高速场景下5G网络PRACH规划

林华乐 冼海恒

摘要：為了满足更高的移动速度、更高的载波频率，5G R15标准在随机接入中引入了新的限制集，研究这个新的限制集是一个重要的课题。通过发现可用根序列集合及其分布规律，提出一种简单实用的PRACH根序列规划方法，大大降低基站和手机的实现复杂度，降低PRACH规划难度。

关键词：5G网络;高速场景;PRACH规划;限制集;随机接入

1   引言

5G网络支持的移动速度将达到500 km/h，支持更高的载波频率，国内已公布供5G使用的频率有3.5 GHz和4.8 GHz，要求5G网络能够支持超过2.5 kHz的上行多普勒频偏。为了满足这个要求，R15标准在R8标准的PRACH前导码循环移位限制集（限制集A）的基础上，引入第二个新的限制集（限制集B）。5G网络在高速场景下的接入性能与限制集B的应用密切相关，研究限制集B的特性和规划方法是一个重要的课题。本文从标准定义出发，演算限制集B的计算过程，得到特定NCS值下的可用根序列集合及其分布规律，提出一种简单实用的PRACH根序列规划方法，并针对高铁场景给出规划示例。

2   PRACH限制集合

当UE静止或者低速移动时，多普勒频移的影响较小，循环移位的使用没有限制，即UE根据小区下发高层参数zeroCorrelationZoneConfig，即Ncs，计算循环移位，再得到一共64个随机接入前导码。对于一个根序列，经过循环移位后产生的前导码个数为LRA/NCS」，如果小于64，则根序列索引序号加1后，继续通过循环移位生产前导码，直到生成足够64个前导码。

当UE高速移动时，由于多普勒频移效应，基站侧在频域做相关检测时会有多个峰值出现，侧峰会在与主峰相距du的整数倍处出现，当频偏较大时，侧峰将会超过主峰，导致严重的虚警问题。因此，在UE高速移动场景下，针对不同的根序列索引，要限制使用某些循环移位，以规避这个问题。

LTE支持UE移动速度达到350 km/h，R8标准引入了一个限制集（与R15标准中的限制集A相同），这个限制集可应对1.25 kHz的多普勒频移。而NR要求支持UE移动速度达到500 km/h，R15标准引入了一个新的限制集（限制集B）来应对高达2.5 kHz的频移。两个限制集合的定义如公式（1）所示。

3   PRACH规划研究

3.1  限制集演算

R15标准中仅仅给出了限制集的计算公式，要获得其特性，首先需要进行详细的演算，本文重点对限制集B进行分析。

（2）计算前导码数量

（3）计算循环移位限制集合

根据限制集计算公式（1），一个根序列产生的前导码序列数量为。以NCS=15，物理根序列u=220为例，生成的前导序列数量为：4×1+2+2+0=8，如表2所示，各个循环移位之间的间隔并不相等。

3.2  限制集分布规律

第3.1节对限制集B进行了演算，遍历计算所有的NCS，以子载波间隔15 kHz为例，可用的逻辑根序列数量以及产生的前导序列总数如表3所示。随着NCS的变大，可用的根序列也越少。当NCS=137时，可用的根序列只有130个。

将不可用的逻辑根序列标记为1，绘制离散图，以NCS=15为例，不可用的根序列有76个，分布情况如图2所示，不可用根序列一部分集中分布在两侧，一部分离散分布在中间。但是，与此同时，中间存在两个区域，其包含的根序列是连续可选的。对于其他的NCS值，逻辑根序列的分布也具有这个规律。

3.3  PRACH根序列规划方法

由第3.2节的分析，对于限制集B，可用根序列有一部分是离散分布的，如果选用这些根序列作为一个小区产生64个前导码的起始根序列，那么将带来两方面的问题：第一、基站和终端需要记录使用不同起始根序列时所需要占用的全部根序列，导致复杂度大幅上升;第二、每个小区占用的根序列数量不同，导致PRACH规划也非常复杂。

因此，本文针对限制集B的特性，提出一种简单使用的根序列规划方法，在RACH容量足够的情况下，选用逻辑根序列连续可用的两个范围，然后取范围内根序列最大间隔进行规划，避免相邻小区前导码冲突，如表4所示。比如NCS=38，选取连续可选范围64-273及558-789，共计442个根序列，使用最大间隔28，那么共有15组根序列可用于规划。

3.4  高铁场景规划示例

高铁线路规划的小区半径一般为3 km～4 km，取NCS=38，可用于规划的根序列有15组，取前3组用于高铁规划，逻辑起始号分别为64、92、120，规划结果如图3所示：

4   结束语

前文对5G R15标准中引入的限制集B进行了详细的演算，分析发现其前导码分布规律，并由此提出一种简单实用的根序列规划方法，在牺牲一定数量可用根序列的情况下，可大大降低基站及手机的实现复杂度，降低PRACH根序列规划的难度，具有很好的指导意义。此外，前文还给出了高铁场景PRACH根序列规划的示例，后续需要进一步推进在现网中验证。

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