TD-LTE中的PRACH资源规划

康兰兰，卢昶，冯幸，夏龙根

（中国移动通信集团广东有限公司佛山分公司，广东 528000）

TD-LTE中的PRACH资源规划

康兰兰，卢昶，冯幸，夏龙根

（中国移动通信集团广东有限公司佛山分公司，广东 528000）

随机接入性能的好坏对于高速数据通信业务的质量起着至关重要的作用，TD-LTE中如何进行随机接入参数规划从而提高边缘地区随机接入成功率是一个值得研究的问题。本文首先简要介绍了基于竞争随机接入过程的基本步骤，从中说明PRACH资源的重要参数，随后详细介绍了各个参数及配置原则，并结合规划思路说明试验网PRACH参数的规划情况及建议。

PRACH配置索引；高速状态指示；零相关配置；根序列索引；频率偏移

LTE是3GPP在“移动宽带化”趋势下研发的“准4G” 无线通信标准制式，该技术是一个高速率、低时延和基于分组的移动通信系统提出了20MHz带宽上达到瞬时峰值下行100Mbit/s和上行50Mbit/s的要求。随机接入过程是移动通信系统中的重要的环节，是用户进行初始连接、切换、连接重建、从空闲模式转换到连接模式时重新恢复上行同步以及UL SCH资源请求的唯一策略，接入信道的性能将直接影响整个系统的运行和业务质量。在这样的背景下， 本文将主要研究物理随机接入信道（PRACH）资源的规划。

物理随机接入信道承担着用户设备（UE）接入网络、申请网络资源、定时同步、越区切换等重要任务。TDD-LTE系统具有灵活的时隙配比配置，其上下行子帧配置方式就有7种，随机接入资源也从原来的一维变成时频二维资源的复用，可见PRACH资源的合理规划至关重要。

1 随机接入过程简述

随机接入过程的实现方式分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入，过程如图1所示。在LTE系统中有以下5种情况可以触发随机接入过程，（1）在RRC_IDLE状态时，发起的初始接入；（2）在RRC_ CONNECTED 状态时，发起的连接重建处理；（3）小区切换过程中的随机接入；（4）在RRC_CONNECTED状态时，下行数据到达，但上行处于未同步状态时发起的随机接入；（5）在RRC_CONNECTED状态时，上行数据到达，但上行处于未同步状态或没有为调度请求分配PUCCH资源时发起的随机接入； 其中（3）和（4）可采用基于非竞争的随机接入过程，其它均只能为基于竞争的随机接入方式。

图1 基于竞争的随机接入过程（左）基于非竞争的随机接入过程（右）

随机接入前导序列由UE随机选择，就存在多于一个UE同时传输同一前导序列的可能性，所以需要一个解决竞争的过程。这就是基于竞争的随机接入方式。eNodeB给UE分配一个专用的前导序列来避免竞争的发生，这就是非竞争的随机接入方式。本节主要描述的是基于竞争的随机接入过程：

第1步：LTE 采用具有时/频恒幅、零自相关且互相关性良好的Zadoff-Chu序列作为随机接入的参考序列。根据规划配置结果和系统消息SIB2通知的前导序列，UE从中等概率随机选择一个作为本次发送；第2步：Node B检测到随机接入序列后，通过下行共享信道PDSCH发送随机接入响应。该消息至少包含所收到的Preamble码的编号、上行发送的时间调整量（TA）、上行PUSCH调度信息和分配的临时C-RNTI； 第3步：UE根据随机接入响应中承载的调度信息和TA信息，进行上行数据（PUSCH）发送。该消息包含了终端的唯一ID，如TMSI；第4步：Node B接收UE的上行消息，向接入成功的UE返回竞争解决消息。该消息中包含了接入成功终端的唯一ID。

其中第1步和第2步是随机接入在物理层的主要内容。在第1步中，UE的物理层根据高层所指示的PRACH配置索引（prach-ConfigIndex）、高速状态指示（highSpeedFlag）、零相关配置（zeroCorrelation ZoneConfig）、频率偏移（prach-FrequencyOffset）等均是将要讨论的PRACH规划参数。

2 PRACH参数规划原则

PRACH规划的主要目的是减少基于竞争随机接入的冲突概率。小区半径、移动速度、接入次数和概率、时隙配比等对PRACH参数规划结果影响较大，前导序列共有64个前导序列码，前导序列码由根序列生成，下面将一一分析PRACH资源主要参数的规划原则。

2.1 PRACH配置索引

2.1.1 参数介绍

本参数用于指示小区的PRACH配置索引，说明了PRACH的时频域资源位置及资源占用情况，取值范围为0～63，其中58～63保留。该参数需要提前确定小区时隙配置，同时也明确了采用的前导格式0～4。

物理层随机接入前导序列在时域上由长度为TCP的循环前缀、长度为TSEQ和长度为TGT的3部分序列组成， 如图2所示。CP的长度决定了能够支持的接入半径。长CP能够容忍更长的传输往返时延。序列长度主要影响基站对序列的接收质量，长序列能够支持更大的覆盖即更大的接入半径。为适应不同的覆盖要求，3GPP TS 36.211协议规定了5种格式的PRACH循环前缀长度、序列长度、以及GT长度，如表1所示。

图2 随机接入前导格式

表1 随机接入前导参数

Preamble格式和小区覆盖范围的关系约束原则为：小区内边缘用户的传输时延需要在GT内部，才能保证PRACH能正常接收，且不干扰其它的子帧。

PreambleFormat 0：持续时间1ms，序列长度800μs，适用于正常小区覆盖区域。1ms随机接入突发时长，小区半径小于14km，此格式满足网络覆盖的多数场景；

PreambleFormat 1：持续时间2ms，序列长度800μs，适用于大的覆盖小区，2ms随机接入突发时长，最大小区覆盖半径可达77km；

PreambleFormat 2：持续时间2ms，序列长度1600μs，前导信号重复一次，适用于中型小区，适用于较大覆盖小区和UE移动速率快的场景，最大小区覆盖半径可达28km；

PreambleFormat 3：持续时间3ms，序列长度1600μs，前导信号重复1次，适用于大的覆盖范围小区和高速移动UE，最大小区覆盖半径可达100km，一般用于海面、孤岛等需要超长距离覆盖的场景；

PreambleFormat 4：仅限于TDD帧结构类型，持续时间157.3μs（488Ts+4096Ts+288Ts），适用于小覆盖小区，覆盖范围大约1km，一般应用于短距离覆盖，特别是密集市区、室内覆盖或热点补充覆盖等场景。它是对半径较小小区的一种优化，只在UpPTS上传输，有助于提高系统上行吞吐量。

2.1.2 配置原则

一个上行子帧（包括UpPTS）可以同时存在多个PRACH信道；当存在多个PRACH信道时，优先考虑占用不同的子帧，再考虑一个子帧中支持多个PRACH信道。

相邻小区间的PRACH信道的时域或频域位置尽可能错开，首先在时域上分配PRACH时隙，当采用时分复用方式不足以分配全部的PRACH信道时隙时，再采用频域分配方式。邻区间PRACH配置考虑时域位置不同时，可以通过选择不同的PRACH配置索引（prach-ConfigIndex）参数配置，即选择中不同的时间参数进行配置；当邻区间PRACH配置考虑频域位置不同时，可以通过选择不同的频率偏移参数(prach-frequencyOffset)来改变PRACH的频域起始位置，此方法只适用于前导格式0～3，前导格式4不支持 “频率偏移（prach-FrequencyOffset）”参数配置。

由于前导格式4在UpPTS时隙发送且不支持配置频率偏移，多个相邻小区时域、频域上可以选择的不同的时频位置比较少，所以小范围覆盖时一般采用Preamble格式0。

2.2 高速状态指示

2.2.1 参数介绍

本参数用于指示小区覆盖是否处于UE高速状态下，即高速公路等场景。参数取值范围：TRUE或FALSE，对应于零相关配置参数NCS是否选择限制集（restricted set）。

2.2.2 配置原则

小区覆盖在高速场景下，本参数配置为TRUE，需要按照限制集规则来生成循环移位参数。当不是高速小区覆盖场景时取值为FALSE。需要按照非限制集规则来生成循环移位参数。

2.3 零相关配置

2.3.1 参数介绍

本参数用于指示PRACH前导序列生成时使用的循环移位NCS的索引值， 如3GPP TS 36.211中表5.7.2-2和表 5.7.2-3所示，表中的“unrestricted set”和“restricted set”对应是否为高速情况。参数取值范围：对于前导格式0～3，参数取值0～15，对于前导格式4，参数取值0～6。

循环移位NCS是由小区覆盖范围决定的，即NCS与小区半径相关。原则上，NCS越大，小区半径越大，小区内的NCS可用最小值由小区覆盖半径来确定。如对于Normal set，若小区覆盖半径5km，则其最大环回时延为2×5km/3×105km/s=33.3μs，假设定时误差为2μs，多径时延余量7μs，安全余量7μs，则循环移位的最小间隔33.3+2+7+7=49.3μs，NCS/NZC＞最小间隔/Preamble序列长度，对于PreambleFormat 0来说，最小的NCS=52，即对于覆盖半径为5km的小区，根据3GPP TS 36.211表5.7.2-2可选择NCS是配置9。

2.3.2 配置原则

规划半径相同的小区可以选择相同的NCS是参数。

2.4 根序列索引

2.4.1 参数介绍

本参数用于指示生成前导序列的起始根序列的逻辑序号，如3GPP TS 36.211表5.7.2-4和表5.7.2-5所示，参数取值范围：前导格式0～3，参数取值0～837，前导格式4，参数取值0～137。

LTE标准规定在小区内存在64个有效的前导序列，所有的序列都可以从一个根序列上产生，而这依赖参数NCS的取值。NCS越大，从根序列产生的序列数量就越少，如下式：

对于覆盖半径为5km的小区，NCS=59，则v=0…13，从单个根序列能产生14个序列，需要5个不同的根序列来获得64个Preamble。增加根序列数量会增加实施的复杂性。

2.4.2 配置原则

前导格式为0～3时，3GPP TS 36.211表5.7.2-4中的838个根序列都可以选择，根序列和NCS没有一定的约束关系，但为了较好的小区覆盖性能，最好选择逻辑序号在0～455之间的根序列；前导格式为4时，3GPP TS 36.211表5.7.2-5中的137个根序列都可以选择。

为避免相邻小区之间的干扰，建议相邻小区之间的根序列配置不相同，即一个小区使用的多个根序列来生成64个前导码，其相邻小区应避开该小区使用的根序列。

2.5 频率偏移

2.5.1 参数介绍

本参数用于指示PRACH（限于PRACH格式0～3）所在的第一个物理资源块（RB）的索引，在prach-ConfigIndex参数配置的基础上决定了PRACH信道的频域位置，参数取值范围0～94。

LTE系统中PUCCH位于系统带宽的两侧，当PRACH配置索引取值在48～57时（见3GPP TS 36.211表 5.7.1-4），频率偏移参数不需要配置。

2.5.2 配置原则

各邻区之间可通过配置不同的频率偏移将PRACH的频域位置错开，但会增加PRB调度的复杂度。

3 PRACH参数规划思路

PRACH参数规划步骤如图3所示。

图3 PRACH参数规划流程图

（1）根据小区中覆盖场景及用户移动速度情况，确定该小区是否为高速小区，确定高速状态指示的配置；

（2）根据规划的小区半径选择前导格式，格式0～4；

（3）根据选择的前导格式、规划的小区半径和高速状态指示来确定零相关配置（NCS）的大小；

（4）根据小区接入负载容量、小区时隙配比、小区间频域资源等确定PRACH配置索引的配置；

（5）选择根序列，确定根个数并根据零相关配置（NCS）与根序列的对应关系确定根序列索引（rootSequenceIndex）的配置。

4 PRACH参数规划建议

PRACH规划涉及的参数主要有：基于竞争的每秒随机接入的次数、基于非竞争的每秒随机接入的次数、小区期望的随机接入冲突概率、小区终端的平均移动速度、小区半径参数、前导格式、PRACH配置索引、零相关配置参数、频率偏移、基于竞争的前导序列个数、以及基于非竞争的前导序列个数的取值和分配方法、现网规划参数等参数，其中小区半径和终端速度，对结果有较大影响。PRACH规划的输出结果主要是小区根序列和PRACH配置索引。一般情况下，一个小区需要多个根序列来生成足够的Preamble码，规划和网管配置均为起始根序列逻辑序号。

4.1 试验网PRACH规划建议

目前试验网覆盖场景主要是城区，在此前提下PRACH参数规划原则为： PRACH配置索引采取邻区间时域位置不同来规避干扰；小区规划半径大致相同，采用前导格式0；高速状态指示配置为FALSE，全网选择相同的NCS配置；为避免相邻小区之间的干扰，相邻小区之间的根序列配置不相同；为降低PRB调度的复杂度，频率偏移参数配置相同；室外按照5km半径，50km/h速度，室内按照2km半径，10km/h速度（或更低）。试验网配置示例如图4所示，小区覆盖半径5km，时隙配比2：2。

4.2 PRACH分场景规划建议

试验网规划的场景相对单一，随着LTE的试商用和商用，可以考虑分场景进行PRACH参数规划。根据覆盖范围内UE移动速度可分为高速和中低速场景，根据小区覆盖地貌类型可分为密集城区、一般城区、郊区等。

对于前者的场景分类主要关注移动速率的变化，需注意高速状态指示及零相关配置参数的变化，并且在高速场景中循环偏移不宜过大，用于降低频偏造成的循环移位对峰值检测的影响，中低速小区不受限。

图4 试验网配置案例

对于后者的场景分类主要考虑半径的变化，需注意前导格式、PRACH配置索引、零相关配置、根序列索引等参数变化。对于前导格式和规划小区半径直接相关。综合PRACH占用资源及常见宏蜂窝的覆盖范围和特性，LTE的初始网络前导格式尽量选择Format 0；格式1和格式3都适合大覆盖小区，格式3一般用于海面、孤岛等需要超长距离覆盖的场景，还适合高速场景；格式2适用于中型较大覆盖小区；格式4是TDD特有的，半径只支持1.4km，一般不会采用，最多应用在微站当中。PRACH配置索引则根据选择的前导格式和小区容量进行选择；覆盖小区场景的半径越大则零相关配置参数越大；根序列索引对于大半径小区要选择小峰均比的根序列。

5 总结

本文从LTE随机接入过程的特点引出PRACH规划的主要参数，详细说明了PRACH相关参数及配置原则，给出了PRACH参数的规划思路并对照试验网给出TD-LTE的PRACH参数规划情况，并提出分场景的PRACH规划建议。在网络用户、业务较少的阶段，PRACH规划结果好坏的影响也较小，随着业务增加，PRACH规划的作用将逐渐体现。希望本文的分析可为今后TD-LTE的规划建设及优化提供参考。

[1] 3GPP TS36.211，Physical Channels and Modulation[S].

[2] 3GPP TS36.331，Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification[S].

PRACH resource planning of TD-LTE

KANG Lan-lan, LU Chang, FENG Xing, XIA Long-gen
(China Mobile Group Guangdong Co., Ltd. Foshan Branch, Foshan 528000, China)

The performance of the random access plays a crucial role for the service quality of the high speed data communication system in TD-LTE. It’s a problem that is worth studying how to determine the parameter planning so as to improve the random access success rate of the edge region. This article first briefly introduces the basic steps of the competition-mode-based random access process, and specifies the important parameters for the random access resource, then describes the meaning and the planning principles of the parameters. Finally, it specifies the suggestions and situations of the PRACH parameters planning in test network of TD-LTE.

prach-Conf i gIndex; highSpeedFlag; zeroCorrelationZoneConf i g; rootSequenceIndex; prach- FrequencyOffset

TN929.5

A

1008-5599（2012）10-0042-06

中国移动研究院与Mindspeed就合作研究Nanocell签署技术合作备忘录

2012-09-10

小蜂窝基站半导体解决方案领导者敏讯科技有限公司（Mindspeed）与中国移动研究院共同宣布：两家公司已经签署了一项合作备忘录（MOU），将就在中国推动Nanocell相关的研究展开多项合作。Nanocell是一种最新定义的无线接入设备种类，它集成了移动小蜂窝基站及电信级的WLAN接入点。这对于持续加快建设的中国移动异构网络，以及Mindspeed基于旗下Picochip TD-SCDMA和Transcede LTE系统级芯片（SOC）解决方案的小蜂窝基站平台，都是一个重要的里程碑。Mindspeed被选中参与此开创性的项目源于其在当前小蜂窝基站市场中的领导地位及其未来的产品路线图。