LTE PRACH信道的参数配置分析

1.9 8.8 58.3
假设为了切换时能够采用一个异步的方法，一个相同的preamble应该在后续连续5个时 刻上被保留，而下行资源分配（下行数据到达）只是需要在 1 个随机接入时刻上 1 个专用 preamble即可。因此可以采用一个因子5修正切换时的非竞争随机接入负载，从而得到总的 非竞争式随机接入负载为：
7.00%
6.00%
5.00% 16 signatures 32 signatures 64 signatures 3.00% 128 signatures
4.00%
2.00%
1.00%
0.00%
11 0
13 0
15 0
17 0
进一步考虑将随机接入区分为竞争式的和非竞争式两种情况， 为非竞争式随机接入预留 preamble。提案R2-070205中给出在假设的话务模型下，小区竞争式随即接入负载和非竞争 式随机接入负载随小区覆盖范围内UE数变化而变化的情况，如下图所示。
TCP TRTT TDS ， TGT TRTT
其中，TTCP 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 3：
具体可以叙述为： Preamble 格式 0：持续1ms，序列长度800us，适用于小、中型的小区，最大小区半径 14.53km，此格式看满足网络覆盖的多数场景。 Preamble 格式 1：持续 2ms，序列长度 800us，适用于大型的小区，最大小区半径为 77.34km。 Preamble 格式 2：持续 2ms，序列长度 1600us，适用于中型小区，最大小区半径为 29.53km。 Preamble 格式 3：持续 3ms，序列长度 1600us，适用于超大型小区，最大小区半径为 100.16km；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157.292μs （ 2个OFDM符号的突发） ， 适用于小型小区，小区半径≤1.4km，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。
1.1.4 相邻小区 RACH 时域、频域的分配原则 相邻小区间的 PRACH 信道的时域或频域位置尽可能错开，因前导格式 4 是在 UpPTS 时 隙上，且不支持配置频率偏移，多个小区之间时域上、频域上可以选择的不同的时、频域位 置较少，建议小半径一般采用 Format 0 格式的 PRACH。 1. 频域相同，时域不同 此种情况， “PRACH 配置索引（prach-ConfigurationIndex） ”参数需配置不同，相邻小区 在 RACH 密度选择相同的情况下，通过三种方式将 PRACH 的时域配置不同： 将 PRACH 配置在不同无线帧上，此情况只适用于 RACH 密度为 0.5。 将 PRACH 配置在不同的前后半帧上。 将 PRACH 配置在不同的上行子帧序号上，此情况只适用于前导格式 0~3。
2. 时域相同，频域不同 此种情况，相邻小区的“PRACH 配置索引（prach-ConfigurationIndex） ”参数可以配置 相同， 通过参数“频率偏移（prach-FrequencyOffset） ”配置不同，保证给小区的 PRACH 信道频域位置不同。此方法只适用于前导格式 0~3，前导格式 4 时，不需要配置“频率偏移 （prach-FrequencyOffset） ”参数。 1.2 零相关配置（zeroCorrelationZoneConfig）
LTE PRACH 信道的参数配置分析
1 PRACH 信道的配置参数
LTE 中 PRACH 信道的配置参数主要有五个，都是小区级参数分别是： PRACH 配置索引（prach-ConfigurationIndex） 零相关配置（zeroCorrelationZoneConfig） 根序列索引（rootSequenceIndex） 是否为高速状态（highSpeedFlag） 频率偏移（prach-FrequencyOffset）
(0) (1) ( 2) , t RA , t RA ) 的含义如下： 表格中 ( f RA , t RA
f RA ：在 prach-FrequencyOffset 的基础上指示同一时刻内频分的各个 PRACH 信道的频
率位置；
( 0) t RA 0,1,2 ：指示 PRACH 信道的无线帧位置，0 为全部无线帧，1 为奇数无线帧，2 为
（公式 1）
其中，对于前导格式 0-3， N 24576 ，对于前导格式 4， N 4096 ； 对于前导格式 0-3， N ZC 839 ，对于前导格式 4， N ZC 139 ；
TDS 为最大多径时延扩展，是小区边缘 UE 对抗多径干扰的保护；
c 为光速。
原则上，Ncs 越大，小区半径越大，以下是根据公式 1 计算获得的前导格式 0-3 、前导 格式 4，Ncs 数值及其对应的最大小区半径(假设 TDS 5.21us )关系表。
满足 1- P0 – P1-…- Px < 0.5%的 x=9，因此预留 9 个非竞争式 preable 就可以满足 上述 7000 个 UE 时的非竞争式的随机接入负载需求。 可以看出非竞争式随机接入的 preamble 利用率大大提高了。 补充 根据以上分析，不考虑当小区覆盖范围内的用户数小于 7000 时，PRACH 密度配置为 2，在一般情况下式可以满足需求的。如果用户数小于 3500 则可以考虑将 PRACH 密度配 置为 1。
下面两幅图是 3GPP 相关提案中给出的不同 RACH 负载下的碰撞概率曲线， 其中第二幅图是对第一幅图在碰撞概率低于 1%时的缩放。途中横坐标表示 1s 中内发起 RACH 的总次数（竞争式） ，纵坐标表示碰撞概率，64signatures 表示
10ms 周期内共有 64 个 preamble 可用，128signatures 表示共有 128 个 preamble 可用。从第一幅图可以看出如果目标碰撞概率设为低于 1%，则每 10ms128 个 preamble 可以支持 200 次/s 的竞争式随机接入。
1.1 PRACH 配置索引（prach-ConfigurationIndex）
1.1.1
参数基本信息
用于指示小区的 PRACH 配置索引。该参数指示了 PRACH 的频域资源索引、时域的无 线帧、半帧、子帧的资源占用情况。该参数确定后，小区 PRACH 的时、频资源即可确定， 同时也确定了采用的前导格式（0~47 为前导格式 0~3，47~57 为前导格式 4） ，其定义见下 表（36.211 Table 5.7.1-4） 。
其他用户发生碰撞的概率为：
N 1
。即用户 A 不和
时间间隔 T 内，随机接入的用户数 N 表示为：
从上式可以看出，一定 PRACH 密度情况下，目标碰撞概率对所支持的随机接入的用户
UE 数需求起决定作用。设定用户可以接受的碰撞概率 pcoll =1%（在 LTE 中，检测到碰撞后就
可以使用回退机制） ，一个 PRACH 资源（一个 1.08MHz 带宽的时频资源）中的 64Preambles 均 用 于 竞 争 随 机 接 入 m 64 ， 则 一 个 PRACH 资 源 可 以 接 入 的 用 户 数
19 0
10
30
50
70
90
虽然预留会导致竞争式的preamble个数的减少， 但是由于可以通过分配的方式避免碰撞， preamble的使用效率会得到提升。以7000个UE时非竞争随机接入的负载是68.1 access/second为例，这个负载由以下三部分构成：
- Call establishment (RT): - Handover (RT): - Handover (NRT):
表 4: N CS for preamble generation (preamble format 4).
1.2.2 Ncs 与小区半径的关系 Ncs 与小区半径相关，下面是 Ncs 和小区半径 r 的关系参见如下公式：
r
N N N ZC Ts TDS TRTT c CS c 2 2
1.2.1 参数基本信息
2）功能描述 该参数指示 PRACH 前导序列生成使用的循环移位配置 N CS 的索引值，如下表 3（36.211 Table 5.7.2-2:） 、表 4（Table 5.7.2-3） ，对于前导格式 0-3，本参数的取值范围为 0-15，对于 前导格式 4，本参数的取值范围为 0-6， “unrestricted set”或“restricted set”参数“是否为 高速状态”由 2.1.4 节的“是否为高速状态（highSpeedFlag） ”指示。 表 3 N CS for preamble generation (preamble formats 0-3).
N 6 4 ln 1
0 1 .0
0 .6432 个。如果一个无线帧（ 10ms）内有两个 PRACH 资源（即密
度为 2） ， 则每秒钟可以接入的用户数为 N 100 2 64 ln 1 pcoll 128 个。 这就是 LTE
UE


中期望的典型 PRACH 负载能力。
UE 码数 preambles），用户等概率地选择这些资源中的一个，任一用户 A 的碰撞概率为 pcoll 。
用户发生碰撞后，重新进行随机接入时，在这个简单模型中记为一个新用户的接入，则任一 用户 A 选定资源集（共 T m 个资源）中某一资源时，其它用户不和该用户发生碰撞，即其
T m 1 它用户都选择其他 T m 1 个资源，其概率约为 T m
1.9 （8.8+58.3） 5 337 access/second ， 或 者
3.37/occasion（假设10ms inter-occasion period） 。进一步假设： 平均需要分配 3.37 个专用 preamble 每个随机接入时刻的 preamble 需求到达满足 Poisson 分布 能够接受的专用 preamble 消耗完的概率是 0.5%
1.1.3 RACH 容量选择 这里用一个简单的模型来估计有限的 PRACH 资源上的竞争随机接入用户的承载数量。 设 定在某时间间隔 T 中需要进行随机接入用户数为 N （用户数足够大，即用户间），随机接 入的资源数为 T m （随机接入的资源数由 PRACH 的密度决定。 m 表示Biblioteka Baidu 10ms 内的 preambles
偶数无线帧；
(1) t RA 0,1 ：指示 PRACH 信道在无线帧的前半帧或后半帧，0 为前半帧，1 为后半帧；
( 2) t RA ：指示 PRACH 信道在“5ms 半帧”内的上子帧序号，带*表示在 UpPTS 上。
1.1.2 前导码格式与小区半径的关系
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 )三个部 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， 36.211协议规定了五种格式的PRACH 循环前缀长度、 序列长度、 以及GT长度如下表3。 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