基于高铁场景下的TD—LTE PRACH参数研究

刘曾怡　屈姗姗　鲁晓峰　贺广龙

摘要：做为新一代的移动通信系统，TD-LTE的随机接入较2G/3G系统有更为精细的设计要求，为了使高速铁路中的TD-LTE网络能更稳定地运行，从Preamble、根序列和NCS等方面着手分析，总结出了一套适合中国高铁的TD-LTE PRACH参数体系，并对其进行了验证，验证得到了良好的效果。

关键词：高速铁路 TD-LTE PRACH参数 网络切换 小区配置

1 引言

2004年3GPP启动了长期演进（LTE）项目，无线技术新使用了正交频分多址复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）技术。这两项技术结合其他LTE关键技术将系统频谱效率提升到了5 bps/Hz；上行最大传输速率大于50 Mbps，下行传输速率最大情况下大于100 Mbps[1]。在2008年基本确定了LTE第一版本的R8协议标准，现已发展到了R13版本。LTE项目完成的时间进度如图1所示。

2012年，国家进行了TD-LTE规模试验，2013年正式向三家运营商发布了TD-LTE商用牌照，极大地促进了国内无线通信网络技术的发展。在2014，中央提出了“一带一路”及“互联网+”两大国家重点战略，其中高铁技术和移动宽带互联网（LTE）技术是两大战略中不可或缺的基石。

国内外学术、工程界对高铁场景下LTE网络的研究也非常多。其中，文献[3]研究了在高铁场景下，多普勒频移对LTE信道建模的影响；文献[4]研究了一种新型的LTE上行自适应插值算法以消除高铁场景下的载波间干扰（ICI）所造成的影响；文献[5]研究了一种基于Kalman的滤波器来解决高多普勒频移场景下的LTE时域信号畸变问题；文献[6]研究了一种在高铁场景下PRACH的ZC根序列设计的新方法。

本文基于TD-LTE物理层随机接入信道（PRACH）的特点，结合已运营的TD-LTE网络和高铁情况，研究了在TD-LTE切换区域内非竞争接入情况下的PRACH限制因素。并由Zadoff–Chu（ZC）序列产生Preamble码机理入手，依据现网用户情况，研究设计出了一套适用于中国高铁场景下的TD-LTE PRACH参数配置的方法。

2 TD-LTE PRACH信道研究

3GPP 36.211对相关的PRACH接入信道进行了详细的规定[7]，表1中对随机接入格式和时间进行了表述，帧结构2的随机接入格式0～4的Preamble设置如表2所示。

表2列出了对于一个确定的PRACH密度值DRA，不同的随机接入所需要的物理资源。每一个四元符号组用来指示一个特定随机接入资源的时频位置，其中fRA是一定时间间隔中的频率资源索引；“”分别指示随即接入资源是出现在所有的无线帧中，还是在偶数无线帧，或是在奇数无线帧中；“”分别指示随机接入资源是位于第一个半帧还是第二个半帧；是前导开始的上行子帧号，在两个连续上下行切换点间的第一个上行子帧为0，除了一直在UpPTS中传输的前導格式4，其表示为（*）。在UE端，前导格式0～3，开始时刻必须和对应的上行子帧开始时刻对齐，即NTA=0，前导格式4必须在UpPTS结束前4832·TS开始，其中UpPTS参考UE上行帧同步提前量NTA=0。

对每一种PRACH配置的随机接入首先在时间上分配，当且仅当时间上不能分配特定密度值DTA的所有随机接入的时候才考虑频分。对前导格式0～3，频率复用规则如下：

（1）

其中是上行资源块数，是分配给随机接入的第一个物理资源块，参数prach-FrequencyOffset nRAPRB offset是PRACH可用的第一个物理资源块号，它由高层配置且满足0≤nRAPRB offset≤（NRAPR-6）[8-9]。

对前导格式4，频率复用按式（2）进行：

（2）

其中nf是系统帧号，而NSP是无线帧中的上下行切换点数。对两种帧结构，每个随机接入前导带宽都为6个连续资源块大小。小区是否为高速小区将影响零相关配置与NCS的映射关系。非限制集对应低速小区，限制集对应高速小区。Preamble的NCS配置如表3所示。

NCS和小区半径、最大扩展时延有关，如公式（3）所示：

NCS×Tpreamble_s>TRTD+TMD （3）

其中：

1）NCS：循环移位长度；

2）Tpreamble_s：ZC序列的抽样长度；对于格式0～3，取值为800/839 μs，对于格式4，取值为133/139 μs；

3）TRTD：最大RTD时延（最大小区往返时延），和小区半径关系为：TRTD=6.67×r μs（r单位为km）；

4）TMD：最大时延扩展（最大多径时延扩展），由于高铁场景时延扩展较大，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）

根据表1，格式4的Preamble的TSEQ较小，并不适合高铁的场景。由公式（4）可得在格式0～3情况下NCS与小区半径r的关系表，如表4所示。

3 协议配置研究

3.1 高铁场景建模

高铁车体车厢为CRH3车厢；单节车厢长度l为25 m；

每单节车厢座位数s为80个；列车运行时速v为300 km/h；采用小区合并技术的高铁单小区半径r为1000 m；根据速率换算1 m/s=3.6 km/h，列车运行速度为83.33 m/s。

切换判决的时间（Time To Trigger）可设为640 ms，根据切换时延和单节车厢用户数，按照TD-LTE用户渗透率70%，LTE终端渗透率80%，激活比60%估算（考虑小包业务），可以得出高铁场景TD-LTE切换时每秒在单小区上会接入108用户，在TAU时每秒需接入用户数为180。

3.2 参数设计研究

UE高速运动时会产生多普勒频偏，破坏ZC序列不同循环移位之间的正交性，从而限制根序列的选择范围。一般SC-FDMA上行子载波带宽为15 kHz，但PRACH信道是个特列，格式4子载波有7.5 kHz，格式0～3子载波只有1.25 kHz，更容易受频偏影响，从而导致上行解调困难。

在非竞争接入（切换场景）下，1个PRACH/10 ms理论接入容量与RA-RNTI数量相同，可以同时接入52个基于竞争随机接入和12个基于非竞争随机接入。需考虑的负面因素有：高铁场景无线环境变化复杂，车体损耗大，SINR值普遍较低，Preamble解调困难；PRACH子载波带宽小，更容易受到频偏问题影响，Preamble解调困难。因此在PRACH实际规划中要预留足够余量，减少Preamble碰撞几率，降低eNodeB处理负荷。

（1）确定PRACH configuration index

在3.1节设立的模型中：r=1000 m，TMD为5 μs。设定Preamble format 0格式后，使用公式（5）进行计算：NCS>1.04875×（6.67×1+5+2）=14.34，通过查询前导生成序列的循环移位NCS参数，可根据需要取NCS配置2，即NCS=15。单个根序列产生的循环前导序列数为INT[839/15]=55；需要的根序列数为INT[64/55]+1=2。

按接入的模型序列，（Preamble format 0（表1）+PRACH configuration index 6（表2））可以满足模型设置中的用户接入。

（2）确定小区根序列的个数

根据K=64/（NZC/NCS）（其中K表示根序列的个数，64表示64个前导码），对于前导格式0～3：NCS=838；根据公式可以计算出在前导格式0～3情况下产生64个前导码需要的根序列个数[11]。表5为NCS和根序列关联表：

（3）确定根序列的取值范围

前导格式0～3的情况下，低速小区原则上有838个根序列都可以选择，高速小区根序列起始位置和选择范围均受到NCS取值的约束，如：

1）1 m（3英尺）≤Cell Radius≤1000 m（3281英尺）时，Root Sequence Idx的范围为24～815；

2）1000 m（3281英尺）

NCS-逻辑根序列-物理根序列映射如表6所示：

按高铁模型中的设置及表5，r为1000可得到Root Sequence Idx的范围为24～815。

4 结论

使用现网的在网运行的LTE站点，LTE中PRACH信道的配置参数主要有5个：1）是否为高速状态（High Speed Flag）界面取值范围：LOW_SPEED（低速小区指示），HIGH_SPEED（高速小区指示），ULTRA_HIGH_SPEED（超高速小区指示），EXTRA_HIGH_SPEED（极高速小区指示）；2）前导格式（Preamble Format）界面取值范围：0～4；3）PRACH配置索引（Prach-Configuration Index）界面范围：0～63；4）循环移位长度（NCS）通过零相关配置（zero Correlation Zone Config）体现，界面范围：0～15；5）根序列索引（root Sequence Index）。

综合研究的结果，在国内的高铁场景中建议配置的PRACH参数如下：

（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的配置范围为24～815，每个小区规划2个根序列。

在已运营的CML高铁上试点验证了本文提出的小区配置和PRACH参数设置，在配置前后6天的验证中，切换成功率如图2所示。该高铁平均LTE切换成功率由98.01%提升到了99.07%，该高速铁路PRACH设置取得了良好的实际应用效果。

参考文献：

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