基于高鐵場(chǎng)景下的TD—LTE PRACH參數(shù)研究

劉曾怡　屈姍姍　魯曉峰　賀廣龍

摘要：做為新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，TD-LTE的隨機(jī)接入較2G/3G系統(tǒng)有更為精細(xì)的設(shè)計(jì)要求，為了使高速鐵路中的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)能更穩(wěn)定地運(yùn)行，從Preamble、根序列和NCS等方面著手分析，總結(jié)出了一套適合中國(guó)高鐵的TD-LTE PRACH參數(shù)體系，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證得到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：高速鐵路 TD-LTE PRACH參數(shù) 網(wǎng)絡(luò)切換 小區(qū)配置

1 引言

2004年3GPP啟動(dòng)了長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）項(xiàng)目，無(wú)線技術(shù)新使用了正交頻分多址復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合其他LTE關(guān)鍵技術(shù)將系統(tǒng)頻譜效率提升到了5 bps/Hz；上行最大傳輸速率大于50 Mbps，下行傳輸速率最大情況下大于100 Mbps[1]。在2008年基本確定了LTE第一版本的R8協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已發(fā)展到了R13版本。LTE項(xiàng)目完成的時(shí)間進(jìn)度如圖1所示。

2012年，國(guó)家進(jìn)行了TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)，2013年正式向三家運(yùn)營(yíng)商發(fā)布了TD-LTE商用牌照，極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。在2014，中央提出了“一帶一路”及“互聯(lián)網(wǎng)+”兩大國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略，其中高鐵技術(shù)和移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)（LTE）技術(shù)是兩大戰(zhàn)略中不可或缺的基石。

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)、工程界對(duì)高鐵場(chǎng)景下LTE網(wǎng)絡(luò)的研究也非常多。其中，文獻(xiàn)[3]研究了在高鐵場(chǎng)景下，多普勒頻移對(duì)LTE信道建模的影響；文獻(xiàn)[4]研究了一種新型的LTE上行自適應(yīng)插值算法以消除高鐵場(chǎng)景下的載波間干擾（ICI）所造成的影響；文獻(xiàn)[5]研究了一種基于Kalman的濾波器來(lái)解決高多普勒頻移場(chǎng)景下的LTE時(shí)域信號(hào)畸變問(wèn)題；文獻(xiàn)[6]研究了一種在高鐵場(chǎng)景下PRACH的ZC根序列設(shè)計(jì)的新方法。

本文基于TD-LTE物理層隨機(jī)接入信道（PRACH）的特點(diǎn)，結(jié)合已運(yùn)營(yíng)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和高鐵情況，研究了在TD-LTE切換區(qū)域內(nèi)非競(jìng)爭(zhēng)接入情況下的PRACH限制因素。并由Zadoff–Chu（ZC）序列產(chǎn)生Preamble碼機(jī)理入手，依據(jù)現(xiàn)網(wǎng)用戶情況，研究設(shè)計(jì)出了一套適用于中國(guó)高鐵場(chǎng)景下的TD-LTE PRACH參數(shù)配置的方法。

2 TD-LTE PRACH信道研究

3GPP 36.211對(duì)相關(guān)的PRACH接入信道進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定[7]，表1中對(duì)隨機(jī)接入格式和時(shí)間進(jìn)行了表述，幀結(jié)構(gòu)2的隨機(jī)接入格式0～4的Preamble設(shè)置如表2所示。

表2列出了對(duì)于一個(gè)確定的PRACH密度值DRA，不同的隨機(jī)接入所需要的物理資源。每一個(gè)四元符號(hào)組用來(lái)指示一個(gè)特定隨機(jī)接入資源的時(shí)頻位置，其中fRA是一定時(shí)間間隔中的頻率資源索引；“”分別指示隨即接入資源是出現(xiàn)在所有的無(wú)線幀中，還是在偶數(shù)無(wú)線幀，或是在奇數(shù)無(wú)線幀中；“”分別指示隨機(jī)接入資源是位于第一個(gè)半幀還是第二個(gè)半幀；是前導(dǎo)開(kāi)始的上行子幀號(hào)，在兩個(gè)連續(xù)上下行切換點(diǎn)間的第一個(gè)上行子幀為0，除了一直在UpPTS中傳輸?shù)那皩?dǎo)格式4，其表示為（*）。在UE端，前導(dǎo)格式0～3，開(kāi)始時(shí)刻必須和對(duì)應(yīng)的上行子幀開(kāi)始時(shí)刻對(duì)齊，即NTA=0，前導(dǎo)格式4必須在UpPTS結(jié)束前4832·TS開(kāi)始，其中UpPTS參考UE上行幀同步提前量NTA=0。

對(duì)每一種PRACH配置的隨機(jī)接入首先在時(shí)間上分配，當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)間上不能分配特定密度值DTA的所有隨機(jī)接入的時(shí)候才考慮頻分。對(duì)前導(dǎo)格式0～3，頻率復(fù)用規(guī)則如下：

（1）

其中是上行資源塊數(shù)，是分配給隨機(jī)接入的第一個(gè)物理資源塊，參數(shù)prach-FrequencyOffset nRAPRB offset是PRACH可用的第一個(gè)物理資源塊號(hào)，它由高層配置且滿足0≤nRAPRB offset≤（NRAPR-6）[8-9]。

對(duì)前導(dǎo)格式4，頻率復(fù)用按式（2）進(jìn)行：

（2）

其中nf是系統(tǒng)幀號(hào)，而NSP是無(wú)線幀中的上下行切換點(diǎn)數(shù)。對(duì)兩種幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)帶寬都為6個(gè)連續(xù)資源塊大小。小區(qū)是否為高速小區(qū)將影響零相關(guān)配置與NCS的映射關(guān)系。非限制集對(duì)應(yīng)低速小區(qū)，限制集對(duì)應(yīng)高速小區(qū)。Preamble的NCS配置如表3所示。

NCS和小區(qū)半徑、最大擴(kuò)展時(shí)延有關(guān)，如公式（3）所示：

NCS×Tpreamble_s>TRTD+TMD （3）

其中：

1）NCS：循環(huán)移位長(zhǎng)度；

2）Tpreamble_s：ZC序列的抽樣長(zhǎng)度；對(duì)于格式0～3，取值為800/839 μs，對(duì)于格式4，取值為133/139 μs；

3）TRTD：最大RTD時(shí)延（最大小區(qū)往返時(shí)延），和小區(qū)半徑關(guān)系為：TRTD=6.67×r μs（r單位為km）；

4）TMD：最大時(shí)延擴(kuò)展（最大多徑時(shí)延擴(kuò)展），由于高鐵場(chǎng)景時(shí)延擴(kuò)展較大，工程上使用2 ms，可得出：

NCS>1.04875×（6.67r+TMD+2）（格式0～3）（4）

NCS>1.045×（6.67r+TMD+2）（格式4） （5）

根據(jù)表1，格式4的Preamble的TSEQ較小，并不適合高鐵的場(chǎng)景。由公式（4）可得在格式0～3情況下NCS與小區(qū)半徑r的關(guān)系表，如表4所示。

3 協(xié)議配置研究

3.1 高鐵場(chǎng)景建模

高鐵車體車廂為CRH3車廂；單節(jié)車廂長(zhǎng)度l為25 m；

每單節(jié)車廂座位數(shù)s為80個(gè)；列車運(yùn)行時(shí)速v為300 km/h；采用小區(qū)合并技術(shù)的高鐵單小區(qū)半徑r為1000 m；根據(jù)速率換算1 m/s=3.6 km/h，列車運(yùn)行速度為83.33 m/s。

切換判決的時(shí)間（Time To Trigger）可設(shè)為640 ms，根據(jù)切換時(shí)延和單節(jié)車廂用戶數(shù)，按照TD-LTE用戶滲透率70%，LTE終端滲透率80%，激活比60%估算（考慮小包業(yè)務(wù)），可以得出高鐵場(chǎng)景TD-LTE切換時(shí)每秒在單小區(qū)上會(huì)接入108用戶，在TAU時(shí)每秒需接入用戶數(shù)為180。

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)研究

UE高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻偏，破壞ZC序列不同循環(huán)移位之間的正交性，從而限制根序列的選擇范圍。一般SC-FDMA上行子載波帶寬為15 kHz，但PRACH信道是個(gè)特列，格式4子載波有7.5 kHz，格式0～3子載波只有1.25 kHz，更容易受頻偏影響，從而導(dǎo)致上行解調(diào)困難。

在非競(jìng)爭(zhēng)接入（切換場(chǎng)景）下，1個(gè)PRACH/10 ms理論接入容量與RA-RNTI數(shù)量相同，可以同時(shí)接入52個(gè)基于競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入和12個(gè)基于非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入。需考慮的負(fù)面因素有：高鐵場(chǎng)景無(wú)線環(huán)境變化復(fù)雜，車體損耗大，SINR值普遍較低，Preamble解調(diào)困難；PRACH子載波帶寬小，更容易受到頻偏問(wèn)題影響，Preamble解調(diào)困難。因此在PRACH實(shí)際規(guī)劃中要預(yù)留足夠余量，減少Preamble碰撞幾率，降低eNodeB處理負(fù)荷。

（1）確定PRACH configuration index

在3.1節(jié)設(shè)立的模型中：r=1000 m，TMD為5 μs。設(shè)定Preamble format 0格式后，使用公式（5）進(jìn)行計(jì)算：NCS>1.04875×（6.67×1+5+2）=14.34，通過(guò)查詢前導(dǎo)生成序列的循環(huán)移位NCS參數(shù)，可根據(jù)需要取NCS配置2，即NCS=15。單個(gè)根序列產(chǎn)生的循環(huán)前導(dǎo)序列數(shù)為INT[839/15]=55；需要的根序列數(shù)為INT[64/55]+1=2。

按接入的模型序列，（Preamble format 0（表1）+PRACH configuration index 6（表2））可以滿足模型設(shè)置中的用戶接入。

（2）確定小區(qū)根序列的個(gè)數(shù)

根據(jù)K=64/（NZC/NCS）（其中K表示根序列的個(gè)數(shù)，64表示64個(gè)前導(dǎo)碼），對(duì)于前導(dǎo)格式0～3：NCS=838；根據(jù)公式可以計(jì)算出在前導(dǎo)格式0～3情況下產(chǎn)生64個(gè)前導(dǎo)碼需要的根序列個(gè)數(shù)[11]。表5為NCS和根序列關(guān)聯(lián)表：

（3）確定根序列的取值范圍

前導(dǎo)格式0～3的情況下，低速小區(qū)原則上有838個(gè)根序列都可以選擇，高速小區(qū)根序列起始位置和選擇范圍均受到NCS取值的約束，如：

1）1 m（3英尺）≤Cell Radius≤1000 m（3281英尺）時(shí)，Root Sequence Idx的范圍為24～815；

2）1000 m（3281英尺）

NCS-邏輯根序列-物理根序列映射如表6所示：

按高鐵模型中的設(shè)置及表5，r為1000可得到Root Sequence Idx的范圍為24～815。

4 結(jié)論

使用現(xiàn)網(wǎng)的在網(wǎng)運(yùn)行的LTE站點(diǎn)，LTE中PRACH信道的配置參數(shù)主要有5個(gè)：1）是否為高速狀態(tài)（High Speed Flag）界面取值范圍：LOW_SPEED（低速小區(qū)指示），HIGH_SPEED（高速小區(qū)指示），ULTRA_HIGH_SPEED（超高速小區(qū)指示），EXTRA_HIGH_SPEED（極高速小區(qū)指示）；2）前導(dǎo)格式（Preamble Format）界面取值范圍：0～4；3）PRACH配置索引（Prach-Configuration Index）界面范圍：0～63；4）循環(huán)移位長(zhǎng)度（NCS）通過(guò)零相關(guān)配置（zero Correlation Zone Config）體現(xiàn)，界面范圍：0～15；5）根序列索引（root Sequence Index）。

綜合研究的結(jié)果，在國(guó)內(nèi)的高鐵場(chǎng)景中建議配置的PRACH參數(shù)如下：

（1）HighSpeedFlag配置ULTRA_HIGH_SPEED；

（2）PreambleFmt配置0；

（3）Prach-configindex配置6；

（4）ZeroCorrelationZoneConfig配置0（NCS=15）；

（5）RootSequenceIdx的配置范圍為24～815，每個(gè)小區(qū)規(guī)劃2個(gè)根序列。

在已運(yùn)營(yíng)的CML高鐵上試點(diǎn)驗(yàn)證了本文提出的小區(qū)配置和PRACH參數(shù)設(shè)置，在配置前后6天的驗(yàn)證中，切換成功率如圖2所示。該高鐵平均LTE切換成功率由98.01%提升到了99.07%，該高速鐵路PRACH設(shè)置取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡學(xué)斌. LTE上行鏈路隨機(jī)接入技術(shù)研究[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2007.

[2] 沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋，等. 3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2008.

[3] Guan K， Zhong Z， Ai B. Assessment of LTE-R using high speed railway channel model[A]. Proceedings of 2011 third international conference on communications and mobile computing （CMC）[C]. 2011： 461-464.

[4] B Karakaya， H Arslan， HA ??rpan . Channel estimation for LTE uplink in high Doppler spread[A]. Proceedings of wireless communications and networking conference[C]. 2008： 1126-1130.

[5] B Karakaya， H Arslan， HA ??rpan. An adaptive channel interpolator based on Kalman filter for LTE uplink in high Doppler spread environments[J]. Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking， 2009（1）： 1-10.

[6] Gang Wu， Hang Yuan， Wei Guo， et al. On design of physical random access channel in high-speed railway LTE systems[J]. Chinese Science Bulletin， 2014，59（35）： 5042-5050.

[7] 3GPP TS 36.211. Evolved universal terrestrial radio access （E-UTRA）； Physical channels and modulation （Release 10）[S]. 2014.

[8] 倪偉，董宏成. LTE隨機(jī)接入過(guò)程研究[J]. 山西電子技術(shù)， 2010（3）： 55-57.

[9] 陳昌. LTE隨機(jī)接入流程研究[J]. 數(shù)字通信， 2009（4）： 9-12.

[10] 3GPP TS 36.213. Evolved universal terrestrial radio access （E-UTRA）； Physical layer procedures （Release 10）[S]. 2014.

[11] 馮僑，鄧娟，沈靜. LTE系統(tǒng)中ZC序列的實(shí)現(xiàn)方法： 中國(guó)， 200910103294.X[P]. 2009-03-02. ★