TD-LTE网络随机接入前导码规划分析

朱士栋，张建奎，郭宝

（1 中国移动通信集团江苏有限公司淮安分公司，淮安 223400；2 中国移动通信集团江苏有限公司，南京 210026；3 中国移动通信集团山西有限公司，太原 030001）

TD-LTE网络随机接入前导码规划分析

朱士栋1，张建奎2，郭宝3

（1 中国移动通信集团江苏有限公司淮安分公司，淮安 223400；2 中国移动通信集团江苏有限公司，南京 210026；3 中国移动通信集团山西有限公司，太原 030001）

TD-LTE网络随机接入是终端接入网络的必经过程，是用户进行初始连接、切换、连接重建立以及重新恢复上行同步的唯一策略，其失败率会影响TD-LTE网络的接入性能。本文中重点介绍TD-LTE网络随机接入前导码的精细规划，以及随着网络割接调整而实施的前导码自动规划。

随机接入；ZC根序列；接入性能

TD-LTE网络随机接入是终端接入网络的必经过程，是用户进行初始连接、切换、连接重建立，重新恢复上行同步的唯一策略，其失败率会影响网络的接入性能，在TD-LTE网络中起着重要作用。在TD-LTE网络实际部署伊始即对随机接入过程进行精细化、自动化的分析和规划，对于提升网络性能和用户体验有极大的意义。

随机接入过程和确定性的上下行调度不同之处在于随机性，首先，UE在随机时刻选择前导序列接入；其次接入的结果也具有随机性，并不能保证100%的成功。竞争随机接入是指eNB没有为UE分配专用Preamble码，而是由UE随机翻Preamble码并发起的随机接入，这样有可能导致多于一个的UE同时传输同一个前导序列，所以需要一个解决竞争的过程。ZC根序列不同，那么生成的Preamble序列是正交的。通过在相邻的小区之间规划不同的根序列可以有效消除随机接入过程中的冲突。在TD-LTE随机接入过程的参数规划中，ZC根序列的规划是最重要的一个参数。ZC根序列规划通过网络规划为多个小区自动分配合理的前导索引，保证高速小区优先分配检测性能较好的前导序列，且相邻小区分配不同前导序列以降低干扰。

1 TD-LTE随机接入过程

当用户通过小区选择找到合适的小区并接收到该小区足够的广播消息后，接下来将进入到随机接入过程，以获得上行同步并完成空口连接。随机接入过程如图1所示，包括Msg1：发送 Preamble，Msg2：随机接入响应（包含接收到的 Preamble 序列、时间调整量、Msg3传输所需的上行资源指示、临时C-RNTI），Msg3：RRC连接建立请求（Msg3携带的消息根据用户的状态不同而不同，初始接入时是RRC连接建立请求，其它情况该消息内容还有可能是RRC重建、切换确认消息等），Msg4：RRC连接建立（Msg4会携带Msg3的拷贝，并采用Msg3中的临时C-RNTI来加扰PDCCH，从而解决用户使用相同Preamble码造成的冲突问题），Msg5：RRC连接建立完成（携带NAS消息附着请求等信息）。至此，用户完成了上行同步和RRC连接建立。

在这个过程中，涉及到的主要参数包括Preamble初始目标接收功率、调整步长、最大传输次数、Preamble格式，以及Msg3最大传输次数和随机接入过程中的UE 定时器（T300）等。其中，Preamble 格式和另外一个影响随机接入过程的参数“NCS”均与小区半径设置相关。

图1 TD-LTE网络随机接入流程

2 TD-LTE随机接入相关参数

2.1 前导码格式与小区覆盖范围

随机接入信号是由CP（长度为TCP）、前导序列（长度为TSEQ）和GT (长度为TGT) 3个部分组成，前导序列与PRACH时隙长度的差为GT，用于对抗多径干扰的保护，以抵消传播时延。一般来说较长的序列，能获得较好的覆盖范围，但较好的覆盖范围需要较长的CP和GT来抵消相应的往返时延，即小区覆盖范围越大，传输时延越长，需要的GT越大，为适应不同的覆盖要求，3GPP 36.211协议规定了5种格式的PRACH。

前导码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，且不干扰其他的子帧。即需要满足的关系为TCP＞TRTT+TDS，TGR＞TRTT，TCP为循环前缀CP的长度；TGT为保护间隔；TRTT为最大往返时间。

根据以上关系，可以得到各种格式下所支持小区的最大半径(考虑TDS)如表1所示。

表1 前导码格式与小区覆盖范围

具体可以叙述为：

Preamble格式 0：持续1 ms，序列长度800 us，适用于小、中型的小区，最大小区半径14.53 km，此格式看满足网络覆盖的多数场景。

Preamble 格式 1：持续2 ms，序列长度800 us，适用于大型的小区，最大小区半径为77.34 km。

Preamble 格式 2：持续2 ms，序列长度1 600 us，适用于中型小区，最大小区半径为29.53 km。

Preamble 格式 3：持续3 ms，序列长度1 600 us，适用于超大型小区，最大小区半径为100.16 km；一般用于海面、孤岛等需要超长距离覆盖的场景。

Preamble 格式 4： TDD模式专用的格式，持续时间157.292 μs（ 2个OFDM符号的突发），适用于小型小区，小区半径不大于1.4 km，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。它是对半径较小的小区的一种优化，可以在不占用正常时隙资源的情况下，利用很小的资源承载PRACH信道，有助于提高系统上行吞吐量，某种程度上也可以认为有助于提高上行业务信道的覆盖性能。

2.2 ZC根序列索引

小区可用的64个前导集合是由一个或多个根Zadoff-Chu序列（简称ZC序列）进行循环移位产生的，小区使用的根序列的起始根序列的逻辑序号由本参数进行配置，在系统信息中进行广播。

系统共使用838个ZC序列作为前导的物理根序列，协议中根据高速模式下各个物理根序列u所支持的最大的Ncs-max进行了分组，使得同一组内的Ncs满足NCS（g）≤NCS_max＜NCS(g+1)（g为组号），共分为32个序列组，每组中的根序列按照CM值(CM是上行功率放大器非线性影响的衡量标准，比PAPR更准确，直接表征功放功率的降低——称为功率退化的程度，CM越低，对射频硬件要求比较低)排序，位置连续的根序列CM值始终接近，可以实现一致的小区覆盖，重新排序后的根序列序号称为根序列的逻辑序号。

根据CM值的大小将838个序列可以分为低CM组和高CM组。根序列逻辑序号0～455为低CM组，根序列逻辑序号456～837为高CM组，CM值越低，越有利于小区覆盖因此低CM值的根序列优先使用。

当前导格式0～3的情况下，原则上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。

当前导格式4时，可以在表（36.211 Table 5.7.2-5）0～137个根序列中任选根序列。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和使用都不相同，即1个小区在使用多个根序列生成64个前导码的情况下，其相邻小区应避开其他小区使用的根序列。

2.3 前导码所需的根序列

低速情况下产生64个前导码需要的根序列个数，其中，K表示根序列的个数，K=(64/(NZC/NCS))，前导格式0-3，NZC=839，前导格式4，NZC=139，式中的64表示64个前导码，计算出低速（非限制集）情况下产生64个前导码需要的根序列数，如表2所示。

对于高速移动环境下的UE，由于多普勒效应，会破坏ZC序列不同循环移位之间的正交性，对这种环境下按照特殊规则生成的循环移位。

表2 产生64个前导非限制集需要的根序列个数

3 前导码自动规划

通过对于TD-LTE的研究及仿真可知，前导码规划受到网络规模、邻区及接入速率等多重因素影响，采用人工手段进行规划，效果较差且工作量巨大。如果网络割接调整较多，伴随部分入网基站，人工规划前导码基本是不可行的。在TD-LTE基站大规模建设入网期间，需要开发一个精细规划分析平台，实现对随机接入前导码的自动化和精细化的规划，提高网络接通率，为建设高水平的TD-LTE网络奠定坚实的基础。

TD-LTE随机接入前导码规划包含3个模块：邻区生成、Preamble分配模块和PRACH资源分配模块。模块以及模块的输入与输出关系如图2所示。

前导码规划主要步骤为：

通过对于扫频数据等的分析，结合网络容量规划，自动实现PRACH的规划，提升工作效率和网络性能，实现随机接入前导码的自动化规划；

根据规划场景的不同(如小区半径、链路预算等)，实现协议支持的5种物理随机接入信号格式的规划。

图2 TD-LTE随机接入前导码规划流程

4 总结及下一步方向

TD-LTE随机接入前导码规划需要考虑邻区、网络负荷、覆盖半径等多重因素，在TD-LTE基站大规模建设入网期间，需要开发一个精细规划分析平台，实现对随机接入前导码的自动化和精细化的规划。通过ZC根序列自动规划，将网络规划为多个小区自动分配合理的前导索引，保证高速小区优先分配检测性能较好的前导序列，且相邻小区分配不同前导序列以降低干扰，提升网络的整体性能。最后，结合扫频数据与容量规划，实现随机接入前导码的自动规划，提升工作效率和网络性能。

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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