5G NR隨機接入信號的規劃研究

張建國，韓春娜，楊東來（.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江杭州3005；.諾基亞上海貝爾股份有限公司，浙江杭州30053）

0 引言

5G NR的隨機接入過程與LTE類似，也包括隨機接入過程初始化、隨機接入資源選擇、隨機接入信號發射、隨機接入響應接收和競爭解決等步驟。其中隨機接入資源選擇包括選擇隨機接入信號的前導碼、初始發射功率、頻率等，隨機接入資源選擇直接影響了隨機接入的成功率。本文接下來主要分析隨機接入信號的規劃，包括與設計密切相關的PRACH前導格式規劃、Ncs規劃和根序列規劃。

1 隨機接入前導序列

隨機接入前導（random access preamble）序列由具有零相關區的Zadoff-Chu序列（ZC-ZCZ）產生，而ZCZCZ序列由1個或多個根Zadoff-Chu序列產生。隨機接入前導xu，v（n）根據式（1）和式（2）產生。

式中：

u——ZC序列的根序列（以下簡稱根序列），取值是0~837或0~137

LRA——ZC序列的長度，取值是839或139

Cv——ZC序列的循環移位（CS——Cyclic Shift），Cv的數值與限制集合類型、循環移位Ncs等有關

i——取值是0,1，…，LRA-1

ZC序列的長度不同，應用的頻率范圍（FR——Frequency Range）也不同，LRA=839應用于 FR1（450~6 000 MHz），隨機接入前導的子載波間隔ΔfRA是1.25 kHz或者5 kHz；LRA=139應用于FR1（450~6 000 MHz）和FR2（24 250~52 600 MHz），ΔfRA=15×2μkHz，其中μ∈{0,1,2,3}。本文只討論LRA=839這種情況。

圖1 PRACH前導格式

2 PRACH前導格式規劃

PRACH在時域上由CP（長度是TCP）、1個或多個隨機接入前導（單個隨機接入前導的長度是TSEQ）和保護時間（長度是TGT）3部分組成。CP的長度與時延擴展有關，長的CP允許更大的時延擴展，因此可以支持更大的小區半徑。單個隨機接入前導的長度TSEQ與隨機接入前導子載波間隔ΔfRA的關系為TSEQ×ΔfRA=1，總的序列長度影響基站對隨機接入前導的接收質量，更長的序列長度意味著基站能夠接收更多的能量，從而獲得更好的解調性能。保護時間內不發送任何信號，保護時間決定了小區的最大覆蓋半徑，即小區的最大覆蓋半徑=c×TGT/2，其中c=3×108m/s。

根據CP、隨機接入前導、保護時間以及ΔfRA的不同，PRACH前導格式分為4種，分別是格式0~3，如圖1所示。PRACH前導格式規劃即根據小區覆蓋半徑、應用場景等來選擇合適的PRACH前導格式。

PRACH前導格式0的長度是1 ms，CP、隨機接入前導、保護時間的長度分別是0.103、0.8、0.097 ms，子載波間隔ΔfRA=1.25 kHz，小區的最大覆蓋半徑是14.53 km。格式0適合于正常半徑的小區覆蓋，如市區、農村和郊區等環境。

PRACH前導格式1的長度是3 ms，CP、隨機接入前導、保護時間的長度分別是0.684、2×0.8=1.6、0.716 ms，子載波間隔ΔfRA=1.25 kHz，小區的最大覆蓋半徑是107.34 km。格式1的隨機接入前導重復2次，在較低的SINR下有較好的接收質量，且CP和保護時間最大，因此適合于大的小區半徑，如海面、沙漠等環境。

PRACH前導格式2的長度是4 ms，CP、隨機接入前導、保護時間的長度分別是0.153、4×0.8=3.2、0.647 ms，子載波間隔ΔfRA=1.25 kHz，小區的最大覆蓋半徑是97.11 km。格式2的隨機接入前導重復4次，在低的SINR下也有相對較好的接收質量，因此適合于時延擴展小、信號傳播損耗大的場景，如深度覆蓋等。

PRACH前導格式3的長度是1 ms，CP、隨機接入前導、保護時間的長度分別是0.103、4×0.2、0.097 ms，子載波間隔ΔfRA=5 kHz，小區的最大覆蓋半徑是14.53 km。格式3的子載波間隔較大，對多普勒頻移和相位噪聲不敏感，因此適合于高速場景。

3 Ncs規劃

5G NR的Ncs與隨機接入前導的子載波間隔、限制集合的類型有關，如表1所示。Ncs規劃即根據小區的最大覆蓋半徑、限制集合類型、PRACH前導格式等因素選擇合適的Ncs配置，以降低小區內隨機接入前導發生沖突的概率。

如果不考慮限制集合類型因素，根據小區的最大覆蓋半徑（假定小區的最大覆蓋半徑是3 km），確定Ncs配置的過程如下：

a）計算2個循環移位的最小間隔：3 km小區的最大環回時間是3 000/（3×108）×2=20 μs；假定定時誤差是 2 μs，多徑時延余量是 7 μs；安全余量是 7 μs，則 2個循環移位的最小間隔是20+2+7+7=36 μs。

b）計算Ncs的最小值

其中，LRA=839；當ΔfRA=1.25 kHz時，TSEQ=800 μs，當ΔfRA=5 kHz，TSEQ=200 μs。根據式（3），可以計算當ΔfRA=1.25 kHz時，Ncs的最小值=「36/800×839?=38；當ΔfRA=5 kHz時，Ncs的最小值=「36/200×839?=152。

c）查表獲得Ncs允許的配置：根據表1，可以看出當ΔfRA=1.25 kHz時，無限制集合、限制集合A和限制集合B允許的最小的Ncs分別是38、38、38，對應的Ncs配置分別是7、5、5。當ΔfRA=5 kHz時，無限制集合、限制集合A允許的最小的Ncs分別是209、152，對應的Ncs配置分別是13、11。

根據以上分析，可以得出以下2個結論：

a）在其他參數相同的條件下，小區的最大覆蓋半徑越大，Ncs也越大。

b）在其他參數相同的條件下，ΔfRA=5 kHz較ΔfRA=1.25 kHz需要更大的Ncs。

表1 Ncs的配置

4 根序列規劃

根據協議，每個PRACH都有64個隨機接入前導，這64個隨機接入前導首先由某個邏輯根序列索引（該序列索引通過高層參數PRACHRootSequenceIndex發送給UE）對應的根序列通過循環移位的方式得到，并按照可用循環移位Cv的大小進行升序排列，如果PRACHRootSequenceIndex對應的根序列無法產生64個隨機接入前導，則邏輯根序列索引加1，其對應的根序列繼續產生隨機接入前導，如果隨機接入前導還不到64個，則邏輯根序列索引繼續加1，直至多個連續的邏輯根序列索引對應的根序列產生64個隨機接入前導為止。

邏輯根序列索引與根序列u是一對一的映射關系，該映射關系見3GPP TS 38.211協議的表6.3.3.1-3，邏輯根序列索引0~4對應的根序列u分別是129、710、140、699、120。

根序列的規劃包括計算邏輯根序列索引的范圍和計算每個小區配置的根序列數量2個部分，主要是為相鄰小區配置不同的根序列，以便降低小區間隨機接入前導發生沖突的概率。由于隨機接入前導是通過根序列的循環移位獲得的，本文接下來不嚴格區分循環移位和隨機接入前導這2個概念。

4.1 邏輯根序列索引的范圍

邏輯根序列索引的范圍與限制集合類型有關。5G NR有無限制集合、限制集合A和限制集合B 3種類型，與LTE類似，無限制集合適用于UE移動速度慢的小區，限制集合A和B適用于UE移動速度快的小區。

對于無限制集合，邏輯根序列索引的范圍是0~837。

對于限制集合A或B，邏輯根序列索引的范圍與Ncs的配置有關，可以通過以下步驟計算限制集合A和B的邏輯根序列索引的范圍。

a）根據邏輯根序列索引，通過查找3GPP TS 36.211協議的表6.3.3.1-3得到根序列u，根據式（4）計算出q，q是滿足條件的最小非負整數。

b）根據q，通過式（5）計算出du。

c）對于限制集合A，如果du滿足式（6），則該邏輯根序列索引對應的根序列u有可用的隨機接入前導，如果du不滿足式（6），則該根序列u沒有可用的隨機接入前導。

d）對于限制集合B，如果du滿足式（7），則該邏輯根序列索引對應的根序列u有可用的隨機接入前導，如果du不滿足式（7），則該邏輯根序列索引對應的根序列u沒有可用的隨機接入前導。

以ΔfRA=1.25 kHz為例來演示限制集合A可用的邏輯根序列索引的計算過程。

假設Ncs的配置是0，則Ncs=15，假設邏輯根序列索引是0，查表可知邏輯根序列索引0對應的根序列u是129，滿足式（4）的q是826，根據式（5）計算du=13，du=13不滿足式（6），因此，邏輯根序列索引0對應的根序列129不能用于限制集合A。令邏輯根序列索引依次取值1~837，可以發現當邏輯根序列索引是1~23、820~837時，計算得到的du都不滿足式（6），當邏輯根序列索引是24~819時，計算得到的du均滿足式（6）。因此，當Ncs=15時，可用的邏輯根序列索引的范圍是24~819。

依次類推，可以計算當ΔfRA=1.25 kHz、Ncs配置是1~15時，限制集合A可用的邏輯根序列索引的范圍。同理，可以計算出當ΔfRA=5 kHz、Ncs配置是0~15時，限制集合A可用的邏輯根序列索引的范圍。

依次類推，可以計算當ΔfRA=1.25 kHz和ΔfRA=5 kHz，限制集合B可用的邏輯根序列索引的范圍，由于公式（7）中的du在Ncs和（LRA-Ncs）/2之間是不連續的，可用的邏輯根序列索引在0~837是不連續的，限于篇幅，本文不再給出限制集合B可用的邏輯根序列索引的范圍。無限制集合、限制集合A可用的邏輯根序列索引的范圍如表2所示。

根據表2，可以得出以下結論：對于限制集合A，隨著Ncs的增加，可用的邏輯根序列索引的數量逐漸減少，該結論對限制集合B同樣適用。

4.2 每個小區配置的根序列數量

由于每個小區的隨機接入前導是64個，通過表2獲得邏輯根序列索引的范圍后，還要計算出每個根序列產生的隨機接入前導數量，進而計算出每個小區需要配置的邏輯根序列索引的數量，以確保相鄰小區使用不同的隨機接入前導，降低小區間隨機接入前導發生沖突的概率。

計算每個根序列u產生的隨機接入前導數量的步驟如下。

a）對于無限制集合，循環移位Cv通過式（8）產生。

表2 無限制集合、限制集合A可用的邏輯根序列索引的范圍

其中，當Ncs≠0時，v=0,1，…，?LRA/Ncs」-1。根據式（8），可以計算出1個根序列u產生的循環移位有?LRA/Ncs」個。當Ncs=13時，可產生?839/13」=64個循環移位，每個小區只需要配置1個邏輯根序列索引即可獲得64個隨機接入前導。而當Ncs=59時，可產生?839/59」=14個循環移位，每個小區需要配置5個連續的邏輯根序列索引才能獲得64個隨機接入前導。

b）對于限制集合A，循環移位Cv通過式（9）產生。

假定Ncs=15，邏輯根序列索引176產生的循環移位共計有2×7=14個，Cv分別是0、15、30、45、60、75、90，341、356、371、386、401、416、434，Cv的組間間隔是251，Cv的組內間隔是15；邏輯根序列索引178產生的循環移位共計有1×6=6個，Cv分別是0、15、30、45、60、75，Cv的組內間隔是15；邏輯根序列索引182產生的循環移位共計有2×7=14個，Cv分別是0、15、30、45、60、75、90，321、336、351、366、381、396、411，Cv的組間間隔是231，Cv組內間隔是15。

假定Ncs=55，邏輯根序列索引176產生的循環移位共計有2×2=4個，Cv分別是0、55、346、401，Cv的組間間隔是291，Cv的組內間隔是55；邏輯根序列索引178產生的循環移位共計有2×1=2個，Cv分別是0、158，Cv的組間間隔是158；邏輯根序列索引182產生的循環移位共計有3×1=3個，Cv分別是0、257、514，Cv的組間間隔是257。

c）對于限制集合B，循環移位Cv通過式（10）獲得。

對于限制集合B，根序列u產生的循環移位分為3部分，第1部分有個組，每組有個循環移位，共計有個循環移位；第2部分有個循環移位；第3部分有個循環移位。需要注意的是，多數情況下，和都是 0，只有在（LRA+Ncs）/4≤du≤2LRA/7時，和才有可能都是非 0 的正整數。

假定Ncs=15，邏輯根序列索引364對應的根序列u是58，滿足式（4）的q是217，對應的du=217，產生的循環移位共有4×1+1+1=6個，第1部分有4個循環移位，Cv分別是0、44、88、132，Cv的組間間隔是44；第2部分有1個循環移位，Cv是364；第3部分有1個循環移位，Cv是 596。

假定Ncs=15，邏輯根序列索引329對應的根序列是614，滿足式（4）的q是220，對應的du=220，產生的循環移位共有3×2+0+0=6個，第1部分有6個循環移位，Cv分別是0、15，71、86，142、157，Cv的組間間隔是66，Cv的組內間隔是15；第2部分和第3部分產生的循環移位個數是0。

根據以上的分析，可以得出以下結論：

a）對于無限制集合、限制集合A和B，隨著Ncs的逐漸增大，每個根序列產生的循環移位逐漸減少，為了保證每個小區有64個隨機接入前導，需要的根序列的數量隨之逐漸增加。

b）對于無限制集合，如果Ncs相同，每個根序列u產生的循環移位的數量也相同。

c）如果Ncs相同或者接近，限制集合A和B產生的循環移位的數量明顯少于無限制集合，因此，對于限制集合A和B，每個小區需要分配更多的根序列以產生64個隨機接入前導。

d）對于限制集合A和B，循環移位Cv的組內間隔是Ncs，循環移位Cv的組間間隔明顯大于Ncs；另外，在其他參數相同的條件下，不同的根序列u產生的循環移位的數量并不相同。

根據結論c），在小區的最大覆蓋半徑相同的情況下，相對于無限制集合，限制集合A和B需要更多的根序列以保證每個小區有64個隨機接入前導，增加根序列后會導致實施的復雜性增加。為了減少復雜度，建議限制集合A和B選擇的Ncs，小于根據小區的最大覆蓋半徑計算得出的Ncs，由于Cv的組間間隔明顯大于Ncs，當UE選擇的循環移位不在同一個組時，即使Ncs較小，隨機接入前導也不會發生沖突。

5 結束語

根據前面的分析，可以發現隨機接入信號的PRACH前導格式、Ncs配置、邏輯根序列索引的范圍、每個小區配置的根序列數量這幾個參數是互相影響的，在規劃過程中，要根據實際的網絡結構，合理設置隨機接入信號的參數，既要降低小區內及小區間的隨機接入前導發生沖突的概率，又要盡量減少每個小區的根序列數量，以減少實施的復雜度。