NB—IoT系統(tǒng)物理隨機接入信道設(shè)計

劉錕+戴博+楊維維

提出了兩種用于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）終端接入網(wǎng)絡(luò)的物理隨機接入信道（PRACH）的設(shè)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(shè)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(shè)計，用以滿足NB-IoT系統(tǒng)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(huán)境下終端接入需求。從單子載波PRACH檢測性能著手，結(jié)合仿真驗證，給出滿足NB-IoT系統(tǒng)隨機接入的需求的單子載波PRACH設(shè)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)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(zhuǎn)變，萬物互聯(lián)成為移動通信發(fā)展的必然趨勢。以車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧醫(yī)療、智能家居等為代表的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將產(chǎn)生海量連接，為了實現(xiàn)這一切則需要有一個無處不在的網(wǎng)絡(luò)，運營商網(wǎng)絡(luò)是全球覆蓋最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)，在接入能力上有獨特的優(yōu)勢，但是考慮到物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的連接數(shù)量遠遠超過H2H通信需求，當前的4G網(wǎng)絡(luò)在連接能力上明顯不足，因此有必要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征和移動通信網(wǎng)絡(luò)特點，研究以適應(yīng)蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的接入系統(tǒng)。業(yè)界上有許多物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)以及相關(guān)標準被不斷提出[1-3]，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）[4]是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，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(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)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(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；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(tǒng)，為了能夠支持廣覆蓋以及海量連接能力，接入信道的設(shè)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(wǎng)絡(luò)承擔終端接入系統(tǒng)的重要信道，用于寬帶無線系統(tǒng)的終端接入需求，因此無法直接用于NB-IoT系統(tǒng)。文章中，我們結(jié)合NB-IoT系統(tǒng)的特點，提出了兩種用于NB-IoT終端接入網(wǎng)絡(luò)的隨機接入信道的設(shè)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(tǒng)內(nèi)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(jié)構(gòu)作為設(shè)計基礎(chǔ)，在頻域上配置一段頻帶作為前導(dǎo)帶寬，時域上由循環(huán)前綴（CP）、前導(dǎo)序列以及保護時間（GT）組成，其中前導(dǎo)序列可以根據(jù)需求重復(fù)多次發(fā)送。

考慮到NB-IoT系統(tǒng)的應(yīng)用場景主要是低速移動或靜止的，我們選取LTE系統(tǒng)中適用中低速度場景的PRACH前導(dǎo)作為NB-IoT多子載波PRACH的設(shè)計基礎(chǔ)。前導(dǎo)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(huán)移位的大小。

PRACH前導(dǎo)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(huán)移位序列，[yu，v（n）=xu，v（n-τ）]。由于ZC序列屬于恒包絡(luò)零自相關(guān)（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(guān)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(zhuǎn)換到[x（t）]時，等同于經(jīng)過了N2/Nzc倍的過采樣操作，接收端在恢復(fù)[yu，v（n）]時，同樣需要經(jīng)過N2 /Nzc倍的降采樣操作，這樣就會導(dǎo)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(dǎo)檢測精準度越高。NB-IoT系統(tǒng)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(shè)計方案。

圖2中為多子載波PRACH的頻域結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yù)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(dǎo)發(fā)送時的實際頻率會與配置的頻率產(chǎn)生一定的偏差，導(dǎo)致前導(dǎo)發(fā)送時出現(xiàn)相位旋轉(zhuǎn)的問題。當前導(dǎo)發(fā)送時間過長，相位旋轉(zhuǎn)會變得很大，進而接收端相干檢測時會產(chǎn)生大量的誤檢，影響前導(dǎo)的檢測精準度。以頻率偏差=[-50 Hz，50 Hz]為例，經(jīng)過仿真評估，為了保證前導(dǎo)的檢測性能，前導(dǎo)的時域長度不要超過4 ms。

按照上述分析，前導(dǎo)的時域結(jié)構(gòu)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(qū)覆蓋；前導(dǎo)序列長度為0.8 ms，并且重復(fù)3次發(fā)送。

前導(dǎo)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(yīng)NB-IoT系統(tǒng)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(yōu)的室內(nèi)覆蓋性能，因此前導(dǎo)如需要在更惡劣的無線信道環(huán)境下工作，則前導(dǎo)的檢測性能需要進一步的提升。例如，在前導(dǎo)的基礎(chǔ)上支持多次重復(fù)發(fā)送實現(xiàn)前導(dǎo)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(huán)境下終端接入需求。本節(jié)中，我們給出了兩種單子載波PRACH設(shè)計方案。

2.1 第1種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)

由于單子載波PRACH的頻率上只支持1個子載波，那么前導(dǎo)序列只能在時域上設(shè)計，例如，前導(dǎo)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(xù)N個正交頻分復(fù)用（OFDM）符號上發(fā)送。

前導(dǎo)設(shè)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(zhuǎn)對前導(dǎo)性能檢測的影響，因此前導(dǎo)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(dǎo)檢測性能下降。因此，前導(dǎo)發(fā)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(nèi)需要盡量大一些，這樣可以保證在相同的時域周期內(nèi)序列x（n）的長度更長，可以獲得更好的自相關(guān)性和更低的互相關(guān)性。

基于上述原則，我們給出前導(dǎo)的具體結(jié)構(gòu)，如圖4所示，前導(dǎo)長度為4 ms，子載波間隔為15 kHz，OFDM符號長度為66.7 us。前導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(nèi)覆蓋性能的需求，因此前導(dǎo)需要能夠在更惡劣的無線信道環(huán)境（例如MCL大于144 dB）中工作，前導(dǎo)的檢測性能需要更進一步的提升，例如通過支持多次重復(fù)發(fā)送實現(xiàn)前導(dǎo)檢測性能的提升。

前導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以支持前導(dǎo)的碼分復(fù)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(dǎo)結(jié)構(gòu)

由于第1種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，如圖5所示，前導(dǎo)子載波間隔為3.75 kHz，且默認配置支持跳頻。前導(dǎo)發(fā)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(fā)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(dǎo)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(fā)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(dǎo)正確檢測概率的統(tǒng)計結(jié)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(yīng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)可以正常工作，就需要放松TA正確檢測范圍的規(guī)定，如從[-2.08 us， +2.08 us]放松到[-4.16 us， +4.16 us]，此時，前導(dǎo)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(dǎo)正確檢測性能

從2.1和2.2節(jié)中的仿真結(jié)果可以看到：第1種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)的正確檢測精準度要優(yōu)于第2種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)，主要的原因是第1種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)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(guān)性以及很低的互相關(guān)性；第2種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)序列則是簡單的時域重復(fù)發(fā)送的信號（例如配置每個符號發(fā)送的都是“1”），這樣的前導(dǎo)序列是無法保證良好的自相關(guān)性以及很低的互相關(guān)性的。

（2）PRACH信道容量

第1種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)由于前導(dǎo)序列為ZC序列，因此可以支持前導(dǎo)的碼分復(fù)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(dǎo)結(jié)構(gòu)會對PRACH信道容量造成較大的影響。

第2種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于前導(dǎo)序列在各個OFDM符號上發(fā)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(dǎo)致前導(dǎo)無法支持碼分復(fù)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(fā)送的終端，為了支持統(tǒng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)最終被NB-IoT標準采納[16]。

4 結(jié)束語

單子載波PRACH方案中第1種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有良好的前導(dǎo)檢測性能，且可以支持碼分復(fù)用，提高PRACH容量，支持更多的終端同時發(fā)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(xù)的接入技術(shù)研究中，考慮通過設(shè)計一種窄帶濾波器，將其作用到第1種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，進而降低這種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(jié)合這種前導(dǎo)結(jié)構(gòu)的碼分復(fù)用特性，就可以提高NB-IoT系統(tǒng)的PRACH容量，滿足NB-IoT系統(tǒng)未來發(fā)展接入的需求。

參考文獻

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