ПРЕАМБУЛА ПРОИЗВОЛЬНОГО ДОСТУПА ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ОТСРОЧКИ РА
RANDOM ACCESS PREAMBLE TO MINIMIZE LATENCY PA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее раскрытие изобретения в целом относится к сетям беспроводной связи, а конкретнее относится к процедурам произвольного доступа в поддерживающих Интернет вещей (IoT) устройствах связи машинного типа (MTC).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
го
Участники Проекта партнерства 3 поколения (3GPP) решили задать спецификации для того, что называется "NB-IoT", которое относится к "узкополосному Интернету вещей". Эти стандарты будут поддерживать беспроводную связь для маломощного оборудования, которое может зависеть от батарей и которое будет отправлять и принимать, как правило, только небольшие объемы информации. Примерные применения для беспроводных устройств, которые поддерживают NB-IoT, включают в себя снабжение счетчиков на автостоянке, промышленных датчиков и т. п. возможностями беспроводной связи.
Радиоинтерфейс для NB-IoT будет разработан так, что технологию можно быстро развернуть с помощью операторов в частях их существующего спектра Системы долгосрочного развития (LTE). Таким образом, предполагается, что некоторые аспекты NB-IoT будут заданы, чтобы максимально использовать существующие аппаратные средства, разработки и процедуры LTE. Однако изменения в спецификациях LTE, вероятно, нужно вносить на всех уровнях спецификаций, чтобы уменьшить энергопотребление, улучшить покрытие и иным образом предусмотреть улучшенную работу маломощного беспроводного оборудования.
Одним аспектом существующих спецификаций LTE является произвольный доступ. В LTE, как и в большинстве систем связи, мобильному терминалу может потребоваться связаться с сетью через eNodeB (терминология 3GPP для базовой станции LTE), еще не имея выделенного ресурса на восходящей линии связи (от пользовательского оборудования, UE, к базовой станции). Чтобы справиться с этим, доступна процедура произвольного доступа, при помощи которой UE, у которого нет выделенного ресурса восходящей линии связи, может передать сигнал базовой станции. В процессе, заданном спецификациями 3GPP для LTE, первое сообщение (MSG1 или преамбула) в этой процедуре передается в особом ресурсе, зарезервированном для произвольного доступа, физическом канале с произвольным доступом (PRACH). Этот канал ограничен по времени и частоте, как показано на фиг. 1. Доступные для передач PRACH ресурсы распознаются мобильными терминалами как часть транслируемой системой информации или, в некоторых случаях, как часть специализированной сигнализации управления радиоресурсами (RRC), например, в случае передачи обслуживания.
В LTE процедура произвольного доступа используется по некоторому количеству разных причин. Среди этих причин:
- начальный доступ для UE в состояниях IDLE LTE или DETACHED LTE;
- входящая передача обслуживания;
- повторная синхронизация восходящей линии связи;
- запрос планирования для UE, которому не выделен никакой другой ресурс для связи с базовой станцией; и
- определение местоположения.
Чтобы сохранить ортогональность между разным пользовательским оборудованием (UE - терминология 3GPP для терминалов радиодоступа, включая сотовые телефоны и радиоустройства межмашинной связи) в системе коллективного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) или коллективного доступа с разделением каналов по частоте на одной несущей (SC-FDMA), время прихода сигнала каждого UE должно быть в пределах циклического префикса (CP) у сигнала OFDM или SC-FDMA. Следует понимать, что термин "циклический префикс" на предшествующем уровне техники относится к приписыванию в начале символа OFDM повторения окончания символа. Циклический префикс действует как защитный интервал, чтобы устранить межсимвольные помехи от предыдущего символа. Он также позволяет моделировать линейную свертку канала как круговую свертку, что может выполняться в частотной области с помощью дискретного преобразования Фурье. Эта обработка в частотной области упрощает процессы демодуляции в приемнике LTE.
Произвольный доступ LTE может быть либо доступом с конкуренцией, либо бесконфликтным доступом. Процедура произвольного доступа с конкуренцией состоит из четырех этапов, как проиллюстрировано на фиг. 2. Отметим, что только первый этап содержит обработку физического уровня, специально спроектированную для произвольного доступа, тогда как три оставшихся этапа придерживаются такой же обработки физического уровня, используемой при передаче данных восходящей линии связи и нисходящей линии связи. eNodeB может по физическому каналу управления нисходящей линии связи (PDCCH) предписать UE выполнить произвольный доступ с конкуренцией. UE начинает процедуру произвольного доступа путем случайного выбора одной из преамбул, доступных для произвольного доступа с конкуренцией. Затем UE передает выбранную преамбулу произвольного доступа по PRACH к eNodeB в сети радиодоступа (RAN), что показано на фиг. 2 как этап 1.
RAN подтверждает любую преамбулу, которую обнаруживает, путем передачи ответа произвольного доступа, который включает в себя начальное предоставление для использования в совместно используемом канале восходящей линии связи, временный идентификатор соты в радиосети (C-RNTI) для UE и обновление временной синхронизации (TA). Обновление TA основывается на ошибке синхронизации у преамбулы, измеренной eNodeB в PRACH. Ответ произвольного доступа передается к UE по нисходящей линии связи (этап 2), а его соответствующий циклический избыточный код (CRC) сообщения PDCCH скремблируется временным идентификатором радиосети произвольного доступа (RA-RNTI).
После приема ответа произвольного доступа UE использует предоставление для передачи сообщения обратно в RAN (этап 3). Это сообщение частично используется для инициирования установления RRC, а частично - для однозначной идентификации UE в общих каналах соты. Команда временного опережения, которая была предоставлена UE в ответе произвольного доступа, применяется при передаче UL в сообщении, передаваемом обратно в RAN. eNodeB может изменять блоки ресурсов, которые назначаются для передачи этого сообщения этапа 3, путем отправки предоставления UL, у которого CRC скремблирован временным идентификатором временной соты в радиосети (TC-RNTI).
Процедура заканчивается на RAN, решающей любой конфликт преамбул, который мог возникнуть для случая, когда несколько UE одновременно передавали одинаковую преамбулу. Это может происходить, когда каждое UE случайно выбирает, когда передавать и какую преамбулу использовать. Если несколько UE выбирают одинаковую преамбулу для одновременной передачи в канале с произвольным доступом (RACH), то между этими UE возникнет конфликт. RAN устраняет этот конфликт с использованием сообщения разрешения конфликта, рассматриваемого как этап 4 на фиг. 2. У этого сообщения, которое отправляется eNodeB для разрешения конфликта, CRC PDCCH скремблирован с помощью C-RNTI, если UE ранее назначен C-RNTI. Если UE ранее не назначен C-RNTI, то оно скремблирует свой CRC PDCCH с помощью TC-RNTI.
5
1
Сценарий, где происходит конфликт, иллюстрируется на фиг. 3, где два UE одновременно передают одинаковую преамбулу, p. Третье UE также одновременно передает преамбулу произвольного доступа, но поскольку оно передает с другой преамбулой, p, между этим UE и двумя другими UE нет конфликта.
Для бесконфликтного произвольного доступа UE использует зарезервированные преамбулы, назначенные базовой станцией. В этом случае не нужно разрешение конфликта, и соответственно необходимы только этапы 1 и 2 из фиг. 2. Произвольный доступ без конкуренции или бесконфликтный произвольный доступ может инициироваться eNodeB, например, чтобы добиться синхронизации для UE на восходящей линии связи. eNodeB инициирует произвольный доступ без конкуренции либо путем отправки порядка PDCCH, либо путем его указания в сообщении RRC. Последний из этих двух подходов используется в случае передачи обслуживания.
Процедура для выполнения UE бесконфликтного произвольного доступа иллюстрируется на фиг. 4. Как и в случае произвольного доступа с конкуренцией, ответ произвольного доступа передается UE по нисходящей линии связи, а его соответствующий CRC сообщения PDCCH скремблируется RA-RNTI. UE считает разрешение конфликта успешно завершенным после того, как успешно приняло ответ произвольного доступа. Для бесконфликтного произвольного доступа, как и для произвольного доступа с конкуренцией, ответ произвольного доступа содержит значение временной синхронизации. Это дает eNodeB возможность задать начальную/обновленную синхронизацию в соответствии с переданной преамбулой UE.
В настоящее время ведутся работы относительно так называемого Сетевого сообщества, и Интернет вещей (IoT) ассоциируется с новыми требованиями к сотовым сетям, например, относительно стоимости устройств, времени работы от батарей и покрытия. Чтобы уменьшить стоимость устройств и модулей для небольших беспроводных устройств, которые, как предполагается, станут повсеместными, весьма желательно использование решения в виде системы на кристалле (SoC) с интегрированным усилителем мощности (PA). Однако в настоящее время для современной технологии PA реально разрешить мощность передачи только около 20-23 дБ/мВт, когда усилитель мощности интегрирован в SoC. Это ограничение по выходной мощности решения S°C ограничивает покрытие восходящей линии связи, которое имеет отношение к тому, сколько потерь на трассе допустимо между пользовательским терминалом и базовой станцией.
Кроме того, чтобы максимизировать покрытие, достижимое интегрированным PA, необходимо уменьшить отсрочку PA. Отсрочка PA нужна, когда у сигнала связи не равное единице отношение пиковой мощности к средней мощности (PAPR), то есть, когда сигнал связи не является сигналом с постоянной огибающей. Чтобы избежать паразитных сигналов и внеполосного излучения от PA при усилении сигнала без постоянной огибающей, PA нужно управлять в линейной рабочей области или возле нее, то есть его нужно "отодвигать" от высокоэффективной, нелинейной рабочей области. Чем выше PAPR, тем большая отсрочка PA необходима. Поскольку большая отсрочка PA приводит к меньшей эффективности PA, это уменьшает время работы устройства от батарей. Таким образом, для беспроводных технологий IoT крайне важна разработка сигнала восходящей линии связи, который обладает как можно меньшим PAPR, для достижения требуемых рабочих характеристик для устройств IoT по отношению к стоимости устройств, времени работы от батарей и покрытию.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время 3GPP стандартизирует технологии узкополосного IoT (NB-IoT). От существующей экосистемы LTE (поставщики и операторы) имеется сильная поддержка для развития существующих спецификаций LTE, чтобы включить туда нужные функции NB-IoT. Это мотивировано соображением времени вывода нового изделия на рынок, поскольку решение NB-IoT на основе LTE можно стандартизировать и разработать за более короткий период времени. Главным претендентом на NB-IoT является решение NB-LTE на основе LTE.
Восходящая линия связи LTE (передачи от мобильной станции к базовой станции) основывается на модуляции коллективного доступа с разделением каналов по частоте на одной несущей (SC-FDMA) для данных восходящей линии связи и каналов управления. Для передачи преамбулы произвольного доступа используется сигнал Задова-Чу. Ни один из этих сигналов не обладает хорошими свойствами PAPR.
Для решения этой проблемы в этом документе раскрывается новый сигнал преамбулы произвольного доступа. Этот сигнал подходит для физического канала с произвольным доступом (PRACH) в NB-IoT. Новый сигнал PRACH добивается PAPR в 0 дБ, и таким образом, устраняет необходимость отсрочки PA и максимизирует эффективность PA. Новый сигнал PRACH совместим с использованием SC-FDMA и/или коллективного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) для передач данных восходящей линии связи и сигналов канала управления, поскольку новый сигнал PRACH выглядит как сигнал OFDM, занимающий только одну поднесущую, в любом заданном интервале символа OFDM. Отметим, что для сигнала с одной поднесущей сигнал OFDM идентичен соответствующему сигналу SC-FDMA.
Поскольку новый сигнал PRACH добивается PAPR в 0 дБ, он устраняет необходимость отсрочки PA и максимизирует эффективность PA. Таким образом, он максимизирует покрытие PRACH и эффективность батарей. Новый сигнал PRACH совместим с SC-FDMA и коллективным доступом с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA). Таким образом, его можно легко реализовать с использованием существующего генератора сигналов SC-FDMA или OFDMA. Это сокращает как стоимость разработки, так и время вывода нового изделия на рынок.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления способ в пользовательском оборудовании включает в себя формирование сигнала преамбулы произвольного доступа с коллективным доступом с разделением каналов по частоте на одной несущей (SC-FDMA), содержащего две или более последовательные группы символов преамбулы, при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA. Формирование сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA выполняется так, что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. Способ дополнительно содержит передачу сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA. В некоторых случаях способ может включать в себя выбор конфигурации преамбулы из множества заранее установленных конфигураций преамбул, где выбранная конфигурация преамбулы задает первую и вторую частоты поднесущей.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления способ в базовой станции включает в себя прием радиочастотного сигнала и обнаружение в радиочастотном сигнале сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, переданного первым удаленным пользовательским оборудованием, где первый сигнал преамбулы произвольного доступа SC-FDMA содержит две или более последовательные группы символов преамбулы. Каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, и одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. В некоторых случаях способ включает в себя оценивание времени прихода для первого сигнала преамбулы.
В соответствии с обобщенными вариантами осуществления сигнал с одной поднесущей используется в любом интервале символа OFDM в сигнале преамбулы произвольного доступа. В разных интервалах символов OFDM может использоваться разная поднесущая (частоты). Это можно рассматривать как скачкообразную перестройку частоты. Это может использоваться для обеспечения непрерывности фаз между переходами (соответственно, существует взаимосвязь между длительностью CP, номинальной длительностью символа данных и расстоянием скачкообразной перестройки по частоте). В других вариантах осуществления разрабатываются шаблоны ортогональной скачкообразной перестройки частоты между разными преамбулами PRACH, чтобы сигналы преамбулы произвольного доступа от разных устройств ортогонально мультиплексировались и отдельно обнаруживались принимающей базовой станцией.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления пользовательское оборудование включает в себя приемопередатчик, приспособленный для осуществления связи с другим пользовательским оборудованием, и одну или несколько схем обработки, приспособленных для осуществления способов в описанном выше пользовательском оборудовании. Также примерная базовая станция содержит приемопередатчик, приспособленный для осуществления связи с одним или несколькими удаленными пользовательскими приборами, и одну или несколько схем обработки, приспособленных для осуществления способов в описанной базовой станции.
Дополнительные варианты осуществления могут включать в себя компьютерные программные продукты и постоянные машиночитаемые носители, которые хранят команды, которые при исполнении схемой обработки выполняют операции описанных выше вариантов осуществления.
Ниже описываются и иллюстрируются подробности нескольких вариантов осуществления методик и устройств для выполнения процедур произвольного доступа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая передачу преамбулы произвольного доступа.
Фиг. 2 - схема, иллюстрирующая сигнализацию для процедуры произвольного доступа с конкуренцией в LTE.
Фиг. 3 иллюстрирует произвольный доступ с конкуренцией, где между UE имеется конфликт.
Фиг. 4 - схема, иллюстрирующая сигнализацию по радиоинтерфейсу для процедуры бесконфликтного произвольного доступа в LTE.
Фиг. 5 - схема, иллюстрирующая циклический префикс, защитный интервал и последовательность преамбул для PRACH.
Фиг. 6 иллюстрирует примерный сигнал PRACH для одного символа OFDM.
Фиг. 7 - схема, иллюстрирующая примерный сигнал PRACH на нескольких интервалах символов OFDM в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 8 - схема, иллюстрирующая частотное мультиплексирование двух преамбул PRACH в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 9 иллюстрирует частотное мультиплексирование двух преамбул PRACH (сигнал временной области) в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 10 - схема, иллюстрирующая пример длительности CP, которая составляет одну четвертую длительность символа данных OFDM в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 11 - блок-схема пользовательского оборудования, сконфигурированного для выполнения процедуры произвольного доступа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 12 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ в пользовательском оборудовании для выполнения процедуры произвольного доступа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 13 - блок-схема сетевого узла, сконфигурированного для сигнализации информации о процедуре произвольного доступа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 14 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая процедуру произвольного доступа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 15 - блок-схема функциональной реализации пользовательского оборудования для выполнения процедуры произвольного доступа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 16 - блок-схема функциональной реализации сетевого узла для приема отчетов о процедуре произвольного доступа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 17 иллюстрирует мультиплексирование физических каналов восходящей линии связи.
Фиг. 18 иллюстрирует длину преамбулы и разнос поднесущих для форматов 0 и 1 PRACH.
Фиг. 19 показывает распределение ошибок оценки времени прихода.
Фиг. 20 показывает другое распределение ошибок оценки времени прихода.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Сейчас будут полнее описываться идеи изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны примеры вариантов осуществления идей изобретения. Однако эти идеи изобретения можно воплотить во многих различных формах, и их не следует толковать как ограниченные вариантами осуществления, изложенными в этом документе. Точнее, эти варианты осуществления предоставляются для того, чтобы данное раскрытие изобретения было всесторонним и полным, и полностью передавало специалистам в данной области техники объем настоящих идей изобретения. Также следует отметить, что эти варианты осуществления не являются взаимно исключающими. Компоненты из одного варианта осуществления могут неявно допускаться присутствующими или используемыми в другом варианте осуществления.
Варианты осуществления настоящих идей изобретения описываются в этом документе только с целью иллюстрации и объяснения применительно к работе в RAN или совместно с ней, которая осуществляет связь по каналам радиосвязи с мобильными терминалами, также взаимозаменяемо называемыми беспроводными терминалами или UE, используя конкретную технологию радиодоступа. Точнее говоря, варианты осуществления описываются применительно к разработке спецификаций для NB-IoT, в частности, к разработке спецификаций для работы NB-IoT в спектре и/или с использованием оборудования, используемого в настоящее время E-UTRAN, иногда называемой Развитой наземной сетью радиодоступа UMTS и широко известной как система LTE. Однако следует понимать, что методики могут применяться к другим беспроводным сетям, а также к преемникам E-UTRAN. Таким образом, ссылки на сигналы в этом документе, использующие терминологию из стандартов 3GPP для LTE, следует понимать в более общем смысле применяемыми к сигналам с аналогичными характеристиками и/или целями в других сетях.
Отметим, что в некоторых из описанных в этом документе вариантов осуществления используются термины "пользовательское оборудование" и "UE". UE, как этот термин используется в этом документе, может быть любым типом беспроводного устройства, допускающего осуществление связи с сетевым узлом или другим UE посредством радиосигналов. Применительно к настоящему раскрытию изобретения следует понимать, что UE может относиться к межмашинному (M2M) устройству, устройству связи машинного типа (MTC) и/или устройству NB-IoT, где у UE нет "пользователя" в смысле отдельного человека, владеющего и/или управляющего устройством. UE также может называться беспроводным устройством, радиоустройством, устройством радиосвязи, беспроводным терминалом или просто терминалом - пока контекст не указывает иное, использование любого из этих терминов подразумевает UE между устройствами, UE машинного типа или UE, допускающие межмашинную связь, датчики, оборудованные UE, настольные компьютеры с возможностью беспроводной связи, мобильные терминалы, смартфоны, встраиваемое в переносной компьютер оборудование (LEE), устанавливаемое на переносной компьютер оборудование (LME), адаптеры USB, беспроводное оборудование в помещении абонента (CPE) и т. п. В обсуждении ниже также могут использоваться термины межмашинное (M2M) устройство, устройство связи машинного типа (MTC), беспроводной датчик и датчик. Следует понимать, что эти устройства являются UE, но в целом конфигурируются для передачи и/или приема данных без прямого взаимодействия с человеком.
В существующем исполнении произвольного доступа LTE произвольный доступ служит нескольким целям, таким как начальный доступ при установлении линии радиосвязи, запрос планирования и т. п. Среди прочих основная цель произвольного доступа - добиться синхронизации восходящей линии связи, которая важна для поддержания ортогональности восходящей линии связи в LTE. Чтобы сохранить ортогональность между разным пользовательским оборудованием (UE) в системе OFDM или SC-FDMA, время прихода сигнала каждого UE должно быть в пределах циклического префикса (CP) у сигнала OFDM или SC-FDMA.
Как обсуждалось выше в разделе "Уровень техники", циклический префикс (CP) используется для предоставления защитного интервала между последовательными символам и, особенно применительно к передачам OFDMA и/или SC-FDMA, для упрощения обработки в приемнике. Фиг. 5 иллюстрирует, как мог бы использоваться CP для передаваемого символа OFDMA/SC-FDMA, который образует всю или часть последовательности преамбул физического канала с произвольным доступом (PRACH). Как показано на фиг. 5, последовательность преамбул PRACH отправляется посредством UE в течение временного сегмента произвольного доступа, проиллюстрированного на фиг. 5. В проиллюстрированном примере передача имеет длительность 3,6 миллисекунды, включая длительность CP в 400 микросекунд и интервал данных в 3,2 миллисекунды. Последовательность преамбул PRACH не занимает весь сегмент произвольного доступа, оставляя некоторое время в качестве защитного интервала, и также предусматривая интервал циклического префикса (CP).
Как обсуждалось выше, 3GPP задает спецификации для NB-IoT, которые будут поддерживать беспроводную связь для маломощного оборудования, которое может зависеть от батарей и которое будет отправлять и принимать, как правило, только небольшие объемы информации. Желательно, чтобы спецификации для NB-IoT упрощали, где возможно, повторное использование существующих разработок и методик и упрощали развертывание в существующем спектре LTE. Однако ранее существующая восходящая линия связи LTE (передачи от мобильной станции к базовой станции) основывается на модуляции коллективного доступа с разделением каналов по частоте на одной несущей (SC-FDMA) для данных восходящей линии связи и каналов управления. Для передачи преамбулы произвольного доступа используется сигнал Задова-Чу. Однако ни один из этих сигналов не обладает хорошими свойствами PAPR, что создает проблемы для маломощных и недорогих устройств, особенно для рассчитывающих на интегрированную систему на кристалле (SoC).
Для решения этой проблемы в этом документе раскрывается новый сигнал преамбулы произвольного доступа. Этот сигнал подходит для физического канала с произвольным доступом (PRACH) в NB-IoT. Новый сигнал PRACH добивается PAPR в 0 дБ, и таким образом, устраняет необходимость отсрочки PA и максимизирует эффективность PA. Новый сигнал PRACH совместим с использованием SC-FDMA и/или коллективного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) для передач данных восходящей линии связи и сигналов канала управления, поскольку новый сигнал PRACH выглядит как сигнал OFDM, занимающий только одну поднесущую, в любом заданном интервале символа OFDM. Отметим, что для сигнала с одной поднесущей сигнал OFDM идентичен соответствующему сигналу SC-FDMA.
Поскольку новый сигнал PRACH добивается PAPR в 0 дБ, он устраняет необходимость отсрочки PA и максимизирует эффективность PA. Таким образом, он максимизирует покрытие PRACH и эффективность батарей. Новый сигнал PRACH совместим с SC-FDMA и коллективным доступом с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA). Таким образом, его можно легко реализовать с использованием существующего генератора сигналов SC-FDMA или OFDMA. Это сокращает как стоимость разработки, так и время вывода нового изделия на рынок.
На фиг. 5 показаны две передачи преамбул PRACH, одна от UE рядом с eNB (терминология LTE для узла, который включает в себя функциональные возможности базовой радиостанции), а другая от UE далеко от базовой станции, на границе соты. Видно, что это приводит к разнице в синхронизации для двух передач относительно интервала произвольного доступа, поддерживаемого в приемнике eNB.
Использование CP позволяет приемнику выполнять круговую свертку с использованием, в этом примере, 3,2-миллисекундной части сигнала, центрированной в 4-миллисекундном интервале произвольного доступа. У приемника eNB будет аналогичная характеристика для случаев возле eNB и возле границы соты.
Как обсуждалось раньше, чтобы максимизировать эффективность PA и покрытие, желательно, чтобы преамбулы PRACH были как можно ближе к постоянной огибающей. Сигнал с постоянной огибающей имеет PAPR в 0 дБ и не требует отсрочки PA. В нижеприведенном описании мы будем взаимозаменяемо использовать сигнал PRACH и преамбулу PRACH.
Произвольный доступ LTE может быть либо доступом с конкуренцией, либо бесконфликтным доступом. Процедура произвольного доступа с конкуренцией состоит из четырех этапов, как проиллюстрировано на фиг. 2 и обсуждалось выше. Отметим, что только первый этап содержит обработку физического уровня, специально спроектированную для произвольного доступа, тогда как три оставшихся этапа придерживаются такой же обработки физического уровня, используемой при передаче данных восходящей линии связи и нисходящей линии связи. Для бесконфликтного произвольного доступа UE использует зарезервированные преамбулы, назначенные базовой станцией. В этом случае не нужно разрешение конфликта, и соответственно необходимы только этапы 1 и 2. Обсуждаемые ниже методики для передачи преамбулы произвольного доступа могут использоваться в любой или в обеих процедурах бесконфликтного произвольного доступа и произвольного доступа с конкуренцией.
На фиг. 6 показан примерный сигнал PRACH в течение интервала одного символа OFDM в соответствии с некоторыми вариантами осуществления раскрываемых сейчас методик. В основном он является однотональным сигналом OFDM (с одной поднесущей). В соответствии с примером на фиг. 6 разнос поднесущих составляет 2,5 кГц. Однако описанные в этом документе методики могут применяться к любому разносу поднесущих.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления раскрываемых сейчас методик сигнал PRACH разбросан по времени на несколько символов OFDM вместо разброса по частоте (как в случае LTE). Таким образом, некоторое количество символов OFDM, один из которых проиллюстрирован на фиг. 6, соединяется для образования преамбулы PRACH. Как будет подробнее обсуждаться ниже, в некоторых вариантах осуществления сформированный сигнал преамбулы произвольного доступа содержит два или более, или N, последовательных символов преамбулы, также называемых в этом документе группами символов преамбулы или группами символов, при этом каждая группа символов преамбулы содержит множество дублированных символов OFDM и образуется для создания одного тона в передаваемом сигнале преамбулы произвольного доступа. Другими словами, каждая группа символов преамбулы содержит множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, и одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. Частота поднесущей меняется между группами символов преамбулы, так что один тон для первой из последовательных групп символов соответствует первой частоте поднесущей, и один тон для последующей группы из групп символов соответствует второй частоте поднесущей. Другими словами, каждая группа символов преамбулы содержит множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, и одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей.
В некоторых вариантах осуществления частоты поднесущей меняются в соответствии с простым шаблоном, где один тон для каждого второго символа преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. Таким образом, в этих вариантах осуществления сигнал преамбулы перестраивается между двумя частотами поднесущей от одной группы символов преамбулы к следующей. Следует, конечно, понимать, что возможны и другие шаблоны.
Как подробнее объясняется ниже, каждый из последовательных символов преамбулы может быть образован путем повторения множество раз базового символа OFDM. Следует понимать, что термин "группа символов" при использовании в данном документе может относиться к образованной таким образом группе символов преамбулы; таким образом, символ преамбулы не соответствует базовому символу OFDM, а вместо этого может содержать множество дублированных символов OFDM. Как отмечалось выше, однотональный сигнал OFDM также является сигналом SC-FDMA, поэтому эти дублированные символы OFDM также можно понимать как символы SC-FDMA.
Примерное исполнение сигнала преамбулы произвольного доступа показано на фиг. 7. В этом примере преамбула PRACH состоит из 100 символов преамбулы по времени и занимает один тон/поднесущую (2,5 кГц) по частоте для любого заданного интервала символа преамбулы. Однако в этом примере передача перестраивается между двумя соседними тонами от одной группы символов преамбулы к следующей. Эта перестройка используется для обеспечения удовлетворительного качества оценки времени прихода на базовой станции. Как отмечалось выше, эти 2,5 кГц являются просто примером - возможны и другие разносы поднесущих. Кроме того, должно быть очевидно, что тоны не должны быть соседними - перестройка может пропускать несколько поднесущих.
Поскольку ширина полосы/разнос тона (поднесущей) в этом примере составляет 2,5 кГц, длительность части с данными у нормального символа OFDM составляла бы 400 микросекунд в соответствии с общеизвестной взаимосвязью между разносом поднесущих и длиной символа OFDM. Для поддержки размера соты вплоть до, например, 60 км нужен CP с длиной 400 микросекунд для обеспечения максимальной двусторонней задержки. Прямая передача 400-микросекундной части с данными и 400-микросекундного CP привела бы к 50% служебной нагрузки CP от общего ресурса. Для уменьшения служебной нагрузки базовый символ OFDM повторяется четыре раза в проиллюстрированном на фиг. 7 примере, приводя к 1600-микросекундной длительности символа. Первая копия символа OFDM рассматривается приемником базовой станции как CP, тогда как три оставшихся копии рассматриваются как данные. Это исполнение сокращает служебную нагрузку CP с 50% до 25%. Базовая станция может когерентно объединить три копии символа и посредством этого получить усиление по мощности около 4,8 дБ.
Чтобы наблюдать свойство PAPR в 0 дБ у преамбулы на фиг. 7, рассмотрим без потери общности символы 1 и 2 OFDM, которые можно записать в виде:
где T=400 микросекунд, и k - индекс поднесущей для поднесущих с разносами поднесущих 1/T. В каждом символе OFDM с длиной 4T форма сигнала представляет постоянную огибающую, поскольку в интервалах времени [0, 4T] и [4T, 8T] сигнал синусоидальный. На границе символа разность фаз равна
фаза=фаза
Поэтому отправка постоянной последовательности, то есть где x[1]=x[2], которая чередуется между двумя тонами, гарантирует непрерывность фаз и теоретически дает PAPR в 0 дБ.
Поскольку каждая преамбула PRACH использует практически только одну поднесущую 2,5 кГц в любое заданное время, в частотной области можно мультиплексировать разные преамбулы. Например, фиг. 8 показывает мультиплексирование двух преамбул PRACH. Вообще, можно сконфигурировать M тонов для мультиплексирования M преамбул PRACH. Каждая преамбула PRACH использует один тон в течение одного интервала символа OFDM, и шаблон мультиплексирования (например, который показан на фиг. 8) обеспечивает, что никакие два UE не используют одинаковый тон в течение одного и того же интервала символа OFDM.
Фиг. 8 иллюстрирует размещение в частотной области двух преамбул PRACH. Примеры соответствующих сигналов временной области показаны на фиг. 9, где для каждого сигнала преамбулы показан интервал примерно в четыре группы символов преамбулы. Во-первых, видно, что в каждой из преамбул сохраняется непрерывность фаз. Во-вторых, видно, что преамбула 1 начинается с низкочастотной синусоиды, переключаясь на высокочастотную синусоиду, низкочастотную синусоиду и в конечном счете опять переключаясь на высокочастотную синусоиду. Преамбула 2 начинается с высокочастотной синусоиды, переключаясь на низкочастотную синусоиду, высокочастотную синусоиду и в конечном счете опять переключаясь на низкочастотную синусоиду. Эти две преамбулы ортогональны друг другу, если их дифференциальное время прихода на базовую станцию находится в интервале CP. Отметим, что в обоих проиллюстрированных примерах имеется непрерывность фаз между низкочастотными и высокочастотными синусоидами. Следует понимать, что последовательности от низкого к высокому и от высокого к низкому у двух преамбул можно предварительно конфигурировать в каждом из радиоустройств, отправляющих преамбулы, или можно получать из случайного выбора конфигурации теми радиоустройствами.
Следует понимать, что раскрываемые сейчас методики можно обобщить до любой длительности CP или любой взаимосвязи между длительностью CP и нормальной длительностью данных в группе символов преамбулы. Однако расстояние перестройки по частоте следует регулировать соответствующим образом для поддержания непрерывности фаз на границах символов OFDM, где происходит переход между частотными тонами. Это важно при поддержании свойства постоянной огибающей.
Пример приведен на фиг. 10. Здесь разнос поднесущих (ширина полосы тона) по-прежнему равен 2,5 кГц, и таким образом, номинальная длительность символа данных (T) составляет 1/2500, то есть 400 микросекунд, что в контексте OFDM подразумевает разнос поднесущих в 2,5 кГц. Как показано, CP равен 100 мкс, и соответственно, составляет одну четвертую номинальной длительности символа данных. Отметим, что длительность символа OFDM равна соответственно 1,25T (CP плюс данные). Рассмотрим символы 1 и 2 OFDM, которые можно записать в виде
где T=400 мкс. В каждом символе OFDM с длиной 1,25T форма сигнала представляет постоянную огибающую. На границе символа разность фаз равна
фаза=фаза
Поэтому отправка постоянной последовательности, то есть где x[1]=x[2], которая чередуется между двумя поднесущими, которые отстоят на 4 тона, гарантирует непрерывность фаз и теоретически дает PAPR в 0 дБ.
Фиг. 11 показывает примерное радиоустройство, здесь проиллюстрированное в виде UE 12, которое в более общем смысле может называться беспроводным терминалом и которое может использоваться в одном или нескольких примерных вариантах осуществления, описанных в этом документе. UE 12 в некоторых вариантах осуществления может быть мобильным устройством, которое конфигурируется для работы в соответствии со спецификациями для NB-IoT. UE 12 содержит схему 30 обработки, которая управляет работой UE 12. Схема 30 обработки, которая может содержать, например, один или несколько микропроцессоров, микроконтроллеров, цифровых процессоров сигнала, специализированную цифровую логику и т. п., подключается к схеме 32 приемника или приемопередатчика с ассоциированной антенной (антеннами) 34, которая используется для приема сигналов либо передачи и приема сигналов от базовой станции 10 в сети 2. UE 12 также содержит запоминающую схему 36, которая подключается к схеме 30 обработки и которая хранит программный код и другую информацию и данные, необходимые для работы UE 12. Вместе схема 30 обработки и запоминающая схема 36 также могут называться схемой обработки, и в различных вариантах осуществления они приспосабливаются для осуществления одной или нескольких методик на основе UE, описанных в этом документе.
Например, схема обработки в UE 12 может конфигурироваться для формирования сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, содержащего две или более последовательные группы символов преамбулы, при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, и одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. Схема обработки в UE 12 дополнительно конфигурируется для передачи сигнала преамбулы произвольного доступа. Как обсуждалось в описанных выше примерах, одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. В некоторых вариантах осуществления каждая вторая из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей, а каждая из оставшихся групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей.
Независимо от реализации схема обработки в UE 12 конфигурируется для выполнения способа 1200, как показано на фиг. 12. Как показано на этапе 1220, способ 1200 включает в себя формирование сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, содержащего две или более последовательные группы символов преамбулы, при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, и одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей; В некоторых вариантах осуществления каждая вторая из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей, а каждая из оставшихся групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей. Способ 1200 также включает в себя передачу сигнала преамбулы произвольного доступа, как показано на этапе 1230. В некоторых случаях способ 1200 может включать в себя выбор конфигурации преамбулы из множества заранее установленных конфигураций преамбул, где выбранная конфигурация преамбулы задает первую и вторую частоты поднесущей, как показано на этапе 1210, и где сигнал преамбулы произвольного доступа SC-FDMA формируется с использованием выбранной конфигурация преамбулы. Этот выбор в некоторых вариантах осуществления может выполняться случайно.
В некоторых вариантах осуществления все группы символов преамбулы обладают одинаковой комплексной амплитудой. В некоторых вариантах осуществления первая и вторая частоты поднесущей выбираются, чтобы сделать возможной непрерывность фаз на границах между символами преамбулы. Затем формируются группы символов преамбулы, чтобы обеспечить непрерывность фаз на границах между группами символов преамбулы.
В некоторых вариантах осуществления вторая частота поднесущей граничит с первой частотой поднесущей. В некоторых из этих и других вариантов осуществления длина части для циклического префикса такая же, как длина каждого из идентичных символов, и часть для циклического префикса идентична каждому из идентичных символов. В других длина части для циклического префикса составляет одну четверть длины каждого из идентичных символов.
В некоторых вариантах осуществления каждая группа символов преамбулы имеет общую длину в 1600 микросекунд. В некоторых вариантах осуществления множество идентичных символов в каждой группе символов преамбулы состоит из трех идентичных символов.
Фиг. 13 показывает другое примерное радиоустройство, в этом случае иллюстрирующее сетевой узел, например базовую станцию 10, которая конфигурируется для приема от UE 12 сигнала преамбулы произвольного доступа. В описании некоторых вариантов осуществления ниже используется терминология "узел радиосети" или просто "сетевой узел", или "узел NW". Эти термины относятся к любому виду сетевого узла в неподвижной части сети беспроводной связи, например, базовой станции, базовой радиостанции, базовой приемопередающей станции, контроллеру базовой станции, сетевому контроллеру, развитому Узлу Б (eNodeB или eNB), Узлу Б, транзитному узлу, узлу определения местоположения, E-SMLC, серверу местоположения, повторителю, точке доступа, точке радиодоступа, выносному радиоблоку (RRU), выносной радиоголовке (RRH), многостандартному (MSR) радиоузлу, например узлам базовой станции MSR в распределенной антенной системе (DAS), узлу SON, узлу O&M, OSS или MDT, узлу базовой сети, MME и т. п. Как видно из этих примеров, термин "неподвижная часть" сети беспроводной связи подразумевается относящимся к части беспроводной сети помимо терминалов доступа, то есть части сети, к которой обращаются по линии радиосвязи UE, устройства NT-IoB и т. п., и не подразумевается препятствующим возможности, что один или несколько элементов в данном сценарии могут перемещаться.
Фиг. 13 показывает базовую станцию 10 (например, eNB), которая может использоваться в некоторых из примерных вариантов осуществления, описанных в этом документе. Следует понимать, что хотя на практике макро-eNB не будет идентична по размеру и структуре микро-eNB, с целью иллюстрации предполагается, что базовые станции 10 включают в себя аналогичные компоненты. Таким образом, независимо от того, соответствует ли базовая станция 10 базовой макро-станции или базовой микро-станции, она содержит схему 40 обработки, которая управляет работой базовой станции 10. Схема 40 обработки, которая может включать в себя один или несколько микропроцессоров, микроконтроллеров, цифровых процессоров сигналов, специализированную цифровую логику и т. п., подключается к схеме 42 приемопередатчика с ассоциированной антенной (антеннами) 44, которая используются для передачи сигналов и приема сигналов от UE 12 в сети. Базовая станция 10 также содержит запоминающую схему 46, которая подключается к схеме 40 обработки и которая хранит программу и другую информацию и данные, необходимые для работы базовой станции 10. Вместе схема 40 обработки и запоминающая схема 46 также могут называться схемой обработки, и в различных вариантах осуществления они приспосабливаются для осуществления одной или нескольких сетевых методик, описанных ниже.
Базовая станция 10 также включает в себя компоненты и/или схемы 48 для предоставления базовой станции 10 возможности обмена информацией с другими базовыми станциями 10 (например, по интерфейсу X2) и компоненты и/или схемы 49 для предоставления базовой станции 10 возможности обмена информацией с узлами в базовой сети (например, по интерфейсу S1). Следует понимать, что базовые станции для использования в других типах сети (например, UTRAN, или широкополосный коллективный доступ с кодовым разделением каналов, или RAN WCDMA) будут включать в себя компоненты, аналогичные показанным на фиг. 13, и подходящие схемы 48, 49 сопряжения для обеспечения связи с другими сетевыми узлами в тех типах сетей (например, другими базовыми станциями, узлами управления мобильностью и/или узлами в базовой сети).
Схема обработки в базовой станции 10 конфигурируется для приема радиочастотного сигнала и обнаружения в радиочастотном сигнале первого сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, переданного первым удаленным радиоустройством. Первый сигнал преамбулы произвольного доступа SC-FDMA содержит два или более последовательных символа преамбулы (которые также могут называться группами символов преамбулы), при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. В некоторых вариантах осуществления каждая вторая из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей, а каждая из оставшихся групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей. В некоторых случаях схема обработки конфигурируется для оценки времени прихода для первого сигнала преамбулы.
Независимо от реализации схема обработки в базовой станции 10 также конфигурируется для выполнения способа 1400, как показано на фиг. 14. Способ 1400 включает в себя прием радиочастотного сигнала (этап 1410). Способ 1400 также включает в себя обнаружение в радиочастотном сигнале первого сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, переданного первым удаленным радиоустройством (этап 1420). Первый сигнал преамбулы произвольного доступа содержит две или более последовательные группы символов преамбулы, при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, и одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей.
К тому же в некоторых вариантах осуществления каждая вторая из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей, а каждая из оставшихся групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей. При необходимости способ 1400 включает в себя оценивание времени прихода для первого сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA (этап 1430) - это может использоваться для выполнения, например, синхронизации восходящей линии связи.
В некоторых вариантах осуществления все группы символов преамбулы обладают одинаковой комплексной амплитудой. Кроме того, первая и вторая частоты поднесущей могут выбираться, чтобы сделать возможной непрерывность фаз на границах между группами символов преамбулы, где обнаруженные символы преамбулы обладают непрерывностью фаз на границах между группами символов преамбулы. В некоторых вариантах осуществления вторая частота поднесущей граничит с первой частотой поднесущей.
В некоторых вариантах осуществления длина части для циклического префикса такая же, как длина каждого из идентичных символов, и часть для циклического префикса идентична каждому из идентичных символов. В других вариантах осуществления длина циклического префикса составляет одну четверть длины каждого из идентичных символов. В некоторых вариантах осуществления каждая группа символов преамбулы имеет общую длину в 1600 микросекунд; В некоторых вариантах осуществления множество идентичных символов в каждой группе символов преамбулы состоит из трех идентичных символов.
Как обсуждалось выше, разные сигналы преамбулы произвольного доступа могут перемежаться в частотной области, так что базовая станция может отличать их друг от друга. Соответственно, некоторые варианты осуществления способа 1400 могут дополнительно содержать обнаружение в радиочастотном сигнале второго сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, переданного вторым удаленным пользовательским оборудованием, где второй сигнал преамбулы произвольного доступа SC-FDMA содержит две или более последовательные группы символов преамбулы, при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует третьей частоте поднесущей, а одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует четвертой частоте поднесущей. В этих вариантах осуществления две или более последовательные группы символов преамбулы второго сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA могут перекрывать, по меньшей мере частично, две или более последовательные группы символов преамбулы первого сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, и первая частота поднесущей может быть равна четвертой частоте поднесущей, или вторая частота поднесущей может быть равна третьей частоте поднесущей, или оба варианта.
Следует понимать, что проиллюстрированные на фиг. 12 и 14 способы 1200 и 1400 являются примерами методик, полнее описанных выше. Каждый из этих способов можно модифицировать в соответствии с любыми обсуждаемыми изменениями и подробностями. Проиллюстрированные на фиг. 12 и 14 способы и их разновидности можно должным образом реализовать с использованием схем обработки, проиллюстрированных на фиг. 11 и 13, где схемы обработки предусматривают, например, подходящий программный код, сохраненный в запоминающих схемах 36 и/или 46, для осуществления описанных выше операций. Хотя некоторые из этих вариантов осуществления основываются на программируемом микропроцессоре или другом программируемом элементе обработки, следует понимать, что не все этапы этих методик выполняются обязательно в одном микропроцессоре или даже в одном модуле. Варианты осуществления раскрываемых сейчас методик дополнительно включают в себя компьютерные программные продукты для применения в беспроводном терминале, а также соответствующие компьютерные программные продукты для применения в устройстве базовой станции или устройстве другого сетевого узла.
Этот программный код или команды компьютерной программы также могут храниться на материальном машиночитаемом носителе, который может побудить компьютер или другое программируемое устройство обработки данных функционировать конкретным образом, так что сохраненные на машиночитаемом носителе команды создают изделие, включающее в себя команды, которые реализуют функции/действия, заданные в блоке или блоках блок-схем и/или блок-схем алгоритмов. Соответственно, варианты осуществления настоящих идей изобретения можно воплотить в аппаратных средствах и/или в программном обеспечении (включая микропрограммное обеспечение, резидентное программное обеспечение, микрокод и т. п.), работающем в процессоре, например цифровом процессоре сигналов, которые вместе могут называться "схемами", "модулем" или их разновидностями.
Дополнительно следует понимать, что различные аспекты вышеописанных вариантов осуществления можно воспринимать как осуществляемые функциональными "модулями", которые могут быть командами программы, исполняющимися в подходящей процессорной схеме, жестко-кодированных цифровых схемах и/или аналоговых схемах, или в их подходящих сочетаниях.
Например, фиг. 15 иллюстрирует примерную архитектуру функционального модуля или схемы, которую можно реализовать в UE 12, например, на основе схемы 30 обработки и запоминающей схемы 36.
Проиллюстрированный вариант осуществления по меньшей мере функционально включает в себя модуль 1502 формирования сигналов для формирования сигнала преамбулы произвольного доступа. Реализация также включает в себя модуль 1504 передачи для передачи сигнала преамбулы произвольного доступа. Сформированный сигнал произвольного доступа содержит две или более последовательные группы символов преамбулы, при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, и одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. В некоторых вариантах осуществления каждая вторая из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей, а каждая из оставшихся групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей.
Фиг. 16 иллюстрирует примерную архитектуру функционального модуля или схемы, которую можно реализовать в сетевом узле, таком как базовая станция 10, например, на основе схемы 40 обработки и запоминающей схемы 46. Проиллюстрированный вариант осуществления по меньшей мере функционально включает в себя модуль 1602 приема для приема радиочастотного сигнала. Реализация также включает в себя модуль 1604 обнаружения для обнаружения в радиочастотном сигнале первого сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, переданного первым удаленным радиоустройством. Первый сигнал преамбулы произвольного доступа содержит две или более последовательные группы символов преамбулы, при этом каждая группа символов преамбулы содержит часть для циклического префикса и множество идентичных символов, занимающих одну поднесущую сигнала преамбулы произвольного доступа SC-FDMA, так что одна поднесущая по меньшей мере для одной из групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а одна поднесущая для непосредственно следующей группы из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей. Например, в некоторых вариантах осуществления каждая вторая из групп символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей, а каждая из оставшихся групп символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей.
У специалиста в данной области техники, извлекающего пользу из идей, представленных в предшествующих описаниях и ассоциированных фигурах, возникнут модификации и другие разновидности описанного варианта (вариантов) осуществления. Поэтому нужно понимать, что вариант (варианты) осуществления не должен/не должны ограничиваться конкретными раскрытыми примерами, и что модификации и другие разновидности предназначены для включения в объем данного раскрытия изобретения. Хотя в этом документе могут применяться специальные термины, они используются только в общем и описательном смысле, а не с целью ограничения.
Ниже перечисляются примерные варианты осуществления. Следует понимать, что они являются только примерами; из предоставленного выше подробного описания станут очевидны другие варианты осуществления и разновидности перечисленных вариантов осуществления.
ПРИМЕРНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Варианты осуществления описанных выше методик и устройства включают в себя следующие пронумерованные примеры, но не ограничиваются ими.
Пример 1: Способ в радиоустройстве, содержащий: формирование сигнала преамбулы произвольного доступа; и передачу сигнала преамбулы произвольного доступа; где формирование сигнала преамбулы произвольного доступа содержит соединение N символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго символа преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей.
Пример 2: Способ из примера 1, в котором все символы преамбулы обладают одинаковой комплексной амплитудой, где первая и вторая частоты поднесущей выбираются, чтобы сделать возможной непрерывность фаз на границах между символами преамбулы, и где символы преамбулы формируются, чтобы обеспечить непрерывность фаз на границах между символами преамбулы.
Пример 3: Способ из примера 1 или 2, где каждый символ преамбулы содержит часть для циклического префикса и последующую часть с данными, при этом часть для циклического префикса имеет первую длину и является копией заключительной части у последующей части с данными.
Пример 4: Способ из примера 3, в котором последующая часть с данными состоит из трех идентичных копий части для циклического префикса.
Пример 5: Способ из примера 4, в котором каждый символ преамбулы имеет общую длину в 1600 микросекунд, и первая и вторая частоты поднесущей отличаются на 2500 Гц.
Пример 6: Способ из примера 3, в котором последующая часть с данными имеет вторую длину, при этом вторая длина в четыре раза больше первого времени.
Пример 7: Способ из примера 6, в котором каждый символ преамбулы имеет общую длину в 500 микросекунд, и в котором первая и вторая частоты поднесущей отличаются на 10 кГц.
Пример 8: Способ по любому из примеров 1-7, в котором N=100.
Пример 9: Способ по любому из примеров 1-8, дополнительно содержащий выбор конфигурации преамбулы из множества заранее установленных конфигураций преамбул, где выбранная конфигурация преамбулы задает первую и вторую частоты поднесущей.
Пример 10: Способ в радиоустройстве, содержащий: прием радиочастотного сигнала; и обнаружение в радиочастотном сигнале первого сигнала преамбулы произвольного доступа, переданного первым удаленным радиоустройством, где первый сигнал преамбулы произвольного доступа содержит N соединенных символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго из N символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей.
Пример 11: Способ из примера 10, в котором все символы преамбулы обладают одинаковой комплексной амплитудой, где первая и вторая частоты поднесущей выбираются, чтобы сделать возможной непрерывность фаз на границах между символами преамбулы, и где обнаруженные символы преамбулы обладают непрерывностью фаз на границах между символами преамбулы.
Пример 12: Способ из примера 10 или 11, где каждый символ преамбулы содержит часть для циклического префикса и последующую часть с данными, при этом часть для циклического префикса имеет первую длину и является копией заключительной части у последующей части с данными.
Пример 13: Способ из примера 12, в котором последующая часть с данными состоит из трех идентичных копий части для циклического префикса, и в котором обнаружение первого сигнала преамбулы произвольного доступа содержит когерентное объединение трех последовательных интервалов в каждом символе преамбулы.
Пример 14: Способ из примера 13, в котором каждый символ преамбулы имеет общую длину в 1600 микросекунд, и первая и вторая частоты поднесущей отличаются на 2500 Гц.
Пример 15: Способ из примера 12, в котором последующая часть с данными имеет вторую длину, при этом вторая длина в четыре раза больше первого времени.
Пример 16: Способ из примера 15, в котором каждый символ преамбулы имеет общую длину в 500 микросекунд, и в котором первая и вторая частоты поднесущей отличаются на 10 кГц.
Пример 17: Способ по любому из примеров 10-16, в котором N=100.
Пример 18: Способ по любому из примеров 10-17, дополнительно содержащий оценивание времени прихода для первого сигнала преамбулы.
Пример 19: Способ по любому из примеров 10-18, дополнительно содержащий обнаружение в радиочастотном сигнале второго сигнала преамбулы произвольного доступа, переданного вторым удаленным радиоустройством, где: второй сигнал преамбулы произвольного доступа содержит N соединенных символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы во втором сигнале преамбулы произвольного доступа содержит один тон; где один тон для каждого второго из N символов преамбулы во второй преамбуле произвольного доступа соответствует третьей частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы во второй преамбуле произвольного доступа соответствует четвертой частоте поднесущей; где N символов преамбулы во второй преамбуле произвольного доступа перекрывают, по меньшей мере частично, N символов преамбулы в первой преамбуле произвольного доступа; и где первая частота поднесущей равна четвертой частоте поднесущей, или вторая частота поднесущей равна третьей частоте поднесущей, или оба варианта.
Пример 20: Радиоустройство, содержащее приемопередатчик, приспособленный для осуществления связи с другим радиоустройством, и дополнительно содержащее одну или несколько схем обработки, приспособленных для осуществления способа по любому из примеров 1-9.
Пример 21: Радиоустройство, содержащее приемопередатчик, приспособленный для осуществления связи с другим радиоустройством, и дополнительно содержащее одну или несколько схем обработки, приспособленных для осуществления способа по любому из примеров 10-19.
Пример 22: Радиоустройство, приспособленное для: формирования сигнала преамбулы произвольного доступа путем соединения N символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго символа преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей; и передачи сигнала преамбулы произвольного доступа.
Пример 23: Радиоустройство, содержащее: модуль формирования сигналов для формирования сигнала преамбулы произвольного доступа путем соединения N символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго символа преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей; и модуль передачи для передачи сигнала преамбулы произвольного доступа.
Пример 24: Радиоустройство, приспособленное для: приема радиочастотного сигнала; и обнаружения в радиочастотном сигнале первого сигнала преамбулы произвольного доступа, переданного первым удаленным радиоустройством, где первый сигнал преамбулы произвольного доступа содержит N соединенных символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго из N символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей.
Пример 25: Радиоустройство, содержащее: модуль приема для приема радиочастотного сигнала; и модуль обнаружения для обнаружения в радиочастотном сигнале первого сигнала преамбулы произвольного доступа, переданного первым удаленным радиоустройством, где первый сигнал преамбулы произвольного доступа содержит N соединенных символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго из N символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей.
Пример 26: Компьютерный программный продукт, содержащий команды программы для процессора в радиоустройстве, где упомянутые команды программы конфигурируются, чтобы побудить радиоустройство, когда команды программы исполняются процессором: сформировать сигнал преамбулы произвольного доступа путем соединения N символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго символа преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей; и передать сигнал преамбулы произвольного доступа.
Пример 27: Постоянный машиночитаемый носитель, содержащий сохраненный на нем компьютерный программный продукт из примера 26.
Пример 28: Компьютерный программный продукт, содержащий команды программы для процессора в радиоустройстве, где упомянутые команды программы конфигурируются, чтобы побудить радиоустройство, когда команды программы исполняются процессором: принять радиочастотный сигнал; и обнаружить в радиочастотном сигнале первый сигнал преамбулы произвольного доступа, переданный первым удаленным радиоустройством, где первый сигнал преамбулы произвольного доступа содержит N соединенных символов преамбулы, при этом каждый символ преамбулы содержит один тон, где один тон для каждого второго из N символов преамбулы соответствует первой частоте поднесущей, а один тон для оставшихся символов преамбулы соответствует второй частоте поднесущей.
Пример 29: Постоянный машиночитаемый носитель, содержащий сохраненный на нем компьютерный программный продукт из примера 28.
Выше подробно описано несколько способов, устройств и систем для формирования и приема преамбул произвольного доступа. Средние специалисты в данной области техники поймут, что варианты осуществления, охватываемые настоящим раскрытием изобретения, не ограничиваются конкретными примерными вариантами осуществления, описанными выше. В этой связи, хотя показаны и описаны пояснительные варианты осуществления, в предшествующем раскрытии изобретения предполагается широкий диапазон модификации, изменения и замены. Подразумевается, что в вышеизложенное можно внести такие изменения без отклонения от объема настоящего раскрытия изобретения. Соответственно, целесообразно толковать прилагаемую формулу изобретения широко и в соответствии с настоящим раскрытием изобретения.
Ниже идут некоторые дополнительные неограничивающие примеры, детализирующие некоторые из вышеупомянутых методик и предоставляющие некоторый возможный контекст для их применения.
Введение
На GERAN#62 была утверждена новая тема исследования, названная Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things (код WI: FS_IoT_LC), чтобы удовлетворить потребности Интернета вещей в сотовых сетях [1]. Исследование открыто для не устаревшего исполнения и/или обратно совместимого развития GSM/EDGE.
Было предложено и включено в [2] узкополосное решение на основе LTE (называемое NB-LTE), и теперь оно исследуется в рабочем элементе [3] NB-IoT, который был утвержден на RAN#69. Документ [2] предоставил высокоуровневое описание идеи произвольного доступа в NB-LTE, например, разнос поднесущих и мультиплексирование. Дополнение [4] предоставило более подробное описание касательно канала с произвольным доступом в NB-LTE. В этом дополнении дополнительно усовершенствовали исполнение и предоставили обновленные результаты оценки производительности. Основные изменения в этом исполнении следующие.
- Уменьшили ранее предложенную длину преамбулы (491) до 251. В результате канал с произвольным доступом использует полосу пропускания 80 кГц вместо полосы пропускания 160 кГц. Это помогает повысить спектральную эффективность.
- Предложили новое исполнение произвольного доступа для пользователей с MCL 164 дБ. Новое исполнение теоретически обладает отношением пиковой мощности к средней мощности (PAPR) в 0 дБ и полезно для эффективности усилителя мощности.
Применения и процедуры произвольного доступа
В существующем исполнении произвольного доступа LTE произвольный доступ служит нескольким целям, таким как начальный доступ при установлении линии радиосвязи, запрос планирования и т. п. Среди прочих основная цель произвольного доступа - добиться синхронизации восходящей линии связи, которая важна для поддержания ортогональности восходящей линии связи в LTE.
Произвольный доступ LTE может быть либо доступом с конкуренцией, либо бесконфликтным доступом. Процедура произвольного доступа с конкуренцией состоит из четырех этапов, как проиллюстрировано на фиг. 2 ("LTE contention-based random access procedure [7]"). Отметим, что только первый этап содержит обработку физического уровня, специально спроектированную для произвольного доступа, тогда как три оставшихся этапа придерживаются такой же обработки физического уровня, используемой при передаче данных восходящей линии связи и нисходящей линии связи. Для бесконфликтного произвольного доступа UE использует зарезервированные преамбулы, назначенные базовой станцией. В этом случае не нужно разрешение конфликта, и соответственно необходимы только этапы 1 и 2.
В NB-LTE процедура произвольного доступа придерживается своего аналога в LTE. Из-за уменьшенной полосы пропускания в NB-LTE необходимы незначительные исправления в исполнении физического канала с произвольным доступом (PRACH) LTE для PRACH NB-LTE. Однако исправление затрагивает только этап 1 (преамбула произвольного доступа), поскольку это единственный этап, который содержит обработку физического уровня, характерную для произвольного доступа.
Исполнение физического канала с произвольным доступом
Мультиплексирование ресурсов восходящей линии связи
Пример мультиплексирования PRACH с PUSCH в NB-LTE показан на фиг. 17 ("Мультиплексирование физических каналов восходящей линии связи"). Видно, что мультиплексирование аналогично LTE. PUSCH мог бы мультиплексироваться по частоте с PRACH во временных интервалах PRACH. Частотно-временные ресурсы PRACH могут конфигурироваться базовой станцией. Конфигурация зависит от таких факторов, как нагрузка произвольного доступа, размер соты и т. п.
В NB-LTE можно задать три класса покрытия: базовое покрытие (MCL 144 дБ), устойчивое покрытие (MCL 154 дБ) и предельное покрытие (MCL 164 дБ) [2]. Соответственно, можно использовать разные форматы преамбулы (будут представлены ниже) для пользователей в разных классах покрытия. Одновременные передачи преамбул от пользователей в разном классе покрытия могут приводить к возможным проблемам ближней-дальней зоны. Для уменьшения этой проблемы передачи преамбул от пользователей в разном классе покрытия можно мультиплексировать по времени в NB-LTE, как проиллюстрировано на фиг. 17.
Форматы 0 и 1 PRACH
В этом подразделе вводим исполнение преамбулы для форматов 0 и 1 PRACH, которое может использоваться пользователями с MCL 144 дБ и MCL 154 дБ соответственно.
Исполнение преамбулы
В NB-LTE разнос поднесущих для PUSCH может составлять, например, 2,5 кГц, что в 6 раз меньше по сравнению с разносом поднесущих LTE в 15 кГц. В LTE разнос поднесущих PRACH равен 1,25 кГц, а преамбулы являются последовательностями Задова-Чу с длиной 839. Поэтому полная используемая полоса пропускания равна 1,0488 МГц (исключая защитную полосу).
По-видимому, естественным выбором для исполнения PRACH NB-LTE является уменьшение разноса поднесущих 1,25 кГц также в 6 раз и повторное использование последовательностей Задова-Чу с длиной 839. Однако с этим исполнением есть некоторые проблемы. Во-первых, уменьшенный разнос поднесущих равен 208,3 Гц, что довольно мало, принимая во внимание уход частоты между устройством и базовой станцией и доплеровский сдвиг. Во-вторых, полная используемая полоса пропускания для PRACH составила бы 208,3*839=174,8 кГц, тогда как полная полоса пропускания восходящей линии связи равна 180 кГц в NB-LTE. В результате для PUSCH можно использовать не более двух поднесущих 2,5 кГц либо оставить в качестве защитной полосы для внутриполосного развертывания, и отсутствует защитная полоса между PUSCH и PRACH, когда они мультиплексируются по частоте. Это может вызвать проблемы из-за помех.
Для форматов 0 и 1 PRACH предлагаем, чтобы PRACH использовал полосу пропускания 80 кГц. С одной стороны, желателен большой разнос поднесущих, чтобы сделать передачу преамбулы устойчивой к уходу частоты несущей (CFO) и доплеровскому сдвигу. С другой стороны, предпочтительны преамбулы на основе более длинных последовательностей Задова-Чу. Причина в том, что ортогональные преамбулы выводятся путем применения циклических сдвигов к базовой последовательности Задова-Чу. В LTE разные циклические сдвиги применяются к сотам в разных диапазонах размеров [6]. Для заданного размера соты (заданного циклического сдвига) чем длиннее преамбулы, тем больше ортогональных преамбул. При полосе пропускания 80 кГц для PRACH существует компромисс между разносом поднесущих PRACH и длиной преамбулы. Кроме того, выбор должен дать PRACH возможность хорошо вписаться в общую структуру кадра в NB-LTE.
Учитывая все ограничения, предлагается уменьшить полосу пропускания поднесущей 1,25 кГц PRACH LTE в 4 раза для PRACH NB-LTE (разнос поднесущих 312,5 Гц). Максимальная длина преамбулы, таким образом, равна 80/0,3125=256. Для упрощения выбора последовательности преамбул предпочтительны последовательности Задова-Чу исходной длины. Поскольку наибольшим простым числом меньше 256 является 251, в качестве преамбулы предлагается использовать последовательности Задова-Чу с длиной 251.
Таким образом, для форматов 0 и 1 PRACH NB-LTE предлагается использовать последовательности Задова-Чу с длиной 251, отображенные в разнесенные на 312,5 Гц поднесущие. Предложенное исполнение показано на фиг. 18 ("Длина преамбулы и разнос поднесущих для форматов 0 и 1 PRACH"). Кроме того, в качестве рабочей гипотезы предлагается допускать, что для NB-LTE доступны 64 преамбулы, как в LTE. Среди 64 преамбул каждая сота может конфигурировать их подмножество для бесконфликтного произвольного доступа.
Задание размеров PRACH
Как упоминалось выше, длительность и период временного интервала PRACH могут конфигурироваться в зависимости от загрузки и размера соты. В этом подразделе предоставляем одну такую конфигурацию.
При разносе поднесущих 312,5 Гц длительность последовательности преамбул равна 3,2 мс. Предлагаем использовать 4 мс в качестве базового сегмента произвольного доступа. Поскольку длительность последовательности преамбул равна 3,2 мс, существуют ресурсы 0,8 мс, оставшиеся для циклического префикса (CP) и защитного интервала (GT). Чтобы максимизировать покрытие, CP задается как 0,4 мс (игнорируя разброс задержек, который составляет порядка нескольких мкс и обладает несущественным влиянием). Фиг. 5 ("Задание размеров циклического префикса/защитного интервала для форматов 0 и 1 PRACH") иллюстрирует предложенное задание размеров CP/GT PRACH. При необходимости можно задать больше конфигураций PRACH (с разными длительностями, CP или GT).
CP с длительностью 0,4 мс может обращаться с размерами сот вплоть до 60 км, превышая целевой максимальный размер соты в 35 км в исследовании GERAN [1]. Также при 256-точечном IFFT для формирования преамбулы PRACH размер CP достигает 32 выборок, делая простым добавление CP в основополосную обработку. Хотя преамбулы задаются в частотной области, устройства могут непосредственно формировать преамбулы во временной области и, соответственно, могут обходить операцию 256-точечного IFFT.
На основе вышеупомянутого задания размеров CP/GT форматы 0 и 1 PRACH задаются соответственно следующим образом.
- Для пользователей с MCL 144 дБ достаточно одного сегмента PRACH для отправки их преамбул.
- Для пользователей с MCL 154 дБ предлагаем повторить базовый сегмент PRACH 12 раз.
Форматы сведены в Таблицу 1.
Таблица 1: Форматы 0 и 1 PRACH
Формат
Размер соты (км)
Tcp (мс)
Tseq (мс)
Количество повторений
Количество преамбул
0
60
0,4
3,2
1
N0
1
60
0,4
3,2
12
N1
Примечание: Ni<=64, i=0, 1. Оставшиеся 64-Ni преамбулы резервируются для бесконфликтного произвольного доступа для соответствующего класса покрытия. N0 и N1 могут конфигурироваться в каждой соте.
Формат 2 PRACH
В этом подразделе вводим исполнение преамбулы для формата 2 PRACH, который может использоваться, например, пользователями с MCL 164 дБ. Стимул в том, что пользователи с MCL 164 дБ ограничены по мощности, и их производительность чувствительна к эффективности усилителя мощности. Особое исполнение преамбулы в формате 2 PRACH теоретически обладает PAPR в 0 дБ и, соответственно, является энергоэффективным.
Основополагающая идея исполнения в том, чтобы расширить преамбулу произвольного доступа во времени вместо расширения ее по частоте (как в форматах 0 и 1 PRACH). Исполнение показано на фиг. 7 ("Формат 2 PRACH"). Преамбула состоит из 100 символов во времени и занимает один тон (2,5 кГц) по частоте. Однако передача перестраивается между двумя соседними тонами от символа к символу. Перестройка используется для обеспечения удовлетворительного качества оценки времени прихода на BS.
Поскольку ширина полосы тона равна 2,5 кГц, длительность части с данными у нормального символа OFDM равна 400 мкс. Для поддержки размера соты вплоть до 60 км нужен CP с длиной 400 мкс для обеспечения максимальной двусторонней задержки. Прямая передача привела бы к 50% служебной нагрузки CP от общего ресурса. Для уменьшения служебной нагрузки повторяем каждый символ OFDM четыре раза, получая длительность символа 1600 мкс. Первая копия символа OFDM рассматривается как CP, тогда как три оставшихся копии рассматриваются как данные. Это исполнение сокращает служебную нагрузку CP с 50% до 25%. BS может когерентно объединить три копии символа и получить усиление по мощности около 4,8 дБ.
Чтобы наблюдать свойство PAPR в 0 дБ у преамбулы на фиг. 7, рассмотрим без потери общности символы 1 и 2 OFDM, которые можно записать в виде
где T=400 мкс. В каждом символе OFDM с длиной 4T форма сигнала представляет постоянную огибающую. На границе символа разность фаз равна
фаза =фаза
Поэтому отправка постоянной последовательности, которая чередуется между двумя тонами, гарантирует непрерывность фаз и теоретически дает PAPR в 0 дБ.
Поскольку каждая преамбула использует практически только одну поднесущую 2,5 кГц, в частотной области можно мультиплексировать разные преамбулы (по сравнению с типом CDMA мультиплексирования преамбул в форматах 0 и 1). Например, фиг. 8 ("Частотное мультиплексирование преамбул формата 2") показывает мультиплексирование двух преамбул. Вообще, можно сконфигурировать N3 тонов для пользователей с MCL 164 дБ, где конфигурация может меняться в зависимости от информационной нагрузки. Ограничивая полосу пропускания PRACH до 80 кГц, максимальное значение N3 равно 32.
Исполнение формата 2 PRACH совместно использует некоторую общность с исполнением произвольного доступа в NB OFDMA [2], но в различных аспектах имеются отличия.
- Общность: Оба исполнения полагаются на перестройку для обеспечения удовлетворительного качества оценки времени прихода.
- Отличия:
- Две длины CP (поддерживающие размер соты вплоть до 8 км и 35 км соответственно) в NB OFDMA выбираются для обеспечения двусторонних задержек, тогда как здесь одна длина CP тщательно выбирается для получения PAPR 0 дБ, а также для обеспечения двусторонней задержки для размера соты вплоть до 60 км.
- Контрольные сигналы произвольного доступа в NB OFDMA встраиваются в символы данных, тогда как передача данных здесь не нужна. Также может быть затратно отправлять данные до того, как устанавливается синхронизация восходящей линии связи (поскольку нужен длинный CP для большого размера соты, чтобы обеспечить двустороннюю задержку).
Формат 2 PRACH сведен в Таблицу 2.
Таблица 2: Формат 2 PRACH
Формат
Размер соты (км)
Tcp (мс)
Ts (мс)
Длительность преамбулы (мс)
Количество преамбул (количество тонов)
2
60
0,4
1,2
160
N3
Примечание: В каждой соте можно сконфигурировать количество N3 тонов, используемых для формата 2.
Оценка производительности
В этом разделе представляются результаты моделирования для оценки исполнения PRACH NB-LTE. Используемые предположения моделирования основываются на указанных в [2] и сведены в Таблицу 3.
Таблица 3: Параметры моделирования
Параметр
Значение
Модель канала
TU
Доплеровский разброс
1 Гц
Конфигурация антенны
1 Tx; 2 Rx
Размер соты
35 км
Неопределенность синхронизации
Случайно выведенная из [-5,2 мкс, 233,3+5,2 мкс]. См. примечание 1.
Отклонение частоты
Равномерно выведенное из множества {-50 Гц, 50 Гц}. См. примечание 2.
Уход частоты MS
Равномерно выведенный из множества {-22,5 Гц/с, 22,5 Гц/с}.
Преамбулы
Последовательности Задова-Чу с корнями 1, …, 64.
Количество реализаций каналов
10000
Примечание 1: 233,3 мкс является максимальной двусторонней задержкой в соте размера 35 км. Дополнительные +-5,2 мкс составляют остаточные ошибки синхронизации при поиске соты NB-LTE [5]. Неопределенность синхронизации выводится на основе постоянного местоположения пользователя в шестиугольной соте размера 35 км.Примечание 2: 99% отклонений частоты находятся в пределах 50 Гц при поиске соты NB-LTE [5].
Качество покрытия
Для обнаружения преамбулы PRACH в приемнике пороговая величина устанавливается так, что частота обнаружения ложной тревоги достаточно низкая, когда в приемник поступает тепловой шум. Разные пороговые величины выбираются на основе классов покрытия. Моделирования проведены со 100000 реализациями, чтобы проверить частоту ложных тревог.
Для обнаружения преамбулы форматов 0 и 1 PRACH в приемнике ошибочное обнаружение подсчитывается, если либо (1) максимум накопленной статистики обнаружения не превышает заранее установленную пороговую величину, либо (2) обнаруженный индекс преамбулы неверный, когда максимум накопленной статистики обнаружения превышает пороговую величину.
Для обнаружения преамбулы формата 2 PRACH в приемнике преамбула фактически индексируется индексом тона и, соответственно, известна BS. В этом случае ошибочное обнаружение подсчитывается, если максимум накопленной статистики обнаружения не превышает заранее установленную пороговую величину.
Отметим, что существует компромисс между частотой ложных тревог и частотой обнаружения при установке пороговой величины. Если пороговая величина высокая, то частота ложных тревог будет ниже, но вероятность того, что BS пропускает обнаружение переданных преамбул, будет выше (и соответственно, частота обнаружения может уменьшиться).
В качестве эталонных значений LTE задает, что частота ложных тревог PRACH равна 0,1%, а частота обнаружения PRACH равна 99% [8]. Также, хотя и не было договоренностей, идет обсуждение о снижении частоты обнаружения до 90% для расширения покрытия 15 дБ в работе eMTC LTE.
Базовое покрытие
Для пользователей в базовом покрытии (MCL 144 дБ) пороговая величина устанавливается так, что частота ложных тревог ниже 0,1%. Точнее, была только одна пробная реализация, где максимум накопленной статистики обнаружения опускался ниже заранее установленной пороговой величины, как показано в Таблице 4. Соответствующая частота обнаружения преамбулы равна 99,77%. Поэтому для пользователей в базовом покрытии качество передачи преамбулы в NB-LTE очень хорошее, превышающее обычные требования LTE.
Таблица 4: Качество покрытия у формата 0 PRACH
Ресурс
Кол-во преамбул
SNR (дБ)
MCL (дБ)
Частота ложных тревог
Частота обнаружения
4 мс x 80 кГц
64
0,9
144
1/100000
99,77%
Устойчивое покрытие (TBD)
Для пользователей в устойчивом покрытии (MCL 154 дБ) пороговая величина устанавливается так, что частота ложных тревог ниже 0,1%. Точнее, частота ложных тревог равна XXX%, как показано в Таблице 5. Соответствующая частота обнаружения преамбулы равна XXX%. Поэтому для пользователей в базовом покрытии сохраняется требование LTE по частоте ложных тревог, тогда как частота обнаружения уменьшается на 0,88%.
Таблица 5: Качество покрытия у формата 1 PRACH
Ресурс
Кол-во преамбул
SNR (дБ)
MCL (дБ)
Частота ложных тревог (%)
Частота обнаружения (%)
12×4 мс x 80 кГц
64
-9,1
154
0,23% (Нужно уменьшить)
98,83%
Предельное покрытие
Для пользователей в предельном покрытии для передачи преамбулы используют формат 2. Результаты сведены в Таблицу 6. Пороговая величина устанавливается так, что частота ложных тревог составляет около 0,1%. Точнее, частота ложных тревог равна 0,12%, как показано в Таблице 6. Соответствующая частота обнаружения преамбулы равна 99,42%. Поэтому для этих пользователей качество передачи преамбулы в NB-LTE удовлетворительное.
Таблица 6: Качество покрытия у формата 2 PRACH
Ресурс
Кол-во преамбул (количество тонов)
SNR (дБ)
MCL (дБ)
Частота ложных тревог
Частота обнаружения
160 мс x 2,5 кГц x 32
32
-4,0
164
0,12% (Нужно уменьшить)
99,42%
На основе характеристики частот ложных тревог и обнаружения Таблица 7 обобщает качество покрытия PRACH NB-LTE.
Таблица 7: Качество покрытия PRACH
1) Мощность передачи (дБ/мВт)
23
23
23
2) PSD (дБ/мВт/Гц)
-174
-174
-174
3) Коэффициент шума приема (дБ)
3
3
3
4) Запас помехозащищенности (дБ)
0
0
0
5) BW (Гц)
80000
80000
2500
6) Эффективный шум (дБ/мВт) 2)+3)+4)+10*log10(5))
-121,9691
-121,9691
137,0206
7) Необходимое SINR (дБ)
0,9
-9,1
-4,0
8) Чувствительность приема (дБ/мВт) 6)+7)
-121,0691
-131,0691
141,0206
9) Выигрыш при обработке приема (дБ)
0
0
0
10) MCL (дБ) 1)-8)+9)
144,0691
154,0691
164,0206
Качество оценки времени прихода
Среди прочих основная цель произвольного доступа - добиться синхронизации восходящей линии связи, которая важна для поддержания ортогональности восходящей линии связи в LTE. С этой целью приемник (базовая станция) оценивает время прихода из принятой преамбулы. Фиг. 19 ("Распределение ошибок оценки времени прихода. Синяя кривая: формат 0 при SNR 0,9 дБ; красная кривая: формат 1 при SNR -9,1 дБ") показывает распределения ошибок оценки времени прихода для форматов 0 и 1 PRACH при 0,9 дБ и -9,1 дБ соответственно. Результаты показывают, что ошибки оценки находятся в пределах 2 выборок при частоте дискретизации 160 кГц, или то же самое, что 12,5 мкс. В NB-LTE самый короткий CP равен 28,2 мкс (расширенный в 6 раз CP LTE в 4,7 мкс). Поэтому с ошибками оценки времени прихода (вплоть до 12,5 мкс) можно разобраться с помощью CP, и соответственно точность оценки времени прихода удовлетворительная.
Фиг. 20 ("Распределение ошибок оценки времени прихода: формат 2 при SNR -4 дБ") показывает распределения ошибок оценки времени прихода для формата 2 PRACH при -4 дБ. По сравнению с форматами 0 и 1 формат 2 использует только полосу пропускания 2,5 кГц, что в корне ограничивает точность оценки синхронизации. Результаты на фиг. 20 показывают, что ошибки оценки находятся в пределах [-4,5, 4,5] выборок при частоте дискретизации 160 кГц, или то же самое, что [-28,125, 28,125] мкс при 99%. Кроме того, могло бы использоваться устройство оценки синхронизации со смещением, чтобы 90% оценок синхронизации находились в диапазоне циклического префикса (который имеет длину по меньшей мере 28,2 мкс). Хотя точность синхронизации у формата 2 не настолько хороша, как у форматов 0 и 1, ухудшение незначительное, поскольку (1) только у 10% пользователей с MCL 164 дБ ошибки синхронизации выходят из диапазона циклического префикса, и (2) они работают с очень низким SNR, и соответственно, их производительность ограничена мощностью. Кроме того, их влияние на пользователей в других классах покрытия также незначительное, поскольку (1) принимаемая мощность у пользователей с MCL 164 дБ небольшая, и (2) они планируются на граничных поднесущих.
Выводы
Это дополнение представляет подробное обновленное исполнение PRACH для NB-LTE. Общие принципы проектирования PRACH NB-LTE придерживаются таковых у LTE, но предлагаются некоторые модификации для адаптации исполнения PRACH LTE к NB-LTE, которое работает с сильно уменьшенной полосой пропускания. Исполнение PRACH NB-LTE гибкое и может конфигурироваться в зависимости от размера соты и нагрузки системы. Этим исполнением поддерживается размер соты 60 км, что превышает требование 35 км, установленное исследованием.
Представленные результаты моделирования показывают, что исполнение может достичь цели MCL 164 дБ и обеспечить удовлетворительную оценку времени прихода на базовых станциях.
Ссылки
[1] GP-140421, "New Study Item on Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things (FS_IoT_LC) (revision of GP-140418)", source VODAFONE Group Plc. GERAN#62.
[2] 3GPP TR 45.820, "Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Cellular System; Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things; (Release 13)", www.3gpp.org.
[3] GP-151621, "New Work Item: NarrowBand IOT (NB-IOT)", source Qualcomm Inc., RAN #69.
[4] GP-150781, "Narrowband LTE - Random access design", source Ericsson LM, Nokia Networks, GERAN #67.
[5] RP-XXX, "Narrowband LTE - Cell Search", source Ericsson…, RAN XXX.
[6] 3GPP Technical Specification 36.211, "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation", www.3gpp.org.
[7] 3GPP Technical Specification 36.300, "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (Release 13)", www.3gpp.org.
[8] 3GPP Technical Specification 36.104, "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) radio transmission and reception", www.3gpp.org.