CN108882248B

CN108882248B - 基于扇区标识的lte超长距离用户随机接入方法

Info

Publication number: CN108882248B
Application number: CN201710341856.9A
Authority: CN
Inventors: 张海林; 郑创明
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: CN108882248A

Abstract

本发明公开了一种基于扇区标识的LTE超长距离用户随机接入方法，主要解决现有技术中LTE覆盖范围小，与LTE基站之间距离较大的用户设备UE不能顺利接入网络的问题。其技术方案是：将LTE扇区分为正常扇区、较远扇区和远扇区三种类型，并通过系统消息将其广播给LTE系统内的所有用户，用户设备UE在非同步状态下发送随机接入前缀Preamble时，根据目标扇区类型自行调整上行时间，在调整后发起随机接入，从而保证所发送的Preamble能够完全落入PRACH信道内，使得超长距离用户能够正常接入LTE系统。本发明扩展了LTE现有覆盖范围及其应用范围；且覆盖范围内用户设备UE的位置信息透明，方便网络规划和管理。

Description

基于扇区标识的LTE超长距离用户随机接入方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于扇区标识的LTE超长距离用户随机接入方法，可用于扩展长期演进LTE(Long Term Evolution)现有覆盖范围，使得位于现有LTE最大覆盖范围以外的用户设备UE能够顺利完成网络的接入过程和上行时间同步。

背景技术

在LTE系统中，通常一个LTE基站划为分三个扇区，用户设备UE通过扇区接入网络获取服务。用户设备UE开机后在事先不知道扇区信息的情况下搜索扇区，首先需要经过时隙同步、帧同步、捕获主扰码三个步骤；其次用户设备UE接收并读取当前扇区所下发的系统消息，通过读取系统消息获取当前扇区的无线参数；最后用户设备UE发起基于竞争的随机接入，通过该接入过程实现上行时间同步；在用户设备UE的服务扇区授权前提下，经上行业务信道发送自己的位置信息，进行位置登记。

基于竞争的初始接入Contention based random access包含四个步骤：

1)用户设备UE在物理随机接入信道PRACH上发起随机接入前导Random AccessPreamble消息。用户设备UE发送随机接入Preamble消息时没有上行时间同步信息，因此属于非同步状态下的上行发送随机接入Preamble消息，非同步状态下的上行发送定时与下行检测定时保持一致。

2)LTE基站的每个扇区对随机接入信道PRACH进行检测，一旦检测出Preamble序列，获得对应的序列索引Preamble Index，由于当时目标扇区对发送Preamble消息的用户设备UE的信息未知，只能针对序列索引Preamble Index进行响应，然后发送随机接入响应Random Access Response消息，该消息中携带序列索引Preamble Index和上行时间调整信息Timing Advance。

3)发送随机接入Preamble消息用户设备UE收到随机接入响应Random AccessResponse消息后，调整上行定时，然后在上行时间同步状态下向目标扇区发送连接请求RRCConnection Request消息，申请建立RRC连接。

4)目标扇区收到用户设备UE发送连接请求RRC Connection Request消息后，为用户设备UE建立RRC连接，RRC连接建立完成后目标扇区向用户设备UE发送RRC连接响应RRCConnection Response消息。

到此，用户设备UE通过随机接入过程实现了上行时间同步，建立的RRC连接，能够正常使用目标扇区的上行无线资源，进行上行信息发送。

由于用户设备UE在发送随机接入序列时，上行时间同步还没完成，为了保护系统正常运行，避免用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble对邻近的子帧带来干扰，LTE协议定义了四种随机接入前缀Preamble格式，如表1，由30720·T_s＝1ms得T_s＝0.0326μs。每种随机接入前缀Preamble都有包括循环前缀CP和接入序列SEQ两部分，循环前缀CP主要用来对抗实际环境中的多径干扰，接入序列SEQ承载接入信息。随机接入前缀Preamble格式1和格式3使用了较长的CP，适用于小区半径较大的情况。格式2和格式3中重复的前导序列适用于路损较大的小区环境。格式0占据一个子帧的长度，格式1和格式2占据两个连续子帧的长度，格式3占据3个连续子帧的长度。从上表可以看出，物理随机接入信道PRACH中的循环前缀CP和前导序列SEQ并没有占满整个子帧的时间，剩余的部分即为保护时间Guard Period，这对非同步的上行PRACH来说是必要的。

表1.LTE随机接入前缀Preamble参数

前缀格式	T<sub>CP</sub>	T<sub>SEQ</sub>
			0	3168·T<sub>s</sub>	24576·T<sub>s</sub>
1	21024·T<sub>s</sub>	24576·T<sub>s</sub>
			2	6240·T<sub>s</sub>	2·24576·T<sub>s</sub>
3	21024·T<sub>s</sub>	2·24576·T<sub>s</sub>

LTE基站的覆盖距离受限于保护时间Guard Period和用户设备UE随机接入过程中上行时间调整的范围。以随机接入前缀Preamble格式3为例分析LTE协议支持的最大覆盖范围，格式3的Guard Period＝3x1000us–(21024+2x24576)x0.0326us＝714us，覆盖半径R＝3x10⁸x(714/2)x10^-6＝107Km。Guard Period是LTE基站所能检测到的用户设备UE的最大调整时间，当用户设备UE与LTE基站之间的距离大于107Km时，非同步的用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble序列将落入邻近的下一个子帧，从而干扰下一子帧对应资源的业务传输，同时也导致LTE基站不能完全接收用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble序列，造成检测错误。

发明内容

本发明目的在于扩展LTE系统的覆盖范围，提出一种基于扇区标识的LTE超长距离用户随机接入方法，将LTE扇区分为正常扇区，较远扇区和远扇区三种类型，并通过系统消息把LTE扇区类型广播给LTE系统内的所有用户设备UE，用户设备UE在非同步状态下发送随机接入前缀Preamble时，根据目标扇区类型自行调整上行定时，保证所发送的随机接入前缀Preamble消息能够完全落入PRACH信道内，目标扇区可完全接收用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble消息，从而扩展LTE现有覆盖范围。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)规划LTE基站的覆盖扇区：

按照地理位置关系将每个LTE基站原来所分的三个大扇区进一步划分，每一个大扇区均被再次分成三个小扇区，即正常扇区、较远扇区和远扇区，从而使每个LTE基站形成九个扇区；

(2)配置扇区无线参数：

(2.1)配置LTE基站所划分的九个扇区对覆盖范围内用户设备UE使用的随机接入前缀格式Preamble Format为Preamble Format 3；

(2.2)在随机接入信道配置信息PRACH-ConfigInfo中增加扇区类型SectorType信息，其数据类型为枚举类型ENUMERATED，成员为{NormSector，FartherSector，FarSector}；并配置NormSector为正常扇区类型，FartherSector为较远扇区类型，FarSector为远扇区类型；

(2.3)在随机接入信道配置信息PRACH-ConfigInfo中增加随机接入上行时间预调整PRACH-TA信息，成员为{NormTA，FartherTA，FarTA}；并配置NormTA为NormSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量；FartherTA为FartherSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量；FarTA为FarSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量；

(3)扇区广播配置的无线参数：

扇区通过系统消息SystemInformationBlockType2在小区内周期性广播配置的无线参数；

(4)用户设备UE保存收到的无线参数：

扇区内的用户设备UE通过读取系统消息SystemInformationBlockType2获取相关的无线参数并保存；

(5)用户设备UE预先调整上行时间：

各个扇区内的用户设备UE根据所保存的与目标扇区相对应的上行时间预调整信息预先调整其上行时间；即：NormSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble前，预先调整长度为NormTA的上行时间；FartherSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble前，预先调整长度为FartherTA的上行时间；FarSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble前，预先调整长度为FarTA的上行时间；

(6)用户设备UE发起随机接入：

在进行了上行时间预调整之后，用户设备UE发送随机接入前缀Preamble，申请接入目标LTE基站，其发送的Preamble到达目标扇区时落入目标扇区接收Preamble的物理随机接入信道PRACH资源内；

(7)目标扇区检测PRACH信道：

目标扇区对每一个PRACH信道进行检测，在检测出本扇区覆盖范围内用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble时，针对检测出的Preamble获得序列索引Preamble Index，并计算出该用户设备UE上行时间同步需要的时间调整TA；

(8)LTE基站发送随机接入应答消息：

LTE基站以广播的方式向随机接入用户发送接入应答消息，此消息携带有目标扇区检测出的Preamble所对应的序列索引Preamble Index及用户设备UE上行时间同步需要的时间调整TA；

(9)用户设备UE继续调整上行时间：

用户设备UE根据随机接入应答消息携带的序列索引Preamble Index与自己所发Preamble的序列索引Preamble Index一致性，判断是否为与自己相应的随机接入应答消息；若一致，则确定为自己的随机接入应答消息，用户设备UE根据该随机接入应答消息携带的时间调整TA继续进行上行时间调整，完成上行时间同步；

(10)用户设备UE接入LTE系统：

已处于同步状态的用户设备UE通过后续接入流程，最终接入LTE系统。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

第一，本发明基于扇区标识的LTE超长距离用户随机接入方法，由于用户设备UE在发送随机接入前缀Preamble时，预先调整了其上行时间，使得当前LTE基站正常扇区之外的长距离用户设备UE能够顺利接入LTE系统，从而扩展现有LTE基站的覆盖范围；

第二，本发明由于通过对扇区按照位置关系进行再次划分，从而解决了地广人稀场景下LTE基站正常覆盖范围之外的用户设备UE接入问题，扩展了LTE系统的应用范围；

第三，在本发明中，由于扇区位置类型信息和用户设备UE上行定时预先调整的时间提前量均是通过系统消息广播给小区内的每个用户，其用户设备UE的位置信息透明，从而方便进行网络规划和管理。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明中LTE基站的覆盖扇区划分情况示意图；

图3为本发明中三种类型扇区内用户设备UE经过上行时间预调整发送Preamble序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明方法作进一步清楚、完整地描述：

参照图1，本发明提供的一种基于扇区标识的LTE超长距离用户随机接入方法，具体实现步骤如下：

步骤1，规划LTE基站的覆盖扇区：

按照地理位置关系将每个LTE基站原来所分的三个大扇区进一步划分，在原来三扇区的基础上，根据其距离的远近差异将每一个大扇区再次分成三个小扇区，即正常扇区、较远扇区和远扇区，从而使每个LTE基站形成九个扇区；这九个扇区之间可以采用同频组网，也可以采用异频组网，九个扇区之间采用同频组网时，可通过扇区垂直劈裂技术把每个扇区分为正常扇区、较远扇区和远扇区三种不同类型的新扇区，这些新扇区共享同一频带资源，频谱利用效率高；通过波束赋形对地理位置不同的三个新扇区进行覆盖。

步骤2，配置扇区无线参数：

(2.1)，配置LTE基站所划分的九个扇区对覆盖范围内用户设备UE使用的随机接入前缀格式Preamble Format为Preamble Format 3；

(2.2)，在随机接入信道配置信息PRACH-ConfigInfo中增加扇区类型SectorType信息，其数据类型为枚举类型ENUMERATED，成员为{NormSector，FartherSector，FarSector}；并配置NormSector为正常扇区类型，FartherSector为较远扇区类型，FarSector为远扇区类型；

(2.3)，在随机接入信道配置信息PRACH-ConfigInfo中增加随机接入上行时间预调整PRACH-TA信息，成员为{NormTA，FartherTA，FarTA}；并配置NormTA为NormSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量；FartherTA为FartherSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量；FarTA为FarSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量；

NormSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量NormTA为0，即位于正常扇区的用户设备UE不需要预先调整上行时间；

FartherSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量FartherTA满足下式：

FartherTA＝<2R₀/c且T_GuardPeriod+FartherTA>＝(2R₀+2D₁)/c；

FarSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble的时间预先调整量FarTA满足下式：

FarTA＝<(2R₀+2D₁)/c且T_GuardPeriod+FarTA>＝(2R₀+2D₁+2D₂)/c；

其中c为光速，R₀为正常扇区覆盖的最大半径，D₁为较远扇区覆盖的最大距离，D₂为远扇区覆盖的最大距离，T_GuardPeriod为采用当前配置的前缀格式(Preamble Format)情况下的保护时间长度，且所有单位全部采用国际标准单位。

步骤3，扇区广播配置的无线参数：

扇区通过系统消息SystemInformationBlockType2在小区内周期性广播步骤2中配置的本发明相关无线参数；被广播的系统消息携带随机接入信道配置信息PRACH-ConfigInfo，包括增加在随机接入信道配置信息PRACH-ConfigInfo中的扇区类型SectorType信息和发送Preamble时用户设备UE上行时间预调整PRACH-TA信息；

步骤4，用户设备UE保存收到的无线参数：

扇区内的用户设备UE通过读取系统消息SystemInformationBlockType2获取本发明相关的无线参数，且用户设备UE在获取后会直接保存收到的无线参数。

步骤5，用户设备UE预先调整上行时间：

各个扇区内的用户设备UE根据所保存的与目标扇区相对应的上行时间预调整信息预先调整其上行时间；位于正常扇区的用户设备UE在发送Preamble时不进行上行时间预先调整，即NormSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble前，预先调整长度为NormTA＝0的上行时间；较远扇区的用户设备UE在发送Preamble时需要预先调整一个指定的时间长度FartherTA，即FartherSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble前，预先调整长度为FartherTA的上行时间，该时间调整量受到光速c、正常扇区覆盖的最大半径R₀、较远扇区覆盖的最大距离D₁以及采用当前配置的前缀格式所对应的保护时间长度T_GuardPeriod的影响；远扇区的用户设备UE在发送Preamble时需要预先调整一个指定的时间长度FarTA，且FarTA大于FartherTA，即FarSector对应的用户设备UE发送随机接入前缀Preamble前，预先调整长度为FarTA的上行时间，该时间调整量受到光速c、正常扇区覆盖的最大半径R₀、较远扇区覆盖的最大距离D₁、远扇区覆盖的最大距离D₂以及采用当前配置的前缀格式所对应的保护时间长度T_GuardPeriod的影响；对于较远扇区和远扇区内的用户如果不预先调整上行时间，则其覆盖范围内的用户设备UE在发送随机接入前缀Preamble序列到达目标扇区时，可能落入PRACH信道之外，导致无法正常接入。

步骤6，用户设备UE发起随机接入：

用户设备UE通过读取系统消息中的随机接入信道配置信息PRACH-ConfigInfo，获得目标扇区位置类型信息和发送Preamble时用户设备UE上行定时预先调整的时间提前量，在上行时间非同步状态下发送Preamble时，预先调整与目标扇区位置类型相匹配的上行定时；在进行了上行时间预先调整后，用户设备UE发送随机接入前缀Preamble序列，申请接入LTE系统，此时发送的Preamble到达目标扇区时能够落入目标扇区接收Preamble的PRACH资源内；后续的Preamble发送均遵循这一规律。

步骤7，目标扇区检测PRACH信道：

目标扇区对每一个PRACH信道进行检测，一旦检测出由本扇区覆盖范围内用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble序列，针对检测出的Preamble获得序列索引PreambleIndex，并计算出该用户设备UE上行时间同步需要的时间调整TA(Timing Advance)；TA的大小为：从PRACH的时间起点，到检测到Preamble序列的循环前缀CP中的第一个符号的时间差，根据协议定义的时间粒度进行量化，然后转化成二进制bit；

步骤8，LTE基站发送随机接入应答消息：

LTE基站以广播的方式向随机接入用户发送接入应答消息，此消息携带有目标扇区检测出的Preamble所对应的序列索引Preamble Index及用户设备UE上行时间同步需要的时间调整TA。

步骤9，用户设备UE继续调整上行时间：

用户设备UE根据应答消息继续调整上行同步时间；用户设备UE根据随机接入应答消息携带的序列索引Preamble Index与自己所发的Preamble的序列索引Preamble Index一致性，确认是否为自己的随机接入应答消息，对于自己的随机接入应答消息，根据随机接入应答消息携带的时间调整TA继续进行上行时间调整，完成上行时间同步。

步骤10，用户设备UE接入LTE系统：

同步状态的用户设备UE进行后续的接入流程；用户设备UE完成接入中的上行同步过程后，进行无线资源控制协议RRC(Radio Resource Control)连接建立相关流程，即：用户设备UE发送RRC连接请求，目标基站收到请求后发送RRC连接响应，用户设备UE收到响应后发送RRC连接，完成RRC连接的建立。处于同步状态的用户设备UE通过这一系列后续接入流程，最终接入LTE系统。

参照图2，一个位于平流层滞空平台上的LTE基站，对其覆盖范围在原来所分三个大扇区的基础上，采用扇区垂直劈裂技术按照地理位置关系的远近差异，进一步将这三个大扇区划分成9个小扇区，可分为三类：正常扇区，较远扇区和远扇区；其中所示标号1、2、3表示正常扇区，标号4、5、6表示较远扇区，标号7、8、9表示远扇区；LTE基站下的这9个小扇区采用同频组网，共享同一频带资源。

参照图3，用户设备UE通过读取系统消息获得目标扇区的扇区类型SectorType和随机接入上行时间预调整PRACH-TA信息，在当前帧内PRACH所占的子帧为n+3，n+4，n+5三个连续的上行子帧；对于位于正常扇区的用户设备UE在发送Preamble时不需要进行上行时间预先调整，按照自己接收下行定时进行上行Preamble的发送，该用户设备UE发送的Preamble到达目标扇区时，刚好落入目标扇区接收Preamble的PRACH资源内；位于较远扇区的用户设备UE在发送Preamble时进行上行时间预先调整，调整的上行时间为对应的时间长度FartherTA等于1倍的保护时间GuardPeriod长度，进行上行时间预调整后，该用户设备UE发送的Preamble到达目标扇区时，刚好落入目标扇区接收Preamble的PRACH资源内；位于较远扇区的用户设备UE在发送Preamble时进行上行时间预先调整，调整的上行时间为对应的时间长度FarTA等于2倍的保护时间GuardPeriod长度，进行上行时间预调整后，该用户设备UE发送的Preamble到达目标扇区时，刚好落入目标扇区接收Preamble的PRACH资源内。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利求保护范围之内。

Claims

1.一种基于扇区标识的LTE超长距离用户随机接入方法，包括如下步骤：

(1)规划LTE基站的覆盖扇区：

(2)配置扇区无线参数：

FartherTA＝<2R₀/c且T_GuardPeriod+FartherTA>＝(2R₀+2D₁)/c；

FarTA＝<(2R₀+2D₁)/c且T_GuardPeriod+FarTA>＝(2R₀+2D₁+2D₂)/c；

其中c为光速，R₀为正常扇区覆盖的最大半径，D₁为较远扇区覆盖的最大距离，D₂为远扇区覆盖的最大距离，T_GuardPeriod为采用当前配置的前缀格式所对应的保护时间长度，且所有单位全部采用国际标准单位；

(3)扇区广播配置的无线参数：

(4)用户设备UE保存收到的无线参数：

(5)用户设备UE预先调整上行时间：

(6)用户设备UE发起随机接入：

(7)目标扇区检测PRACH信道：

目标扇区对每一个PRACH信道进行检测，在检测出本扇区覆盖范围内用户设备UE发送的随机接入前缀Preamble时，针对检测出的Preamble获得序列索引Preamble Index，并计算出该用户设备UE上行时间同步需要的时间调整TA；TA的大小为：从PRACH的时间起点，到检测到Preamble序列的循环前缀CP中的第一个符号的时间差，根据协议定义的时间粒度进行量化，然后转化成二进制bit；

(8)LTE基站发送随机接入应答消息：

(9)用户设备UE继续调整上行时间：

(10)用户设备UE接入LTE系统：

已处于同步状态的用户设备UE通过后续接入流程，用户设备UE完成接入中的上行同步过程后，进行无线资源控制协议RRC(Radio Resource Control)连接建立相关流程，即：用户设备UE发送RRC连接请求，目标基站收到请求后发送RRC连接响应，用户设备UE收到响应后发送RRC连接，完成RRC连接的建立；处于同步状态的用户设备UE通过这一系列后续接入流程，最终接入LTE系统。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤(1)中九个扇区之间采用同频组网或异频组网。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：九个扇区之间采用同频组网时，通过扇区垂直劈裂技术把每个扇区分为正常扇区、较远扇区和远扇区。