LTE系統(tǒng)中PRACH信道覆蓋性能分析

吳 松

（北京新郵通通信設(shè)備有限公司 北京100035）

1 引言

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，定時(shí)同步是UE和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行正常數(shù)據(jù)通信的前提，對(duì)于LTE系統(tǒng)，UE可以利用隨機(jī)接入過(guò)程，通過(guò)發(fā)送PRACH Preamble來(lái)獲取上行定時(shí)同步。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)UE處于如下幾種狀態(tài)時(shí)，需要通過(guò)發(fā)送PRACH Preamble來(lái)獲取上行定時(shí)同步：

·UE處于RRC_IDLE狀態(tài)，需要進(jìn)入RRC_CONNECTED狀態(tài)時(shí)；

·UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)，有上行或下行數(shù)據(jù)到達(dá)，而上行處于“失步”狀態(tài)時(shí)；

·UE需要進(jìn)行切換時(shí)；

·UE無(wú)線(xiàn)鏈路失敗后進(jìn)行RRC鏈接重建立過(guò)程時(shí)。

可以看到，PRACH信道在LTE系統(tǒng)中是一個(gè)極其重要的公共信道，使用非常頻繁，如何設(shè)計(jì)一個(gè)合理的PRACH信道，對(duì)于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能，顯得尤為重要。根據(jù)3GPP需求，LTE系統(tǒng)的最大覆蓋半徑不少于100 km，考慮到實(shí)際組網(wǎng)時(shí)大部分場(chǎng)景的小區(qū)覆蓋半徑一般遠(yuǎn)小于100 km，為了降低PRACH信道的資源開(kāi)銷(xiāo)，在3GPP R8規(guī)范中，針對(duì)LTE FDD和TD-LTE，設(shè)計(jì)了多種PRACH Preamble格式，以滿(mǎn)足不同的小區(qū)覆蓋半徑需求。其中 Preamble格式類(lèi)型 0、1、2、3（Preamble Format 0、1、2、3）為L(zhǎng)TE FDD和TD-LTE通用，而針對(duì)TD-LTE特殊的幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了 Preamble格式類(lèi)型 4（Preamble Format 4），用于小區(qū)半徑較小時(shí)的熱點(diǎn)覆蓋。

本文針對(duì)3GPP R8規(guī)范中提出的5種PRACH Preamble格式，結(jié)合Preamble的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鏈路預(yù)算，分析不同Preamble格式的覆蓋性能。

2 PRACH信道設(shè)計(jì)及理論覆蓋半徑

LTE中PRACH Preamble仍然可以看成是一個(gè)OFDM符號(hào)，包括循環(huán)前綴（CP）和序列兩部分，CP的作用與正常的OFDM符號(hào)中CP的作用相同，可以抗多徑時(shí)延擴(kuò)展，最大限度地消除載波間干擾（ICI）和符號(hào)間干擾（ISI）。同時(shí)，為了保證處于小區(qū)邊緣的UE發(fā)送的Preamble能在允許的時(shí)間點(diǎn)內(nèi)達(dá)到基站，需要考慮小區(qū)邊緣UE到基站的最大傳播時(shí)延的影響，因此在PRACH所在的子幀，必須預(yù)留一定長(zhǎng)度的保護(hù)時(shí)間（guard time，GT）。PRACH Preamble的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2以幀結(jié)構(gòu)類(lèi)型2為例，給出了5種Preamble格式的時(shí)域結(jié)構(gòu)。PRACH信道各個(gè)參數(shù)TCP、TSEQ和TGT的選取，與PRACH信道支持的小區(qū)覆蓋半徑相關(guān)，影響各個(gè)參數(shù)具體取值的因素主要包括：環(huán)回時(shí)延（round trip delay，RTD）、能容忍的時(shí)延擴(kuò)展以及Preamble序列的檢測(cè)性能。

LTE系統(tǒng)中 PRACH Preamble采用 Zadoff-CHU（ZC）序列。通過(guò)綜合考慮Preamble序列的誤檢率要求、可用的Preamble數(shù)目及最小化Preamble與其他信道間干擾等幾個(gè)因素，3GPP R8規(guī)范中針對(duì)Preamble Format 0和1，選取的Preamble序列長(zhǎng)度TSEQ為800 μs，而為了進(jìn)一步提升小區(qū)邊緣UE發(fā)送的Preamble的檢測(cè)性能，針對(duì)Preamble Format 2和3，通過(guò)將800 μs序列重復(fù)的方式，使這兩種格式的Preamble序列長(zhǎng)度為1 600 μs。

循環(huán)前綴長(zhǎng)度TCP的選取，主要考慮系統(tǒng)容忍的時(shí)延擴(kuò)展和RTD這兩個(gè)因素，而GT長(zhǎng)度，一般等于RTD。對(duì)于Preamble Format 0和2，CP長(zhǎng)度所能容忍的時(shí)延擴(kuò)展基本與PUSCH符號(hào)的CP能容忍的時(shí)延擴(kuò)展相同，取5.2 μs，而對(duì)于Preamble Format 1和3，其CP長(zhǎng)度能容忍的時(shí)延擴(kuò)展取16.67 μs，即使覆蓋半徑達(dá)到100 km，也能滿(mǎn)足時(shí)延擴(kuò)展的需求。對(duì)于RTD，與小區(qū)覆蓋半徑R相關(guān)，具體可根據(jù)公式 RTD（μs）=2×R（m）/300（m/μs）計(jì)算。

表1給出了目前3GPP R8規(guī)范中定義的5種Preamble格式的CP長(zhǎng)度、序列長(zhǎng)度和保護(hù)時(shí)間長(zhǎng)度的定義，根據(jù)每種Preamble格式的GT長(zhǎng)度，采用公式R=GT（μs）×0.3（km）/2計(jì)算出不同 GT長(zhǎng)度下支持的小區(qū)覆蓋半徑（其中每個(gè)樣點(diǎn)的周期TS=1/37.2=0.02688 μs）。

表1 Preamble參數(shù)取值

從表1可以看出，覆蓋半徑最大的Preamble Format 3，理論覆蓋半徑超過(guò)了100 km。而Preamble Format 4由于整個(gè)序列長(zhǎng)度較短，支持的理論覆蓋半徑約為1.41 km。由于Preamble Format 4充分利用了TD-LTE幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，映射在UpPTS時(shí)隙，只占用較少的資源，所以在熱點(diǎn)覆蓋時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。

3 PRACH信道帶寬及頻域映射

根據(jù)3GPP R8規(guī)范定義，每個(gè)PRACH信道分配的帶寬為6個(gè)物理資源塊（PRB），即1.08 MHz。為了盡可能保證PRACH信道與相鄰PUSCH信道子載波的正交性，降低PUSCH對(duì) PRACH的干擾，對(duì)于 Preamble Format 0、1、2、3，采用的子載波間隔ΔfRA=1.25 kHz，1.08 MHz的帶寬對(duì)應(yīng)的子載波數(shù)為 864，而 Preamble Format 0、1、2、3 實(shí)際采用的Zadoff-Chu序列長(zhǎng)度為839，還剩余864－839=25個(gè)子載波可用于PRACH信道兩端的保護(hù)頻帶，因此對(duì)于Preamble Format 0、1、2、3，實(shí)際占用的頻帶寬度為 839×1.25 kHz=1.04875 MHz。對(duì)于 Preamble Format 4，采用的子載波間隔ΔfRA=7.5 kHz，1.08 MHz的帶寬對(duì)應(yīng)的子載波數(shù)為144，而Preamble Format 4實(shí)際采用的Zadoff-Chu序列長(zhǎng)度為139，還剩余144－139=5個(gè)子載波可用于PRACH信道兩端的保護(hù)頻帶，因此對(duì)于Preamble Format 4，實(shí)際占用的頻帶寬度為 139×7.5 kHz=1.0425 MHz。圖 3為Preamble Format 0、1、2、3 在 頻 域的映射示 意 ，圖 4 為Preamble Format 4在頻域的映射示意，SCRA表示隨機(jī)接入的子信道。

4 PRACH鏈路預(yù)算分析

從§2可以看到，不同的Preamble格式，支持的理論覆蓋半徑不同。在進(jìn)行真實(shí)網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，各種Preamble格式的實(shí)際覆蓋性能，還與具體的覆蓋場(chǎng)景、系統(tǒng)配置和終端能力等級(jí)等關(guān)系很大，下面針對(duì)普通城區(qū)覆蓋場(chǎng)景，UE單天線(xiàn)發(fā)基站兩天線(xiàn)接收配置下，通過(guò)鏈路預(yù)算，分析每一種Preamble格式支持的覆蓋距離。

（1）鏈路參數(shù)說(shuō)明

①發(fā)送端

·單天線(xiàn)最大發(fā)射功率：上行方向，根據(jù)3GPP TS36.101定義，終端發(fā)送功率取23 dBm。

· 發(fā)射天線(xiàn)數(shù)：上行方向，終端采用單天線(xiàn)發(fā)送。

· 發(fā)射天線(xiàn)饋線(xiàn)、接頭和合路器損耗：上行方向，通常情況下天線(xiàn)損耗很小，一般認(rèn)為和終端的天線(xiàn)增益抵消，所以取值為0 dB。

· 發(fā)射天線(xiàn)增益：上行方向，一般認(rèn)為天線(xiàn)增益抵消接頭等損耗，取值為0 dBi。

· 人體損耗：上行方向，對(duì)于語(yǔ)音業(yè)務(wù)移動(dòng)臺(tái)，一般取2～3 dB；對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)移動(dòng)臺(tái)，可以不考慮人體損耗影響，即取值為0 dB。

· 等效全向輻射功率（EIRP）：EIRP＝用戶(hù)多天線(xiàn)最大發(fā)射功率＋發(fā)射天線(xiàn)增益－發(fā)射天線(xiàn)饋線(xiàn)、接頭和合路器損耗－人體損耗。

②接收端

· 接收天線(xiàn)增益：上行方向，定向天線(xiàn)的增益為15 dBi。

· 接收天線(xiàn)饋線(xiàn)和接頭損耗：上行方向，發(fā)射天線(xiàn)饋線(xiàn)、接頭和合路器損耗，一般小于1 dB，這里取0.6 dB。

· 接收天線(xiàn)分集增益：上行方向，在LTE鏈路仿真中，已經(jīng)將接收分集增益考慮在解調(diào)信噪比要求中。

· 人體損耗：上行方向，基站端為0 dB。

· 熱噪聲密度：－174 dBm/Hz。

· 噪聲系數(shù)：上行方向，基站一般取5dB。

· 目標(biāo)SNR：通過(guò)鏈路仿真獲得不同信道的BLER和SNR的關(guān)系。

· 接收機(jī)靈敏度：接收機(jī)靈敏度＝熱噪聲密度＋10 lg（帶寬）＋噪聲系數(shù)＋目標(biāo)SNR。

· 干擾儲(chǔ)備：取值一般需要通過(guò)干擾儲(chǔ)備仿真獲得。

· 快衰落儲(chǔ)備：在移動(dòng)傳播環(huán)境中，接收信號(hào)功率經(jīng)過(guò)閉環(huán)快速功控將能夠有效補(bǔ)償快衰落造成的信號(hào)衰落，特別是對(duì)于慢速移動(dòng)的用戶(hù)。在實(shí)際環(huán)境中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)位于小區(qū)邊界并受快衰落影響時(shí)，由于受最大發(fā)射功率的限制，移動(dòng)臺(tái)或基站無(wú)法通過(guò)功率控制來(lái)克服快衰落，此時(shí)就會(huì)使解調(diào)性能惡化。因此，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要在鏈路預(yù)算中增加快衰落儲(chǔ)備。一般可以對(duì)慢速移動(dòng)用戶(hù)取2～5 dB，快速移動(dòng)用戶(hù)取0 dB。對(duì)于 LTE中PRACH，快衰落儲(chǔ)備取0 dB。

· 最小接收電平：最小接收電平＝接收機(jī)靈敏度－接收端總增益＋干擾儲(chǔ)備＋快衰落儲(chǔ)備。

表2 普通城區(qū)各種Preamble格式鏈路預(yù)算

·室外傳播模型：采用3GPP TS36.942建議的Macro-urban 模型 L=40·（1-4·10-3·Dhb）·lg(R)-18·lg（Dhb）+21·lg（f）+80 dB，其 中 R（km）為 基 站 與UE 間距離，f（MHz）為載波頻率 ，Dhb（m）為基站天線(xiàn)高度，按高于平均房頂高度測(cè)量，模型中f取2 000 MHz，Dhb取 15 m，整理為斜截表達(dá)式：L=128.1+37.6lg（R）。

· 邊緣通信概率：影響到陰影儲(chǔ)備的取值，一般根據(jù)不同需要取75%～95%，網(wǎng)絡(luò)部署初期可取75%。

· 陰影儲(chǔ)備：為了保證小區(qū)邊緣一定的覆蓋概率，在鏈路預(yù)算中，必須預(yù)留出一部分余量即陰影儲(chǔ)備，以克服陰影衰落對(duì)信號(hào)的影響。

· 穿透損耗：當(dāng)使用室外宏蜂窩進(jìn)行室內(nèi)覆蓋時(shí)，需要在鏈路預(yù)算中考慮建筑物穿透損耗。該參數(shù)屬于傳播相關(guān)參數(shù)，其具體取值隨建筑物的結(jié)構(gòu)材料、建筑布局、用戶(hù)在建筑物內(nèi)的位置、與基站的接近程度和方向而變化，范圍一般在5～40 dB，普通城區(qū)可取18 dB。

（2）鏈路預(yù)算結(jié)果

普通城區(qū)覆蓋場(chǎng)景下初步的鏈路預(yù)算結(jié)果如表2所示，從各種Preamble格式鏈路預(yù)算結(jié)果可以看出，受終端發(fā)送功率、信道傳播模型等影響，各種Preamble格式的實(shí)際覆蓋半徑，與理論覆蓋半徑差別較大。對(duì)于覆蓋距離最小的Preamble Format 4，室外覆蓋半徑約1.15 km，室內(nèi)覆蓋半徑約0.9 km，基本可以滿(mǎn)足熱點(diǎn)城區(qū)大部分場(chǎng)景的覆蓋性能要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以普通城區(qū)覆蓋場(chǎng)景為例，給出了各種Preamble格式的鏈路預(yù)算分析，其他覆蓋場(chǎng)景和配置下各種PRACH Preamble格式的鏈路預(yù)算結(jié)果，很容易通過(guò)仿真和分析獲得。PRACH信道的實(shí)際覆蓋性能，與網(wǎng)絡(luò)部署的覆蓋場(chǎng)景、傳播模型、eNB和UE的收發(fā)天線(xiàn)配置、UE的發(fā)送功率等級(jí)等因素密切關(guān)聯(lián)，其實(shí)際的覆蓋性能有待于進(jìn)一步通過(guò)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。

1 3GPP TS36.211 V870.Physical channels and modulation

2 3GPP TS36.942 V820.Radio frequency(RF)system scenarios

3 3GPP TS36.104 V860.Base station (BS)radio transmission and reception

4 3GPP TS36.101 V860.User equipment(UE)radio transmission and reception