吴 松

（北京新邮通通信设备有限公司 北京100035）

1 引言

在移动通信系统中，定时同步是UE和网络进行正常数据通信的前提，对于LTE系统，UE可以利用随机接入过程，通过发送PRACH Preamble来获取上行定时同步。一般来说，当UE处于如下几种状态时，需要通过发送PRACH Preamble来获取上行定时同步：

·UE处于RRC_IDLE状态，需要进入RRC_CONNECTED状态时；

·UE处于RRC_CONNECTED状态，有上行或下行数据到达，而上行处于“失步”状态时；

·UE需要进行切换时；

·UE无线链路失败后进行RRC链接重建立过程时。

可以看到，PRACH信道在LTE系统中是一个极其重要的公共信道，使用非常频繁，如何设计一个合理的PRACH信道，对于提高整个网络的覆盖性能，显得尤为重要。根据3GPP需求，LTE系统的最大覆盖半径不少于100 km，考虑到实际组网时大部分场景的小区覆盖半径一般远小于100 km，为了降低PRACH信道的资源开销，在3GPP R8规范中，针对LTE FDD和TD-LTE，设计了多种PRACH Preamble格式，以满足不同的小区覆盖半径需求。其中 Preamble格式类型 0、1、2、3（Preamble Format 0、1、2、3）为LTE FDD和TD-LTE通用，而针对TD-LTE特殊的帧结构，设计了 Preamble格式类型 4（Preamble Format 4），用于小区半径较小时的热点覆盖。

本文针对3GPP R8规范中提出的5种PRACH Preamble格式，结合Preamble的结构设计和链路预算，分析不同Preamble格式的覆盖性能。

2 PRACH信道设计及理论覆盖半径

LTE中PRACH Preamble仍然可以看成是一个OFDM符号，包括循环前缀（CP）和序列两部分，CP的作用与正常的OFDM符号中CP的作用相同，可以抗多径时延扩展，最大限度地消除载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）。同时，为了保证处于小区边缘的UE发送的Preamble能在允许的时间点内达到基站，需要考虑小区边缘UE到基站的最大传播时延的影响，因此在PRACH所在的子帧，必须预留一定长度的保护时间（guard time，GT）。PRACH Preamble的结构如图1所示。

图2以帧结构类型2为例，给出了5种Preamble格式的时域结构。PRACH信道各个参数TCP、TSEQ和TGT的选取，与PRACH信道支持的小区覆盖半径相关，影响各个参数具体取值的因素主要包括：环回时延（round trip delay，RTD）、能容忍的时延扩展以及Preamble序列的检测性能。

LTE系统中 PRACH Preamble采用 Zadoff-CHU（ZC）序列。通过综合考虑Preamble序列的误检率要求、可用的Preamble数目及最小化Preamble与其他信道间干扰等几个因素，3GPP R8规范中针对Preamble Format 0和1，选取的Preamble序列长度TSEQ为800 μs，而为了进一步提升小区边缘UE发送的Preamble的检测性能，针对Preamble Format 2和3，通过将800 μs序列重复的方式，使这两种格式的Preamble序列长度为1 600 μs。

循环前缀长度TCP的选取，主要考虑系统容忍的时延扩展和RTD这两个因素，而GT长度，一般等于RTD。对于Preamble Format 0和2，CP长度所能容忍的时延扩展基本与PUSCH符号的CP能容忍的时延扩展相同，取5.2 μs，而对于Preamble Format 1和3，其CP长度能容忍的时延扩展取16.67 μs，即使覆盖半径达到100 km，也能满足时延扩展的需求。对于RTD，与小区覆盖半径R相关，具体可根据公式 RTD（μs）=2×R（m）/300（m/μs）计算。

表1给出了目前3GPP R8规范中定义的5种Preamble格式的CP长度、序列长度和保护时间长度的定义，根据每种Preamble格式的GT长度，采用公式R=GT（μs）×0.3（km）/2计算出不同 GT长度下支持的小区覆盖半径（其中每个样点的周期TS=1/37.2=0.02688 μs）。

表1 Preamble参数取值

从表1可以看出，覆盖半径最大的Preamble Format 3，理论覆盖半径超过了100 km。而Preamble Format 4由于整个序列长度较短，支持的理论覆盖半径约为1.41 km。由于Preamble Format 4充分利用了TD-LTE帧结构特点，映射在UpPTS时隙，只占用较少的资源，所以在热点覆盖时更有优势。

3 PRACH信道带宽及频域映射

根据3GPP R8规范定义，每个PRACH信道分配的带宽为6个物理资源块（PRB），即1.08 MHz。为了尽可能保证PRACH信道与相邻PUSCH信道子载波的正交性，降低PUSCH对 PRACH的干扰，对于 Preamble Format 0、1、2、3，采用的子载波间隔ΔfRA=1.25 kHz，1.08 MHz的带宽对应的子载波数为 864，而 Preamble Format 0、1、2、3 实际采用的Zadoff-Chu序列长度为839，还剩余864－839=25个子载波可用于PRACH信道两端的保护频带，因此对于Preamble Format 0、1、2、3，实际占用的频带宽度为 839×1.25 kHz=1.04875 MHz。对于 Preamble Format 4，采用的子载波间隔ΔfRA=7.5 kHz，1.08 MHz的带宽对应的子载波数为144，而Preamble Format 4实际采用的Zadoff-Chu序列长度为139，还剩余144－139=5个子载波可用于PRACH信道两端的保护频带，因此对于Preamble Format 4，实际占用的频带宽度为 139×7.5 kHz=1.0425 MHz。图 3为Preamble Format 0、1、2、3 在 频 域的映射示 意 ，图 4 为Preamble Format 4在频域的映射示意，SCRA表示随机接入的子信道。

4 PRACH链路预算分析

从§2可以看到，不同的Preamble格式，支持的理论覆盖半径不同。在进行真实网络部署时，各种Preamble格式的实际覆盖性能，还与具体的覆盖场景、系统配置和终端能力等级等关系很大，下面针对普通城区覆盖场景，UE单天线发基站两天线接收配置下，通过链路预算，分析每一种Preamble格式支持的覆盖距离。

（1）链路参数说明

①发送端

·单天线最大发射功率：上行方向，根据3GPP TS36.101定义，终端发送功率取23 dBm。

· 发射天线数：上行方向，终端采用单天线发送。

· 发射天线馈线、接头和合路器损耗：上行方向，通常情况下天线损耗很小，一般认为和终端的天线增益抵消，所以取值为0 dB。

· 发射天线增益：上行方向，一般认为天线增益抵消接头等损耗，取值为0 dBi。

· 人体损耗：上行方向，对于语音业务移动台，一般取2～3 dB；对于数据业务移动台，可以不考虑人体损耗影响，即取值为0 dB。

· 等效全向辐射功率（EIRP）：EIRP＝用户多天线最大发射功率＋发射天线增益－发射天线馈线、接头和合路器损耗－人体损耗。

②接收端

· 接收天线增益：上行方向，定向天线的增益为15 dBi。

· 接收天线馈线和接头损耗：上行方向，发射天线馈线、接头和合路器损耗，一般小于1 dB，这里取0.6 dB。

· 接收天线分集增益：上行方向，在LTE链路仿真中，已经将接收分集增益考虑在解调信噪比要求中。

· 人体损耗：上行方向，基站端为0 dB。

· 热噪声密度：－174 dBm/Hz。

· 噪声系数：上行方向，基站一般取5dB。

· 目标SNR：通过链路仿真获得不同信道的BLER和SNR的关系。

· 接收机灵敏度：接收机灵敏度＝热噪声密度＋10 lg（带宽）＋噪声系数＋目标SNR。

· 干扰储备：取值一般需要通过干扰储备仿真获得。

· 快衰落储备：在移动传播环境中，接收信号功率经过闭环快速功控将能够有效补偿快衰落造成的信号衰落，特别是对于慢速移动的用户。在实际环境中，当移动台位于小区边界并受快衰落影响时，由于受最大发射功率的限制，移动台或基站无法通过功率控制来克服快衰落，此时就会使解调性能恶化。因此，在网络设计时可以根据需要在链路预算中增加快衰落储备。一般可以对慢速移动用户取2～5 dB，快速移动用户取0 dB。对于 LTE中PRACH，快衰落储备取0 dB。

· 最小接收电平：最小接收电平＝接收机灵敏度－接收端总增益＋干扰储备＋快衰落储备。

表2 普通城区各种Preamble格式链路预算

·室外传播模型：采用3GPP TS36.942建议的Macro-urban 模型 L=40·（1-4·10-3·Dhb）·lg(R)-18·lg（Dhb）+21·lg（f）+80 dB，其 中 R（km）为 基 站 与UE 间距离，f（MHz）为载波频率 ，Dhb（m）为基站天线高度，按高于平均房顶高度测量，模型中f取2 000 MHz，Dhb取 15 m，整理为斜截表达式：L=128.1+37.6lg（R）。

· 边缘通信概率：影响到阴影储备的取值，一般根据不同需要取75%～95%，网络部署初期可取75%。

· 阴影储备：为了保证小区边缘一定的覆盖概率，在链路预算中，必须预留出一部分余量即阴影储备，以克服阴影衰落对信号的影响。

· 穿透损耗：当使用室外宏蜂窝进行室内覆盖时，需要在链路预算中考虑建筑物穿透损耗。该参数属于传播相关参数，其具体取值随建筑物的结构材料、建筑布局、用户在建筑物内的位置、与基站的接近程度和方向而变化，范围一般在5～40 dB，普通城区可取18 dB。

（2）链路预算结果

普通城区覆盖场景下初步的链路预算结果如表2所示，从各种Preamble格式链路预算结果可以看出，受终端发送功率、信道传播模型等影响，各种Preamble格式的实际覆盖半径，与理论覆盖半径差别较大。对于覆盖距离最小的Preamble Format 4，室外覆盖半径约1.15 km，室内覆盖半径约0.9 km，基本可以满足热点城区大部分场景的覆盖性能要求。

5 结束语

本文以普通城区覆盖场景为例，给出了各种Preamble格式的链路预算分析，其他覆盖场景和配置下各种PRACH Preamble格式的链路预算结果，很容易通过仿真和分析获得。PRACH信道的实际覆盖性能，与网络部署的覆盖场景、传播模型、eNB和UE的收发天线配置、UE的发送功率等级等因素密切关联，其实际的覆盖性能有待于进一步通过真实网络测试进行验证。

1 3GPP TS36.211 V870.Physical channels and modulation

2 3GPP TS36.942 V820.Radio frequency(RF)system scenarios

3 3GPP TS36.104 V860.Base station (BS)radio transmission and reception

4 3GPP TS36.101 V860.User equipment(UE)radio transmission and reception