[4G&5G专题-41]：物理层-物理随机接入信道PRACH与随机接入过程

RRC_CONNECTED状态下，当下行有数据传输时，这时上行失步“non-synchronised”，因为数据的传输除了接收外，还需要确认，如果上行失步的话，eNB无法保证能够收到UE的确认信息，因为这时下行还是同步的，因此可以通过下行消息告诉UE发起随机接入需要使用的资源，比如前导序列以及发送时机等，因为这些资源都是双方已知的，因此不需要通过竞争的方式接入系统；

切换到新小区

切换过程中的随机接入，在切换的过程中，目标eNB可以通过服务eNB来告诉UE它可以使用的资源；

2.3 4G LTE基于竞争的随机接入过程：抢票的过程

1）MSG1：

UE在RACH/PRACH信道上发送随机接入前缀，携带preamble码；此时有可能有多个终端同时发起随机接入请求，因此可能会发生冲突。

RACH(Random Access CHannel)：随机接入信道，处于上行传输信道，该信道承载有限的控制信息，并且具有冲突碰撞特征。

基站通过解析随机接入响应，可以知道终端离自己的距离，计算出TA提前量，以便终端提前发出数据，确保不同距离的终端发送的数据，到达基站时，都落在基站期望的时隙中。

因此, 这里需要解决如下的几个问题：

（1）PRACH信道的时频资源分配

（2）前导码preamble的工作原理

（3）如何解决随机接入时的冲突

（4）如何计算提前量TA

2）MSG2：

基站侧接收到MSG1后，在DL-SCH上发送MAC层随机接入响应（RAR），RAR响应中携带了TA调整和上行授权指令以及T-CRNTI（临时CRNTI）

DL-SCH(Uplink Shared CHannel)：下行共享信道，处于下行传输信道。

TA(Timing Advance)用来保证终端UE与基站的上行时间同步。

这里的关键问题-1是：

UE是如何知道在哪个时频资源的DL-SCH信道上接收随机接入响应（RAR）？？

实际上，基站是通过物理下行控制信道发送下行控制信息DCI来通知所有终端UE的。

详见：《[4G&5G专题-38]：物理层-下行公共控制信道PDCCH与其承载的内容下行控制信息格式DCI》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113835133

这里的关键问题-2是：

如果两个手机正好随机选择的前导码preamble是相同，怎么办？

此时，基站会把两个终端当成同一个终端来回应MSG2，并通过MSG3来解除这种冲突。

3）MSG3（连接建立请求）：

UE收到MSG2后，判断是否属于自己的RAR消息（利用preamble ID核对），并发送MSG3消息，携带UE-ID。

UE的RRC层产生RRC Connection Request 并映射到UL –SCH上的CCCH逻辑信道上发送；

CCCH(Common Control Channel)：公共控制信道，处于逻辑信道。

这里会出现一种情况：就是两个UE使用了相同的随机接入序列，因此他们可能都会认为MSG3是自己的，这就是竞争。

竞争的解除是基站的责任，并是通过RRC层的MSG4来完成的。

4）MSG4(RRC连接建立)：

RRC层的Contention（竞争） Resolution（解决）机制，根据MSG3中的UE-ID号，最终负责裁决，哪一个UE是允许被接入的。

并通过MSG4通知特定UE-ID的终端用户，没有收到属于自己UE-ID的终端，超时后，将重新发起随机接入请求。

MSG4的传送是通过物理共享信道Px-SCH完成的。

2.4 4G LTE基于非竞争的随机接入过程

1）MSG0：基站通过下行信令给UE指派非冲突的随机接入前缀（non-contention Random Access Preamble ），这个前缀不在BCH上广播的集合中。

BCH(Broadcast CHannel)：广播信道，处于下行传输信道。

2） MSG1：UE在RACH上发送由基站指派的随机接入前缀。

本文的重点是：RACH信道如何基站指派的随机接入前缀：前导码preamble

3）MSG2：基站的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送。对于非竞争随机接入过程，preamble码由基站分配的。

整个流程到MS2 正确接受后就结束, 不需要MSG3和MSG4.

第3章 LTE MSG1的处理过程

3.1 基站如何分配PRACH的时频资源？

（1）频域资源

PRACH 在频域上占用6 个连续的RB(1.08MHz)，PRACH子载波间隔为1.25kHz, 这与其它上行子帧的子载波间隔15kHz不同。

其中，上下12-13个子载波为频域保护带宽，一共剩下839个有效的子载波，用于承载前导码。

具体频域的位置由参数Prach_frequencyOffset指定，即发送Preamble码的具体频域位置是不定的，可以手动指定的。

（3）时域资源

PRACH在时域上，是由前导码的Format所决定，不同格式的前导码，其时域的时长是相同的。

前导码的Format由参数prach-ConfigIndex决定。

前导码有三部分组成：循环前缀CP + 前导码ZC序列 + 保护时隙GP。

关于什么是前导码以及前导码的格式，稍后再继续讨论。

3.2 终端如何知道PRACH的时频资源在哪了？

基站通过物理广播信道PBCH告诉手机，小区的PRACH信道在哪些时频资源上。

3.3 终端如何选择PRACH的信道？

终端通过物理广播信道PBCH信道获取了PRACH信道的位置，就可以使用PRACH信道进行随机接入过程了。

3.4 终端如何选择PRACH的前导码？

（1）什么是前导码Preamble序列

Preamble是一个ZC序列，通过不同的循环移位，产生ZC序列前导，用于区分不同的随机接入请求（不是不同的用户，不同用户的区分是通过MSG3完成的，而不是MSG1）

ZC序列具有良好的自相关特性和互相关特性，基站可以通过一种基于检测的方法可以检测到对应的ZC序列。在频域上，不同用户的ZC序列复用在一起，由于良好的自相关性也可以被检测出来。

ZC序列并不是一个二进制序列，而是一个欧拉复数序列。关于ZC序列，请参考如下信息：

《[4G&5G专题-33]：物理层-浅谈ZC序列的原理以及在LTE PSS中的应用》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113752716

前导码Preamble是UE在物理随机接入信道中发送的实际内容。

在频域上：一共剩下839个有效的子载波。

在时域上：由时间长度为Tcp的循环前缀CP和时间长度为Tseq的前导码序列组成。如下图所示

（2）前导码Preamble格式与持续时间

LTE-TDD的前导码有5种格式，分别是Preamble Format 0/1/2/3/4，如下图所示。

不同的格式，Tcp和Tseq的值不同。前导码持续时间不同，比如Preamble格式0，它的前导码持续时间=（3168+24576）Ts=0.9031ms，

（3）每个格式的前导码占用的子帧个数

如果说上述的图不是很直观，那么下面的这张图，更加直观的展现了不同格式的前导码在时域上的长度（占用多少个子帧）。

Format0：前导码的时间长度，限制在1个上行子帧（1ms）时间范围内。

Format1：前导码的时间长度，限制在2个上行子帧（1ms）时间范围内。

Format2：前导码的时间长度，限制在2个上行子帧（1ms）时间范围内。时长=2*前导码长度（Nzc）

Format3：前导码的时间长度，限制在3个上行子帧（1ms）时间范围内。时长=2*前导码长度（Nzc）

Format4：比较特殊，只能在UpPTS中使用，因此LTE-FDD没有Format4.

（4）前导码长度与最大小区半径的关系

因为每个子帧的长度是30720Ts，去掉前导码占用的时间，那么前导码格式0还剩下的保护时间GP=（30720-3168-24576）Ts=2976Ts=2976*[1/(15000*2048)]s=96.875us。

之所以空出一部分的保护间隔Guard Period（GP）, 有时候也称为GT(Gap Time or Guard Time)，在于随机接入之前，UE还没有和基站完成上行同步，UE在小区中的位置还不确定，因此需要预留一段时间，以避免和其他子帧发生干扰。

考虑基站和UE之间的往返传输（终端的下行接收延时导致的终端参考信号的误差），因此最大小区半径=(3.0*10^8) m/s * 96.875 us / 2 = 14.53 km。

同理，可以计算得到其他前导码格式的最大小区覆盖半径。

因此，不同的小区覆盖半径，可以选择不同的前导码格式。这也是为什么前导码要分不同格式的原因。

为了更好的理解前导码格式与小区半径的关系，我们进一步探讨：

不同的GP保护时间决定了小区的最大覆盖半径，GP时间越长，小区的覆盖面积越大。

由于在设计的时候，GP与CP是正相关的，且近似相等，因此，可以可以说CP决定了小区半径的大小。

前导码格式0-3时，前导码长度（Nzc）固定等于839；//适用与大多数小区半径

前导码格式为4时，前导码长度（Nzc）固定等于139。//适用与超短的小区半径

从下图这张示意图中，更好的展现这个结论：

三个不同位置的UE1/2/3，同时向基站发送前导码，

那么基站首先会收到近端UE1的前导码请求，然后是UE2的前导码请求，最后收到处于边界的UE3的前导码请求。这三个UE的前导码是接收完整的，也不会对相邻的子帧造成干扰。

如果有个UE4，距离比UE3还要远，此时基站无法收到完整的前导码，且会对相邻的下一个子帧造成干扰，此次，UE4将无法接入到该小区。

GP的长度决定了小区半径，那么前导码自身的长度与小区半径之间什么关系呢？

实际上，小区半径与前导码自身的长度没有定量的数学关系，只有定性的关系。

理论上讲，小区半径越大，传输的路径越远，传输过程中受到的干扰和信号的衰减就越大，需要增加更多的冗余信号来表示某一信息，冗余编码的长度越长，抗干扰性就越强。

实际设计时，

（5）基站何时确定某一小区的前导码格式？

当然，每个小区只有一种格式，在建立小区的时候就确定下来了。

PRACH configuration Index参数决定了前导码的格式。

在上图中，多个index对用一种格式。

（6）终端如何获取终端的前导码格式？

来自RRC层的SIB2消息（通过物理共享信道传输）

（7）终端何时发送前导码？

大的时间是：第一次接入到网络，需要上行发送时。

小的时间是：在物理随机接入信道PRACH的时域资源上发送。

（8）前导码的生成规则

在LTE里，每个小区都有64个前导码集合，那么这些前导码序列Preamble Sequences是怎么生成的呢？

前导码序列集合包括根序列和由该根序列生成的循环移位序列CP，

计算过程分为两个大的步骤：

步骤1：生成一个ZC（Zadoff-Chu）根序列Xu(n)，作为一个基准序列；基准序列Xu(n)，也就是物理根序列号为u的ZC序列，按照以下公式计算得到。

其中，Nzc表示ZC序列的长度，

前导码格式0-3时，Nzc固定等于839；//适用与大多数小区半径

前导码格式为4时，Nzc固定等于139。//适用与超短的小区半径

u是物理根序列号（Physical root sequence number），由逻辑根序列号（Logical root sequence number）查协议表Table 5.7.2-4（前导码格式0-3时查该表）和Table 5.7.2-5（前导码格式4时查该表）得到。

逻辑根序列号（Logical root sequence number）由SIB2消息中的PRACH-Config信元的rootSequenceIndex字段配置，

步骤2：将基准序列Xu(n)进行循环移位，生成64个不同的循环序列Xuv(n)

（9）终端选择前导码的规则：从64个中随机选择一个，降低不同终端同时接入的冲突。

3.5 基站如何根据UE的PRACH请求，计算发送提前量TA

实际上，上面这张图，已经展现了不同UE的前导码到达基站的时间延时：从基站本地的TTI参考信号开始计算，到收到CP信号的这段时间，就是终端在后续数据发送中，需要提前发送的时间提前量TA。

就好比一个人，到达车站时，迟到的时间，就是下次要提前出发的时间。

TA的单位是Ts，小区带宽采用的时间。

3.5 如何降低多个终端同时随机接入的冲突？

（1）使用多个正交的前导码作为备选？

使用64个不同的前导码，区分不同的接入请求。

当然，前导码区分不用用户，不同的用户，有可能在某一次随机接入中随机选择了相同的前导码。

（2）使用码分复用支持多终端同时发起随机接入

ZC序列的前导码是正交的，可是现实码分复用的功能。

因此不同用户，如果随机选择的前导码不同，则可以同时发起随机接入请求，不会发生冲突。

（3）通过MSG3的UE-ID来区分不同的用户

对于不同用户，在某一时刻，同时选择了相同的随机接入前导码下的冲突情形，可以通过MSG3来解除竞争冲突。

3.6 冲突发生后的解决办法？

至于不同的终端，随机选择的前导码相同、选择的PRACH时频资源相同，导致发送的信号叠加在一起怎么办的问题？

有两种解决办法

（1）叠加后的信号无法正确解码：则此时随机接入失败，终端超时后重新发起随机接入的过程。

（2）叠加后的信号可以正确解调：基站MSG1和MSG2时，把这两个终端当成一个终端。直到MSG3流程时，再解决此冲突。

第4章 5G波束赋型与SSB回顾

4.1 波束与频域资源的关系

波束赋形（Beamforming）又叫波束成型、空域滤波，是一种使用大规模天线阵列，定向发送和接收信号的技术。

波束赋形技术通过调整相位阵列的基本单元的相位参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉，从而得到宏观的信号波束。

在5G系统中，数字波束赋就是通过控制每一路子载波的相位参数，获得期望的调制后信号的波束。

也就是说，可以通过控制各路时频资源的子载波的相位，使得不同的子载波的时频资源发送到不同的波束上。

这是基站能够在不同的波束上，发送不同的下行SSB同步信号块和接收不同PRACH信道的基础和前提条件。

详解参见：

《图解通信原理与案例分析-21：4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/110871535

4.2 SSB与波束的关系

SSB同步信号块是5G NR引入的一个新概念，他整合了物理主同步信号PSS,、辅同步信号SSS，还有物理广播信道PBCH。

SSB也是与波束绑定的，不同的波束有不同的SSB，如上图所示。

在上图示意中，SSB在物理层的时域发送周期默认为20ms，即2个10ms基本帧，在RRC层的更新周期为80ms。

一次发送时，可以连续发送N个SSB，每个SSB映射、关联到一个波束上，而SSB的个数N是可以根据需要设定。

N的最大数量与子载波的带宽相关，子载波的带宽越大，支持的SSB的个数就越多，最大支持64个SSB，即64个波束。

当然，每个波束发送的MIB信息，除了波束ID外，其他信息都是相同的，因为它们属于同一个小区。

下图更加形象的展现了SSB与波束的关系：

（1）下图有4个SSB，在4个不同方向的波束上发送。

、

（2）下图有8个SSB，在8个不同方向的波束上发送。

关于SSB的详细详细信息，请参看：

《[4G&5G专题-36]：物理层-同步信号块SSB与小区主同步PSS、小区辅同步SSS》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113577183

第5章 5G NR的PRACH信道

5.1 单波束：5G NR基于竞争/非竞争的随机接入

对于随机接入过程，NR与LTE基本相同。也有不同点，其最大的区别在于其触发场景。

5G NR的随机接入的触发场景更多，随机接入的过程是L3 RRC的功能，后续再继续探讨。

本节重点探讨如下与4G LTE不同的两点：

（1）PRACH信道传输内部传输的前导码的格式：在保留LTE的format的同时，进行了扩展, 增加了新的format。

（2）5G NR对PRACH的无线资源的分配方式：主要是考虑到对波束赋形的支持，随机接入也需要能够波束上进行。

5.2 单波束：5G NR的前导码序列的定义（时域+频域+码域）

与LTE基本相同，不同的地方有：

（1）Format的格式

PRACH在5G的SPEC里面由4种加上到了9种Format，除了Format0-3，还有A1，A2，A3，B1，B2，B3，B4，C0，C2。

不同的Format有不同的序列长度，子载波间隔 f，时间长度等。

前一个表格是LTE的前导码的格式，后一个表格是5G NR的前导码的格式。

Lra=839为长导码，Lra=139为短导码。

（2）子载波间隔

1.25kHz，5kHz, 15kHz, 30kHz, 60kHz, 120kHz。相对于4G的1.25kHz和7.5kHz而言，扩展了很多。

5.3 单波束：不同随机接入信道格式Format对应的时频资源详解

5G NR定义更多的随机接入信道的格式，并通过PRACH configuation Index来指定具体使用哪种格式。

不同的格式，反应的PRACH信道，在10ms帧中的时域位：系统帧号=》子帧号=》slot号=》符号起始位置=》连续的符号的个数

（1）关键符号的含义

C：代表CP

S：代表前导码

G: 代表GP

数字：一个1ms子帧中的symbol索引号0-13。

（2）长短前导码

长前导码：LTE继承下来的
短前导码：NR新定义的，主要为了支持波束。

（3）PRACH信道数

一个子帧中可以包含多个连续的前导码，用于支持多个不同的波束。

5.4 单波束：PRACH信道时域定义，Format格式定义详细

PRACH configuration index：PRACH format格式索引

Preamble Format：前导码格式。

（1）确定PRACH信道所在的系统帧号

SFN Mod X：表示间隔多少个无线帧可以发送一个PRACH信道，16表示，在1024个10ms系统帧号中，每16个10ms系统帧中出现1次PRACH信道。1表示，每1个10ms系统帧中都会1次PRACH信道。
Y：Mod X之后，PRACH信道出现在哪个系统帧上？比如X=16，y=1，表示每16个10ms系统帧中出现1次PRACH信道，由于y=1，因此，出现PRACH信道的系统帧号为1,17,32.....

（2）确定PRACH信道在系统帧中的子帧号

sub frame number：子帧号，一个10ms帧中有10个子帧。

（3）确定PRACH信道在子帧中的slot号

number of PRACH slots within a sub frame

（4）确定PRACH信道在slot中的起始符号索引

starting symbol

（5）确定PRACH信道占用几个符号

PRACH duration

（6）最后确定在时域上，有多少个PRACH occasion。

PRACH occasion

要理解PRACH occasion，需要理解 PRACH与波束的关系。PRACH occasion是5G NR新引入的一个概念。

有“时域”和”频域”组成一个PRACH信道矩阵，矩阵中的每一个小格子，称为一个PRACH occasion。

5.5 单波束：PRACH信道频域定义

PRACH在频域上有多少个PRACH occasion由MSG1的FDM参数确定

5.5 PRACH与波束的关系

在多波束的情形下，上行PRACH信道与波束的关系与下行SSB与波束的关系类似：

每个波束有独立的下行同步块SSB。

每个波束也有独立的上行PRACH信道。

与下行同步块SSB内容完全相同（除了波束ID号）不同的是，每个波束的上行PRACH信道的传输的前导码，并不是完全相同的。

每个小区最多有64个前导码，如何在不同的波束中分配这64个接入前导码呢？有哪些策略呢？

（1）每个波束拥有所有64个前导码。

（2）每个波束平均分配64个前导码。

（3）灵活配置

5G NR采用了灵活配置的策略，为此，引入了一个新的概念：PRACH occasion。

第6章 PRACH occasion

6.1 什么是PRACH occasion

这是一个比较难理解的概念， PRACH occasion直接翻译就是：一次随机接入的时机，包括频域的时机和时域的时机。

这样讲还是有点拗口，不妨进一步的拆解。

6.2 为什么要引入PRACH occasion

在没有波束赋形的场合，下行同步信道和上行的PRACH信道，对小区内的所有方向的终端都是公平的，且被所有终端共享。

因此，只需要划分一个PRACH信道即可以了，64个前导码，为PRACH信道的所有用户共享。

然后有波束赋形的场合，上行和下行方向的信号是按照波束发送的，这就带来了一些新的特点：

（1）由于不同的波束，有可能有各自不同的时频资源，因此就需要给不同的波束准备不同的RE时频资源。

（2）不同的波束，其所需的随机接入的前导码的数量可能并不完全相同，有些波束多，有些波束少。

基于这样的特点，5G NR在原先统一的PRACH时频资源的基础之上，划分出来了N*M个PRACH occasion。

N: 频域方向，把PRACH信道的RE切分为N个组，即PRACH occasion

M: 时域方向，把PRACH信道的RE切分为M个组，即PRACH occasion

这样一共有M*N个PRACH occasion。

而随机接入请求就是在PRACH occasion上进行的，这称为随机接入的“时机”。

6.3 每个PRACH occasion传输的前导码

每个PRACH occasion上能够传送的随机接入前导码的数量也是配置的。M*N个PRACH occasion传递的随机接入前导码的总和为64个。

6.4 PRACH occasion与SSB的映射

通常情况下，PRACH occasion的数量与波束的数量是1对1映射的，也可以把多个PRACH occasion映射到一个波束上。也可以把1个PRACH occasion映射到多个波束上。

（1）1对1映射

、

（2）多对1映射

（3）1对多映射

6.5 波束（通过SSB体现）与PRACH occasion映射关系的参数定义

（1）ssb-perRACH-occasion：每个PRACH occasion可以映射几个SSB

1: 1个PRACH occasion映射到1个SSB
分数（小于1）：多个PRACH occasion共享一个SSB
大于1：多个SSB共享一个PRACH occasion

（2）CB-PreamblePerSSB：每个SSB使用多少个前导码，最大64个，可以小于64.

参数1和参数2之间是有约束关系的，比如ssb-perRACH-occasion=16，表示每个PRACH occasion可以映射16个SSB，因为一共最大有64个前导码，这样的PreamblePerSSB最大就只能有4个前导码。

https://blog.csdn.net/m_052148/article/details/50894916

https://zhuanlan.zhihu.com/p/85358966

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