期內序列x（n）的長度更長，可以獲得更好的自相關性和更低的互相關性。

基于上述原則，我們給出前導的具體結構，如圖4所示，前導長度為4 ms，子載波間隔為15 kHz，OFDM符號長度為66.7 us。前導序列由2個符號組組成：1個符號組包括長度為4個OFDM符號的CP以及長度為23的ZC序列，另1個符號組配置的子載波間隔150 kHz，GT長度是4個OFDM符號。

前導誤檢概率和正確檢測概率如表2所示，其中，具體仿真配置見參考文獻[11]，仿真中配置的MCL=144 dB，對應NB-IoT非覆蓋增強需求的最大MCL取值。

考慮到NB-IoT需要支持更廣的覆蓋以及改進室內覆蓋性能的需求，因此前導需要能夠在更惡劣的無線信道環境（例如MCL大于144 dB）中工作，前導的檢測性能需要更進一步的提升，例如通過支持多次重復發送實現前導檢測性能的提升。

前導結構可以支持前導的碼分復用，進而提升PRACH信道容量。但是由于頻域上不同的PRACH信道之間不能保證正交性，因此需要配置保護帶寬用來抑制PRACH信道之間的干擾。由于單子載波PRACH的有效帶寬僅為1個子載波，保護帶寬相比于PRACH有效帶寬開銷過大，會對PRACH信道容量會有影響。

2.2 第2種前導結構

由于第1種前導結構需要配置保護帶寬，且保護帶寬相對于PRACH占用的帶寬（1個子載波間隔）來說，開銷過大。因此，我們提出了一種不需要配置保護帶寬的單子載波PRACH結構，如圖5所示，前導子載波間隔為3.75 kHz，且默認配置支持跳頻。前導發送的最基本單位是4個符號組，包括1個CP以及5個符號，且5個符號上發送的信號相同，因此可以保證頻域上配置多個PRACH信道時，不同的PRACH前導之間可以基本保證是正交的，即無需在PRACH信道之間配置保護帶寬。每個符號組發送時占用的子載波相同，且符號組之間配置兩個等級的跳頻間隔，第1和第2個符號組之間、第3和第4個符號組之間配置第1等級的跳頻間隔FH1=3.75 kHz；第2和第3個符號組之間配置第2等級的跳頻間隔FH2=22.5 kHz。

表3中是在不同的定時提前量（TA）正確檢測范圍下前導正確檢測概率的統計結果。其中，具體仿真配置參考文獻[11]，仿真中配置的MCL=144 dB，對應NB-IoT非覆蓋增強需求的最大MCL取值。從表3中我們可以看到：為了使第2種前導結構可以正常工作，就需要放松TA正確檢測范圍的規定，如從[-2.08 us， +2.08 us]放松到[-4.16 us， +4.16 us]，此時，前導正確檢測概率可以從54.38%提升到91.01%。

2.3 方案比較

（1）前導正確檢測性能

從2.1和2.2節中的仿真結果可以看到：第1種前導結構的正確檢測精準度要優于第2種前導結構，主要的原因是第1種前導結構的前導序列是基于時域ZC序列生成的，ZC序列本身具有良好的自相關性以及很低的互相關性；第2種前導結構的前導序列則是簡單的時域重復發送的信號（例如配置每個符號發送的都是“1”），這樣的前導序列是無法保證良好的自相關性以及很低的互相關性的。

（2）PRACH信道容量

第1種前導結構由于前導序列為ZC序列，因此可以支持前導的碼分復用，進而提升PRACH信道容量。但是由于頻域上不同的PRACH信道之間不能保證正交性，因此需要配置保護帶寬用來抑制PRACH信道之間的干擾，由于PRACH的有效帶寬僅為1個子載波，保護帶寬相比于PRACH有效帶寬開銷過大，因此第1種前導結構會對PRACH信道容量造成較大的影響。

第2種前導結構，由于前導序列在各個OFDM符號上發送的信號都是相同的，因此可以保證頻域上配置多條PRACH信道時，PRACH信道之間的正交性，即無需在PRACH信道之間配置保護帶寬。同時，也由于這樣的配置導致前導無法支持碼分復用，在PRACH信道容量會有一定的限制。

3 NB-IoT標準中PRACH

方案

NB-IoT的研究和標準化工作在第3代合作伙伴計劃（3GPP）標準組織進行，NB-IoT WI于2015年9月RAN #69次會議正式立項[14]，考慮到NB-IoT終端中存在僅僅支持單子載波發送的終端，為了支持統一的PRACH方案，在3GPP RAN1 #84會議中單子載波PRACH被建議為唯一的NB-IoT PRACH方案[15]，并且在3GPP RAN1 #84b會議中第2種前導結構最終被NB-IoT標準采納[16]。

4 結束語

單子載波PRACH方案中第1種前導結構具有良好的前導檢測性能，且可以支持碼分復用，提高PRACH容量，支持更多的終端同時發起接入請求，但是由于頻域上相鄰的PRACH信道之間無法保證正交性，因此需要配置保護帶寬，進而嚴重影響PRACH信道的使用。在后續的接入技術研究中，考慮通過設計一種窄帶濾波器，將其作用到第1種前導結構上，進而降低這種前導結構對于相鄰子載波的干擾，達到降低配置保護帶寬的目的。與此同時，再結合這種前導結構的碼分復用特性，就可以提高NB-IoT系統的PRACH容量，滿足NB-IoT系統未來發展接入的需求。

參考文獻

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[15] Final_Minutes_report_RAN1#84_V200[S]. 3GPP，2016

[16] Final_Minutes_report_RAN1#84bis_V100[S]. 3GPP， 2016