通信算法之230: 5G随机接入PRACH及长度计算

在介绍超远覆盖特性 之前,先需了解一下终端接入网络的基本过程。在任何情况下,终端同网络建立通信,都需通过RACH(随机接入信道)向网络发送一个报文来向系统申请一条信令信道,这就是随机接入的过程。根据3GPP 5G R15标准,随机接入中用户通过PRACH信道发送随机接入前导码,开始尝试接入网络。

"

**那什么是前导码(也叫Preamble码)?**Preamble码是一个序列,用于基站区分不同的随机接入请求。3GPP根据不同的使用场景定义了多种不同前导码格式(Preamble format)。在LTE中,只使用长序列,在NR中,使用长序列和短序列。

长序列:长度839,支持源自LTE前导码的四种前导码格式,主要针对大型蜂窝部署场景。

短序列:长度139,NR中引入了9种不同的前导码格式,主要针对小型小区和室内部署场景。

针对超远覆盖特性,属于大型蜂窝部署场景,选择长序列码,常见长序列码表见下图1。

图1

由此,通过选择不同的前导码格式,可以决定不同的小区覆盖半径,从而实现超远覆盖特性。打个比方,有点类似**"按需下单"**。

结合终端举个例子,三个不同位置的UE1\2\3(见图2),同时向基站发送前导码,那么基站首先会收到近端UE1的前导码请求,然后是UE2的前导码请求,最后收到处于边界的UE3的前导码请求。这三个UE的前导码是接收完整的,也不会对相邻的子帧造成干扰。如果有个UE4,距离比UE3还要远,超出了小区覆盖半径,此时基站无法收到完整的前导码。因此,UE4将无法接入到该小区。

图2

进一步打开前导码分析,由图2可见,前导码由CP (循环前缀)、preamble sequence (申请接入的序列号,此文不做赘述)、GP(保护间隔)三部分组成。

1

CP(循环前缀)

众所周知OFDM具有很好的正交性,能有效克服频域上自身的干扰问题,但是无法克服由于多径时延造成的子载波间的干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)。多径时延表现为信号经过无线信道后发生的较大时延。对此在每个OFDM符号之前加入循环前缀(CP)。只要多径时延不超过CP长度,就能保证各子载波的整数波形,从而消除多径带来的子载波间的干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)。

有些复杂举个例子,如下图3子载波1是一个没有发生延迟的信号。子载波2由于多径效应发生1/8秒的延迟,导致在接收窗口区间,无法收到前1/8的波形,但可通过循环此波形的形状,并将缺损的波形前插至空缺处,实现波形的完整性。打个比方,壁虎的小尾巴被咬了,还能再复刻出来,但被咬掉的太多(超过CP时间了),就复刻不出来了。

图3

因此CP长短会影响小区支持最大半径,CP支持小区最大半径:(CP/2*300000)KM,依据是单程路程=往返时间/2*光速。

2

GP(保护间隔)

保护间隔(GP),是符号与下一个符号之间的留白时间。终端检测SSB(同步信号块,是基站侧发送的广播和同步信号)时间已经比基站侧发送时间延迟Δt,终端上行发送preamble后到达基站时间也会延迟Δt时间,当2*Δt<=GP时,基站侧能正确接收Preamble,对应小区支持最大半径:(GP/2*300000)KM。

结合图1和图3,不同format支持不同小区半径:

Format0:持续1ms,GP时长0.0968ms,CP时长0.103ms,最大小区半径:min(GP,CP-16.67μs)*300000/2=14.5KM。

图4

Format1:持续3ms,GP时长0.713ms,CP时长0.6844,该格式最大小区半径:min(GP,CP-16.67μs)*300000/2=106.9KM。

图5

根据如上数据,Format1格式即是适配海面、沙漠等超远距离覆盖定义的一种Preamble格式,此格式下最大可支持的小区半径可达100km左右,从而在协议层面实现超远覆盖特性的上限 。实际测试情况下,还需考虑站点及终端的海拔高度、基站发射功率、天线增益等因素。此外,通过加大CP、GP值达到覆盖远的目的,也是需要付出代价的,导致系统开销增大、调度时延增大、速率降低等。

实测情况:

佘山岛、崇横海事开启超远特性后,4/5G平均覆盖距离扩大至30km+,4G/5G业务量增加128%+。从佘山岛至横沙渔港进行测试,在进出港15km以内海域5G下行速率70Mbps,4G下行速率20Mbps;5G上行速率20Mbps;4G上行速率达到3Mbps,VoNR语音通话清晰无断续,抖音播放流畅无卡顿。当然,这些数据离理论值仍有差距,还需持续更新。

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