5G PRACH Preamble 码

5G系统PRACH前导码设计需要考虑了控制面面时延、覆盖和目标MCL（maximum Coupling Loss）的要求。

目标

根据TR38.913介绍的NR场景和要求。关键性能指标（KPI）之一是控制面时延。控制面时延是指从小区有效状态（如空闲）到开始连续数据传输（如活动）的时间。控制面时延的目标应为10ms。与现有LTE系统相比，NR的控制面时延目标显著降低（从100ms降低到10ms）。在这种情况下，就时延而言，有必要有效地设计PRACH传输和RACH过程。考虑到其他numerology或服务，需要澄清控制面时延的目标在numerology或服务中是相同的还是不同的。

根据目标MCL，对于下行数据速率为2Mbps、上行数据速率为60kbps的固定用户基本MBB业务，最大耦合损耗（maximum coupling loss）目标为140dB。对于移动用户，下行数据速率为384kbps是可以接受的。对于下行数据速率为1Mbps、上行数据速率为30kbps的固定用户基本MBB业务，最大耦合损耗目标为143dB。在这种耦合损耗下，相关的上下行控制信道也应充分发挥作用。对于mMTC，极端覆盖范围内的UE电池寿命应基于源自移动的数据传输活动，包括每天200字节的UL，然后是164dB MCL的20字节DL。当假定不同载波频率使用相同的ISD（inter-side distance）时，较高载波频率的总耦合损耗可能大于较低载波频率的总耦合损耗。换言之，如果认为目标MCL在不同载波频率上是相同的，则随着载波频率的增加，小区覆盖或PRACH覆盖将减少。在本文中，为了简单起见，假设PRACH传输的目标MCL设置为143dB。

关于评估假设，以100km小区半径为目标的极端农村情况假设载波频率低于3GHz频带（低于1GHz（例如700MHz）可以优先考虑）。换句话说，它可能不需要为所有候选载波频率（尤其是6GHz以上的情况）支持100km的小区半径。同时，相对较小的小区半径/覆盖范围（例如20m、200m或500m），如室内热点或城市宏/微将支持6GHz以上的载波频率。

PRACH preamble 设计因素

在本文中，为PRACH前导码设计提供了MCL分析。在此阶段，为简单起见，假设所需的前导序列能量与热噪声比Ep/No为18dB，以满足漏检和虚警（false alarm）概率。Ep/No的详细值可在以后根据链路级模拟结果进行更新。MCL计算的其余假设如附录A所示。图1显示了取决于PRACH前导序列持续时间的MCL值。根据MCL分析，PRACH传输的序列持续时间需要至少为0.8ms，以满足143dB的MCL。

更高载波频率（例如6GHz以上）的耦合损耗不会接近目标MCL，因为路径损耗没有完全补偿，在这种情况下，可以考虑使用（模拟）波束赋形来增强耦合损耗以实现目标MCL（例如143dB）。然而，在这种情况下，有必要考虑波束扫描过程的持续时间，以找到足够的波束方向之间的EB和UE。考虑到波束扫描过程所支持的序列持续时间和波束方向的数量，PRACH前导传输的总持续时间可能相当大，尤其是当数据符号大小很小时，因为较高载波频率的子载波间隔较大。为了缓解这个PRACH开销问题，可以考虑减少PRACH前导的序列持续时间。然而，根据MCL分析，MCL值将降低。例如，如果序列持续时间减少到0.2ms，则MCL值将更改为137dB。换句话说，PRACH覆盖范围可以减少。

为了满足控制面时延的要求，有必要减少RACH过程的总持续时间，包括PRACH前导传输和后续传输（例如RAR、Msg3、Msg4）。首先，可以考虑设计具有短序列持续时间的PRACH前导码。由于短序列持续时间缩短的MCL将小于目标MCL（例如143db），因此有必要研究如何在短序列持续时间内增强PRACH前导码的MCL覆盖。考虑到诸如分集增益或Rx组合增益之类的数字处理增强，可以进一步改进Ep/No。例如，如果数字处理链可以改进6dB，则PRACH前导满足目标MCL所需的序列持续时间将更改为0.2ms，如图1所示。可能需要增加eNB复杂性，并且可以进一步讨论详细的增强级别。

或者，可以考虑对控制面时延或目标MCL的需求放宽。更具体地说，满足目标MCL要求的PRACH前导可能不需要满足控制面延迟的要求。以类似方式，满足控制面时延要求所需的所有UE可能不必遵循目标MCL要求。

在NR中，有必要为100km小区范围设计一个特殊的PRACH前导码，其中假设应用了3GHz以下的载波频率。因此，可以认为，设计PRACH前导码是为了特殊的目的和环境，如极长的覆盖范围和低频段。此外，特殊PRACH前导码可以区别于用于各种环境（包括部署场景和载波频率）中的一般用途的短PRACH前导码。

为了设计简单，可以考虑遵循LTE中现有的PRACH前导format 3作为NR PRACH前导的设计指南。同时，如果为超长距离引入长PRACH前导码（即3ms），则可能需要验证是否满足控制面时延的要求。

附录A

关于TR36.824，耦合损耗定义如下：

耦合损耗被定义为UE天线端口和eNodeB天线端口之间链路上的总长期信道损耗，并在实践中包括天线增益、路径损耗、阴影、身体损耗等。最大耦合损耗（MCL）是可提供服务的耦合损耗的极限值，因此定义了服务的覆盖范围。MCL与载波频率无关。

对于MCL计算，有必要根据每RE的能量和噪声谱密度计算所需的SINR。考虑到Ep/No=18dB和序列持续时间=Tseq，所需的SINR可通过以下公式定义：

在低于6GHz的情况下，假设传输带宽为1080khz，当子载波间隔为15kHz（用于数据传输）时，其相当于6PRB。对于6GHz以上，假设传输带宽为5400kHz，这相当于子载波间隔为75kHz时的6PRB（用于数据传输）。其余参数如表A.1所示。

随着PRACH前导码的序列持续时间的增加，MCL值将增加。换句话说，为了支持大目标MCL或大覆盖，PRACH前导的序列持续时间需要大。它可能会影响PRACH传输的子载波间隔。或者，前导码的重复可以被认为支持更长的序列持续时间，如在LTE系统中的PRACH前导码format2或3中所示。