TD-LTE網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼規(guī)劃分析

朱士棟，張建奎，郭寶

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

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼規(guī)劃分析

朱士棟1，張建奎2，郭寶3

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

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入是終端接入網(wǎng)絡(luò)的必經(jīng)過程，是用戶進(jìn)行初始連接、切換、連接重建立以及重新恢復(fù)上行同步的唯一策略，其失敗率會影響TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的接入性能。本文中重點介紹TD-LTE網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的精細(xì)規(guī)劃，以及隨著網(wǎng)絡(luò)割接調(diào)整而實施的前導(dǎo)碼自動規(guī)劃。

隨機(jī)接入；ZC根序列；接入性能

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入是終端接入網(wǎng)絡(luò)的必經(jīng)過程，是用戶進(jìn)行初始連接、切換、連接重建立，重新恢復(fù)上行同步的唯一策略，其失敗率會影響網(wǎng)絡(luò)的接入性能，在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中起著重要作用。在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)實際部署伊始即對隨機(jī)接入過程進(jìn)行精細(xì)化、自動化的分析和規(guī)劃，對于提升網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗有極大的意義。

隨機(jī)接入過程和確定性的上下行調(diào)度不同之處在于隨機(jī)性，首先，UE在隨機(jī)時刻選擇前導(dǎo)序列接入；其次接入的結(jié)果也具有隨機(jī)性，并不能保證100%的成功。競爭隨機(jī)接入是指eNB沒有為UE分配專用Preamble碼，而是由UE隨機(jī)翻Preamble碼并發(fā)起的隨機(jī)接入，這樣有可能導(dǎo)致多于一個的UE同時傳輸同一個前導(dǎo)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(qū)之間規(guī)劃不同的根序列可以有效消除隨機(jī)接入過程中的沖突。在TD-LTE隨機(jī)接入過程的參數(shù)規(guī)劃中，ZC根序列的規(guī)劃是最重要的一個參數(shù)。ZC根序列規(guī)劃通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為多個小區(qū)自動分配合理的前導(dǎo)索引，保證高速小區(qū)優(yōu)先分配檢測性能較好的前導(dǎo)序列，且相鄰小區(qū)分配不同前導(dǎo)序列以降低干擾。

1 TD-LTE隨機(jī)接入過程

當(dāng)用戶通過小區(qū)選擇找到合適的小區(qū)并接收到該小區(qū)足夠的廣播消息后，接下來將進(jìn)入到隨機(jī)接入過程，以獲得上行同步并完成空口連接。隨機(jī)接入過程如圖1所示，包括Msg1：發(fā)送 Preamble，Msg2：隨機(jī)接入響應(yīng)（包含接收到的 Preamble 序列、時間調(diào)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(jù)用戶的狀態(tài)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(nèi)容還有可能是RRC重建、切換確認(rèn)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(shù)包括Preamble初始目標(biāo)接收功率、調(diào)整步長、最大傳輸次數(shù)、Preamble格式，以及Msg3最大傳輸次數(shù)和隨機(jī)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(jī)接入過程的參數(shù)“NCS”均與小區(qū)半徑設(shè)置相關(guān)。

圖1 TD-LTE網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入流程

2 TD-LTE隨機(jī)接入相關(guān)參數(shù)

2.1 前導(dǎo)碼格式與小區(qū)覆蓋范圍

隨機(jī)接入信號是由CP（長度為TCP）、前導(dǎo)序列（長度為TSEQ）和GT (長度為TGT) 3個部分組成，前導(dǎo)序列與PRACH時隙長度的差為GT，用于對抗多徑干擾的保護(hù)，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(yīng)的往返時延，即小區(qū)覆蓋范圍越大，傳輸時延越長，需要的GT越大，為適應(yīng)不同的覆蓋要求，3GPP 36.211協(xié)議規(guī)定了5種格式的PRACH。

前導(dǎo)碼Preamble格式和小區(qū)覆蓋范圍的關(guān)系約束原則為：小區(qū)內(nèi)邊緣用戶的傳輸時延需要在GT內(nèi)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(guān)系為TCP＞TRTT+TDS，TGR＞TRTT，TCP為循環(huán)前綴CP的長度；TGT為保護(hù)間隔；TRTT為最大往返時間。

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

表1 前導(dǎo)碼格式與小區(qū)覆蓋范圍

具體可以敘述為：

Preamble格式 0：持續(xù)1 ms，序列長度800 us，適用于小、中型的小區(qū)，最大小區(qū)半徑14.53 km，此格式看滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋的多數(shù)場景。

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

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

Preamble 格式 3：持續(xù)3 ms，序列長度1 600 us，適用于超大型小區(qū)，最大小區(qū)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(xù)時間157.292 μs（ 2個OFDM符號的突發(fā)），適用于小型小區(qū)，小區(qū)半徑不大于1.4 km，一般應(yīng)用于短距離覆蓋，特別是密集市區(qū)、室內(nèi)覆蓋或熱點補(bǔ)充覆蓋等場景。它是對半徑較小的小區(qū)的一種優(yōu)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(tǒng)上行吞吐量，某種程度上也可以認(rèn)為有助于提高上行業(yè)務(wù)信道的覆蓋性能。

2.2 ZC根序列索引

小區(qū)可用的64個前導(dǎo)集合是由一個或多個根Zadoff-Chu序列（簡稱ZC序列）進(jìn)行循環(huán)移位產(chǎn)生的，小區(qū)使用的根序列的起始根序列的邏輯序號由本參數(shù)進(jìn)行配置，在系統(tǒng)信息中進(jìn)行廣播。

系統(tǒng)共使用838個ZC序列作為前導(dǎo)的物理根序列，協(xié)議中根據(jù)高速模式下各個物理根序列u所支持的最大的Ncs-max進(jìn)行了分組，使得同一組內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，比PAPR更準(zhǔn)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(xù)的根序列CM值始終接近，可以實現(xiàn)一致的小區(qū)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(jù)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(qū)覆蓋因此低CM值的根序列優(yōu)先使用。

當(dāng)前導(dǎo)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(guān)系，但為了較好的小區(qū)覆蓋性能，最好選擇邏輯序號在0～455之間的根序列。

當(dāng)前導(dǎo)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(qū)之間的干擾，建議相鄰小區(qū)之間的根序列配置和使用都不相同，即1個小區(qū)在使用多個根序列生成64個前導(dǎo)碼的情況下，其相鄰小區(qū)應(yīng)避開其他小區(qū)使用的根序列。

2.3 前導(dǎo)碼所需的根序列

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

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

表2 產(chǎn)生64個前導(dǎo)非限制集需要的根序列個數(shù)

3 前導(dǎo)碼自動規(guī)劃

通過對于TD-LTE的研究及仿真可知，前導(dǎo)碼規(guī)劃受到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、鄰區(qū)及接入速率等多重因素影響，采用人工手段進(jìn)行規(guī)劃，效果較差且工作量巨大。如果網(wǎng)絡(luò)割接調(diào)整較多，伴隨部分入網(wǎng)基站，人工規(guī)劃前導(dǎo)碼基本是不可行的。在TD-LTE基站大規(guī)模建設(shè)入網(wǎng)期間，需要開發(fā)一個精細(xì)規(guī)劃分析平臺，實現(xiàn)對隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的自動化和精細(xì)化的規(guī)劃，提高網(wǎng)絡(luò)接通率，為建設(shè)高水平的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)奠定堅實的基礎(chǔ)。

TD-LTE隨機(jī)接入前導(dǎo)碼規(guī)劃包含3個模塊：鄰區(qū)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(guān)系如圖2所示。

前導(dǎo)碼規(guī)劃主要步驟為：

通過對于掃頻數(shù)據(jù)等的分析，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃，自動實現(xiàn)PRACH的規(guī)劃，提升工作效率和網(wǎng)絡(luò)性能，實現(xiàn)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的自動化規(guī)劃；

根據(jù)規(guī)劃場景的不同(如小區(qū)半徑、鏈路預(yù)算等)，實現(xiàn)協(xié)議支持的5種物理隨機(jī)接入信號格式的規(guī)劃。

圖2 TD-LTE隨機(jī)接入前導(dǎo)碼規(guī)劃流程

4 總結(jié)及下一步方向

TD-LTE隨機(jī)接入前導(dǎo)碼規(guī)劃需要考慮鄰區(qū)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、覆蓋半徑等多重因素，在TD-LTE基站大規(guī)模建設(shè)入網(wǎng)期間，需要開發(fā)一個精細(xì)規(guī)劃分析平臺，實現(xiàn)對隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的自動化和精細(xì)化的規(guī)劃。通過ZC根序列自動規(guī)劃，將網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為多個小區(qū)自動分配合理的前導(dǎo)索引，保證高速小區(qū)優(yōu)先分配檢測性能較好的前導(dǎo)序列，且相鄰小區(qū)分配不同前導(dǎo)序列以降低干擾，提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能。最后，結(jié)合掃頻數(shù)據(jù)與容量規(guī)劃，實現(xiàn)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的自動規(guī)劃，提升工作效率和網(wǎng)絡(luò)性能。

[1] 李世鶴. TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：人民郵電出版社，2003.

[2] 李小文，李貴勇. TD-SCDMA第三代移動系統(tǒng)、信令及實現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社, 2003.

[3] 王晉, 王安義. LTE上行隨機(jī)接入技術(shù)研究[J]. 科技廣場, 2009(05).

[4] 谷向陽, 李貴勇. TD-LTE隨機(jī)接入過程的研究與分析[J]. 光通信研究, 2010(04).

[5] 趙彬言. TD-LTE系統(tǒng)隨機(jī)接入處理的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 北京郵電大學(xué), 2011.

[6] 賈鈐彭. TD-LTE基站側(cè)隨機(jī)接入技術(shù)研究及DSP實現(xiàn)[D]. 電子科技大學(xué), 2010.

[7] 鄭金金. LTE系統(tǒng)上行鏈路隨機(jī)接入的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 北京郵電大學(xué), 2011.

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