CN114095112B - 一种基于5g nr无线通信技术的长距离接入方法 - Google Patents

一种基于5g nr无线通信技术的长距离接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于5G NR无线通信技术的长距离接入方法,所述方法包括以下步骤:步骤1，以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导格式的时域格式；步骤2，以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导序列。本发明所述基于5G NR无线通信技术的长距离接入方法的优越效果在于：所述方法设计的PRACH前导序列由ZC根序列经过循环偏移生成的，循环偏移的ZC序列具有幅度恒定、能够有效地进行功率控制、能够维护上行链路的低峰均比特性、具有理想的自相关性和互不相关性、便于基站侧获得准确的定时估计；所述方法设计的PRACH前导格式支持高达300km的覆盖半径，无需GPS信息的辅助。

Description

一种基于5G NR无线通信技术的长距离接入方法
技术领域
本发明涉及5G NR(5th Generation Mobile Communication Technology NewRadio)无线通信领域，具体而言，涉及基于5G NR无线通信技术的长距离接入前导格式的方法。
背景技术
第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology,简称5G)是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。5G NR技术应用的某些领域，如地空通信，即地面基站和空中飞机之间的通信，对终端接入的距离有较高要求，例如要求飞机在300km(kilometer)甚至更远处仍能接入基站。这是常规5G基站和终端难以实现的，3GPP规范下PRACH(Physical random-access channel,物理随机接入信道)各种前导格式(preamble format)和所能支持的小区半径最大为100km。
限制无线通信基站小区覆盖半径的因素有PRACH前导的循环前缀长度、保护间隔配置。对于300km的超远覆盖，意味着基站接收到终端发送的PRACH前导最大时延可以达到2ms(millisecond,毫秒)，电磁波传播速度3×108m/s(mile per second,米每秒)计算。了克服终端和基站之间2ms的往返时延，还要能够正常通信，3GPP LTE和5G NR现有规范中PRACH前导格式的设计都远远无法满足，所以必须设计出一种全新的PRACH前导格式，对PRACH前导格式的符号周期、循环移位(CP,Cyclic Prefix)、保护间隔(GT,Guard Time)、子载波间隔、ZC(Zadoff-Chu)序列、Ncs参数、发送周期、接收性能、实现复杂度等关键指标进行设计。
例如，中国专利申请号为201710286042.X，公开了一种基于GPS辅助的LTE超长距离覆盖随机接入方法，在终端发送随机接入前导之前，利用基站和终端的位置信息计算距离，并将该距离对应的无线信号传递时间补偿到PRACH前导的发送提前量中，从而增大小区覆盖。该方法在某些应用场景能够提高小区覆盖，但该方法需要GPS配合定位。
又例如，中国专利申请号为201710310197.2，公开了一种用于LTE超大小区的随机接入双窗口检测算法，在随机接入前导检测的过程中，应用双双窗口的方法进行检测，如果第一个窗口相关峰未超过门限则应用第二个窗口进行检测判决，该算法虽然理论上可以提升随机接入前导检测时延值，但也无法解决300km小区覆盖半径下无需GPS信息的辅助手段。
发明内容
针对上述问题，并且基于5G NR帧结构较LTE更加灵活，支持不同的子载波间隔，以及时隙格式的配置也更加的灵活的特点，设计了一种长距离接入前导格式，具体包括PRACH前导时域格式设计以及对应的前导序列设计，本发明设计的PRACH前导格式支持高达300km的覆盖半径，无需GPS信息的辅助。
本发明提出一种基于5G NR无线通信技术的长距离接入方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1，以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导格式的时域格式：
步骤1.1，确定PRACH循环前缀的时域长度，PRACH的循环前缀在有上行延迟的情况下，PRACH的循环前缀和PRACH前导序列在基站接收侧依然组成完整的PRACH前导符号，用于抵抗上行信号的传输延迟和多径延迟；对于300km的小区覆盖半径，PRACH接收端需要克服的往返时延为2ms，循环前缀长度计算如下式(1)：
其中：c为电磁波传播速度，按照3×108m/s计算；d为按照300km计算的小区覆盖半径，Trtd为电磁波在终端和基站之间往返的时间；
步骤1.2，确定PRACH前导序列的时域长度，循环前缀是从PRACH前导序列截取而得到的，Preamble前导序列的符号周期需大于等于循环前缀的长度，即Preamble前导序列的符号周期至少为2ms；
步骤1.3，确定PRACH保护间隔的时域长度，PRACH的保护间隔的时域长度用于避免PRACH前导信号的往返延迟而在接收端与下一个数据子帧或符号重合，从而造成业务信道信噪比降低；类似于循环前缀的长度也要能够抵抗上行往返延迟，保护间隔的长度也至少为2ms，考虑到2ms的符号周期长度在实际上已经足够冗余，最终确定PRACH的循环前缀、前导序列、保护间隔均采用2ms的实际长度；
步骤2，以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导序列：
步骤2.1，确定前导符号的采样点数，PRACH前导序列由ZC(Zadoff-Chu)根序列经过循环偏移生成的，循环偏移的ZC序列具有幅度恒定、能够有效地进行功率控制、能够维护上行链路的低峰均比、理想的自相关性和互不相关性及易于基站侧获得准确的定时估计，PRACH前导序列的设计和其时域资源、频域资源、系统采样率有直接关系,前导序列的符号长度已经确定为2ms，使用5G NR中122.88MHz的系统采样率，时域长度为2ms的PRACH的前导符号采样点数计算式如下式(2)：
其中：为PRACH前导的采样点数，fs为系统采样率，系统采样间隔Ts是系统采样率的倒数，Tseq为PRACH前导的符号周期；
步骤2.2，确定PRACH的子载波间隔，PRACH的子载波间隔ΔfRA由下式(3)计算：
步骤2.3，确定PRACH占用的频率资源个数以及PRACH信道子载波个数，考虑到终端侧基带信号生成过程中FFT实现的复杂度以及基站接收端匹配滤波实现的复杂度，在5G NR30kHz子载波间隔系统中，PRACH频域资源按6个PRB(Physical Resource Block,物理资源块)进行设计，则PRACH信道频域子载波个数按照下式(4)计算：
其中：为PRACH子载波个数，/>为PRACH PRB个数，/>为PUSCH信道一个RB上子载波个数，Δf为5G NR PUSCH(Physical uplink shared channel，物理上行共享信道)的子载波间隔；
步骤2.4，确定PRACH前导序列使用的ZC序列的长度，PRACH信道频域子载波总数确定之后，能够确定ZC序列的长度LRA，为了获得最佳的相关性能，ZC序列的长度LRA需要取小于PRACH子载波的质数，同时考虑到PRACH信道与其他上行信道频域上的保护间隔，需要留有部分保护子载波，将ZC序列的长度确定为4289，保护间隔子载波总数为4320-4289＝31；
步骤2.5，确定Ncs和Cν参数的取值，超远距离覆盖要求支持小区覆盖半径为300km，ZC序列不再像5G NR及LTE一样使用ZC根序列的循环偏移，而是直接使用根序列PRACH当作前导来进行通信，即NCS取值永远为0，Cν也恒为0，NCS为一个ZC根序列可用循环移位序列个数，Cν为ZC根序列循环移位的大小；
步骤2.6，生成PRACH前导使用的ZC序列，ZC序列的生成过程与3GPP 5G NR规范中保持一致，不同的是ZC序列的长度从839/139变成了4289，ZC序列的生成如下式(5)所示：
其中：xu(i)为ZC根序列，xu,v(n)为根序列经过长度为Cν的循环偏移后的前导ZC序列，序列号u的选择和配置与3GPP规范保持一致。
进一步地，步骤1.1中的电磁波在终端和基站之间往返的时间Trtd为2ms。
进一步地，步骤2.6所述序列号u的取值范围为[1,LRA-1],步长为1。
本发明所述的方法具有的优越效果在于：
1.所述方法设计的PRACH前导序列由ZC(Zadoff-Chu)根序列经过循环偏移生成的，循环偏移的ZC序列具有很好的特性：幅度恒定，可以有效地进行功率控制，并且可以维护上行链路的低峰均比特性；具有理想的自相关性和互不相关性，便于基站侧获得准确的定时估计。
2.所述方法本发明设计的PRACH前导格式支持高达300km的覆盖半径，无需GPS信息的辅助。
3.本发明所述方法，基于5G NR帧结构相较于LTE更加灵活，支持不同的子载波间隔，并且时隙格式的配置也具有更加的灵活的特点。
附图说明
图1为本发明所述方法的PRACH发送与接收示意图；
图2为本发明所述方法的PRACH时域格式；
图3为本发明所述方法的PRACH频域子载波设计结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图1-3详细说明本发明所述方法的具体实施方式。
所述方法包括以下步骤：
步骤1，以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导格式的时域格式：
步骤1.1，确定PRACH循环前缀的时域长度，PRACH的循环前缀在有上行延迟的情况下，PRACH的循环前缀和PRACH前导序列在基站接收侧依然组成完整的PRACH前导符号，用于抵抗上行信号的传输延迟和多径延迟；对于300km的小区覆盖半径，PRACH接收端需要克服的往返时延为2ms，循环前缀长度计算如下式(1)：
其中：c为电磁波传播速度，按照3×108m/s计算；d为按照300km计算的小区覆盖半径，Trtd为电磁波在终端和基站之间往返的时间；
基站和终端的定时关系如附图1所示,图1中每个slot长度为0.5ms，由于下行传输时延，终端下行同步后会有1ms的延迟，在此基础上发送PRACH信号给基站，由于上行传输延迟，再次引入1ms延迟，从而到达基站的PRACH信号总的往返延迟为2ms；
步骤1.2，确定PRACH前导序列的时域长度，循环前缀是从PRACH前导序列截取而得到的，Preamble前导序列的符号周期需大于等于循环前缀的长度，即Preamble前导序列的符号周期至少为2ms；
步骤1.3，确定PRACH保护间隔的时域长度，PRACH的保护间隔的时域长度用于避免PRACH前导信号的往返延迟而在接收端与下一个数据子帧或符号重合，从而造成业务信道信噪比降低；类似于循环前缀的长度也要能够抵抗上行往返延迟，保护间隔的长度也至少为2ms，考虑到2ms的符号周期长度在实际上已经足够冗余，最终确定PRACH的循环前缀、前导序列、保护间隔均采用2ms的实际长度，其时域格式如附图2所示；
步骤2，以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导序列：
步骤2.1，确定前导符号的采样点数，PRACH前导序列由ZC(Zadoff-Chu)根序列经过循环偏移生成的，循环偏移的ZC序列具有幅度恒定、能够有效地进行功率控制、能够维护上行链路的低峰均比、理想的自相关性和互不相关性及易于基站侧获得准确的定时估计，PRACH前导序列的设计和其时域资源、频域资源、系统采样率有直接关系,前导序列的符号长度已经确定为2ms，使用5G NR中122.88MHz的系统采样率，时域长度为2ms的PRACH的前导符号采样点数计算式如下式(2)：
其中：为PRACH前导的采样点数，fs为系统采样率，系统采样间隔Ts是系统采样率的倒数，Tseq为PRACH前导的符号周期；
步骤2.2，确定PRACH的子载波间隔，PRACH的子载波间隔ΔfRA由下式(3)计算：
步骤2.3，确定PRACH占用的频率资源个数以及PRACH信道子载波个数，考虑到终端侧基带信号生成过程中FFT实现的复杂度以及基站接收端匹配滤波实现的复杂度，在5G NR30kHz子载波间隔系统中，PRACH频域资源按6个PRB(Physical Resource Block,物理资源块)进行设计，则PRACH信道频域子载波个数按照下式(4)计算：
其中：为PRACH子载波个数，/>为PRACH PRB个数，/>为PUSCH信道一个RB上子载波个数，Δf为5G NR PUSCH(Physical uplink shared channel，物理上行共享信道)的子载波间隔；
步骤2.4，确定PRACH前导序列使用的ZC序列的长度，PRACH信道频域子载波总数确定之后，能够确定ZC序列的长度LRA，为了获得最佳的相关性能，ZC序列的长度LRA需要取小于PRACH子载波的质数，同时考虑到PRACH信道与其他上行信道频域上的保护间隔，需要留有部分保护子载波，将ZC序列的长度确定为4289，保护间隔子载波总数为4320-4289＝31，PRACH频域子载波设计如图3所示；
步骤2.5，确定Ncs和Cν参数的取值，超远距离覆盖要求支持小区覆盖半径为300km，ZC序列不再像5G NR及LTE一样使用ZC根序列的循环偏移，而是直接使用根序列PRACH当作前导来进行通信，即NCS取值永远为0，Cν也恒为0，NCS为一个ZC根序列可用循环移位序列个数，Cν为ZC根序列循环移位的大小；
步骤2.6，生成PRACH前导使用的ZC序列，ZC序列的生成过程与3GPP 5G NR规范中保持一致，不同的是ZC序列的长度从839/139变成了4289，ZC序列的生成如下式(5)所示：
其中：xu(i)为ZC根序列，xu,v(n)为根序列经过长度为Cν的循环偏移后的前导ZC序列，序列号u的选择和配置与3GPP规范保持一致，本发明所述方法设计的前导序列。
进一步地，步骤1.1中的电磁波在终端和基站之间往返的时间Trtd为2ms。
进一步地，步骤2.6所述序列号u的取值范围为[1,LRA-1],步长为1。
本发明所述方法中设计的PRACH前导格式相关的参数如下表1所示。
表1
以上描述只是本发明所述方法的一个具体实施案例，并未构成对本发明所描述内容或应用的任何限制，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 (3)

1.一种基于5G NR无线通信技术的长距离接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1,以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导格式的时域格式：
步骤1.1，确定PRACH循环前缀的时域长度，PRACH的循环前缀在有上行延迟的情况下，PRACH的循环前缀和PRACH前导序列在基站接收侧依然组成完整的PRACH前导符号，用于抵抗上行信号的传输延迟和多径延迟；对于300km的小区覆盖半径，PRACH接收端需要克服的往返时延为2ms，循环前缀长度计算如下式(1)：
其中：c为电磁波传播速度，按照3×108m/s计算；d为按照300km计算的小区覆盖半径，Trtd为电磁波在终端和基站之间往返的时间；
步骤1.2，确定PRACH前导序列的时域长度，循环前缀是从PRACH前导序列截取而得到的，Preamble前导序列的符号周期需大于等于循环前缀的长度，即Preamble前导序列的符号周期为2ms；
步骤1.3，确定PRACH保护间隔的时域长度，PRACH的保护间隔的时域长度用于避免PRACH前导信号的往返延迟而在接收端与下一个数据子帧或符号重合，从而造成业务信道信噪比降低；类似于循环前缀的长度也要能够抵抗上行往返延迟，保护间隔的长度也至少为2ms，考虑到2ms的符号周期长度在实际上已经足够冗余，确定PRACH的循环前缀、前导序列、保护间隔均采用2ms的实际长度；
步骤2,以覆盖小区半径为300km的超远距离设计长距离接入PRACH前导序列：步骤2.1，确定前导符号的采样点数，PRACH前导序列由ZC根序列经过循环偏移生成的，循环偏移的ZC序列具有幅度恒定、能够有效地进行功率控制、能够维护上行链路的低峰均比、理想的自相关性和互不相关性及易于基站侧获得准确的定时估计，PRACH前导序列的设计和其时域资源、频域资源、系统采样率有直接关系,前导序列的符号长度已经确定为2ms，使用5G NR中122.88MHz的系统采样率，时域长度为2ms的PRACH的前导符号采样点数计算式如下式(2)：
其中：为PRACH前导的采样点数，fs为系统采样率，系统采样间隔Ts是系统采样率的倒数，Tseq为PRACH前导的符号周期；
步骤2.2，确定PRACH的子载波间隔，PRACH的子载波间隔ΔfRA由下式(3)计算：
步骤2.3，确定PRACH占用的频率资源个数以及PRACH信道子载波个数，考虑到终端侧基带信号生成过程中FFT实现的复杂度以及基站接收端匹配滤波实现的复杂度，在5G NR30kHz子载波间隔系统中，PRACH频域资源按6个PRB进行设计，则PRACH信道频域子载波个数按照下式(4)计算：
其中：为PRACH子载波个数，/>为PRACH PRB个数，/>为PUSCH信道一个RB上子载波个数，Δf为5G NR PUSCH的子载波间隔；
步骤2.4，确定PRACH前导序列使用的ZC序列的长度，PRACH信道频域子载波总数确定之后，能够确定ZC序列的长度LRA，为了获得最佳的相关性能，ZC序列的长度LRA需要取小于PRACH子载波的质数，同时考虑到PRACH信道与其他上行信道频域上的保护间隔，需要留有部分保护子载波，将ZC序列的长度确定为4289，保护间隔子载波总数为31；
步骤2.5，确定Ncs和Cν参数的取值，超远距离覆盖要求支持小区覆盖半径为300km，ZC序列不再像5G NR及LTE一样使用ZC根序列的循环偏移，而是直接使用根序列PRACH当作前导来进行通信，即NCS取值永远为0，Cν也恒为0；
步骤2.6，生成PRACH前导使用的ZC序列，ZC序列的生成过程与3GPP 5G NR规范中保持一致，不同的是ZC序列的长度从839/139变成了4289，ZC序列的生成如下式(5)所示：
其中：xu(i)为ZC根序列，xu,v(n)为根序列经过长度为Cν的循环偏移后的前导ZC序列，Cν取值为0，序列号u的选择和配置与3GPP规范保持一致。
2.按照权利要求1所述基于5G NR无线通信技术的长距离接入方法，其特征在于，步骤1.1中的电磁波在终端和基站之间往返的时间Trtd为2ms。
3.按照权利要求2所述基于5G NR无线通信技术的长距离接入方法，其特征在于，步骤2.6所述序列号u的取值范围为[1,LRA-1],步长为1。
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