PRACH原理及其規劃方法Physical Random Access Channel物理隨機接入信道PRACH的規劃概述作用：PRACH信道用作隨機接入，是用戶進行初始連接、切換、連接重建立，重新恢復上行同步的唯一途徑。UE通過上行RACH來達到與LTE系統之間的上行接入和同步。原理：用戶使用PRACH信道上的Preamble碼接入，每個小區的Preamble碼為64個。 Preamble由ZC根序列(長度839)循環移位產生，PRACH信道的規劃主要規劃Ncs的大小（循環移位長度）、起始/終止根序列邏輯編號。Preamble的sequence序列的產生過程Preamble序列承載在接入信道中，preamle序列是有ZC序列推出來的，推導公式如下：其中Nzc 839，該序列實際是一個虛數數列，簡單理解用序列的每個單元是32bit的一個數，該數表示的虛數，高16為實部，低16位為虛部，整個理解成一個數也行。每個小區使用64個preamble，使用時在其中選取一個進行接入，64個preamble的產生是首先使用一個ZC根產生一個839的序列，然后通過Ncs參數對這個序列進行循環移位，如果移位步長較大而不夠64個preamble，則再拿一個根序列的ZC序列進行循環移位，直到滿足個數要求。這么做的原因是不同的循環位移步長和小區接入半徑有關，所以有不同的Ncs參數，Ncs是通過系統消息廣播下來的。最初選擇的根也是通過配置下來的。簡單理解：例如 01011100110表示0號preamble，往右循環移位1位00101110011表示1號，往右循環移位1位10010111001表示2號PRACH規劃步驟：（華為)Step1:根據小區半徑決定Ncs取值；按小區接入半徑10km來考慮，Ncs取值為93；其中Ncs與小區半徑的約束關系為：Step2: 839/93結果向下取整結果為9，這意味著每個索引可產生9個前導序列，64個前導序列就需要8個根序列索引；Step3:這意味著可供的根序列索引為0,8,16832共104個可用根序列索引；Step4：根據可用的根序列索引，在所有小區之間進行分配，原理類似于PCI分配方法Ncs configurationvalue低速小區Unrestricted set高速小區Restricted set00151131821522318264223252638632467385584668959821076100119312812119158131672021427923715419-表1 Ncs可取值（前導格式0-3）表5前導格式03時Ncs值與支持的最大小區半徑zeroCorrelationZoneConfigUnrestricted setRestricted set小區半徑小區半徑00119.1km151.4km1131.0 km181.7 km2151.3 km222.3 km3181.7 km262.9 km4222.3 km323.8 km5262.8 km384.6 km6323.7 km465.8 km7384.5 km557.1 km8465.7 km688.9 km9597.5 km8210.9 km107610 km10013.5 km119312.4 km12817.5 km1211916.1 km15821.8 km1316723 km20228.1 km1427939 km23733.1 km1541959 km-LTE中的PRACH在FDD模式下（以下若未特別指出，均是對FDD模式而言）PRACH的大小為6個RB，每個子幀中，至多有一個PRACH（36.211,Section 5.7.1）。TDD模式下，允許一個子幀中存在多個頻分的PRACH。PRACH中的前導序列，包含長度為 的循環前綴（CP）和長度為 的序列。如下圖所示：為了適應不同的小區大小，LTE FDD中的PRACH定義了四種類型，上面的圖中，格式1和格式3使用了較長的CP，適用于小區半徑較大的情況。格式2和格式3中重復的前導序列適用于路損較大的小區環境。格式0占據一個子幀的長度，格式1和格式2占據兩個連續子幀的長度，格式3占據3個連續子幀的長度。從上圖可以看出，PRACH中的CP和前導序列并沒有占滿整個子幀的時間，剩余的部分即為保護時間（Guard Period），這對非同步的上行PRACH來說是必要的。由MAC層觸發的隨機接入前導序列，只能在特定的時頻資源上發送。PRACH在頻域上的位置由上層半靜態設定的，通過SIB2中的參數prach-FreqOffset廣播，prach-FreqOffset的值代表的是物理塊資源的號碼，滿足 ，取值范圍在0到94之間，PRACH上不存在跳頻。SIB2中的參數prach-ConfigIndex（0到63之間取值）決定了小區中PRACH可以出現的幀和子幀的位置以及所使用的PRACH的類型。在3GPP 36.211 Table 5.7.1-2中定義。Table 5.7.1-2: Frame structure type 1 random access configuration for preamble formats 0-3.PRACHConfigurationPreambleSystem frame numberSubframe numberPRACH ConfigurationPreambleSystem frame numberSubframe numberIndexFormatIndexFormat00Even1322Even110Even4332Even420Even7342Even730Any1352Any140Any4362Any450Any7372Any760Any1, 6382Any1, 670Any2 ,7392Any2 ,780Any3, 8402Any3, 890Any1, 4, 7412Any1, 4, 7100Any2, 5, 8422Any2, 5, 8110Any3, 6, 9432Any3, 6, 9120Any0, 2, 4, 6, 8442Any0, 2, 4, 6, 8130Any1, 3, 5, 7, 9452Any1, 3, 5, 7, 9140Any0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 946N/AN/AN/A150Even9472Even9161Even1483Even1171Even4493Even4181Even7503Even7191Any1513Any1201Any4523Any4211Any7533Any7221Any1, 6543Any1, 6231Any2 ,7553Any2 ,7241Any3, 8563Any3, 8251Any1, 4, 7573Any1, 4, 7261Any2, 5, 8583Any2, 5, 8271Any3, 6, 9593Any3, 6, 9281Any0, 2, 4, 6, 860N/AN/AN/A291Any1, 3, 5, 7, 961N/AN/AN/A30N/AN/AN/A62N/AN/AN/A311Even9633Even9PRACH中的前導序列是由ZadoffChu序列經過循環移位生成的，它們源自一個或多個ZadoffChu序列的根序列，序列長度為839， PRACH中子載波的間隔為1.25K。一個小區中有64個前導序列，網絡側配置小區內可以使用的前導序列，并通過SIB2中的參數rootSequenceIndex（在0到837之間取值）來廣播第一個ZC根序列，對根序列按一定的規則循環移位，生成相應的PRACH前導序列。由于PRACH上行傳輸的不同步以及不同的傳輸延遲，相應的循環移位之間需要有足夠的間隔，并非所有的循環移位都能夠作為正交序列使用。如果可用的循環移位的前導序列數目不夠64個，則按一定的規則選擇下一個ZC根序列，通過循環移位生成新的PRACH前導序列。對于高速移動環境下的UE，由于Doppler效應，會破壞ZC序列不同循環移位之間的正交性，此時，LTE中定義了特殊的規則來生成ZC序列的移位。SIB2中的highSpeedFlag來指明小區是否支持高速移動下ZC序列循環移位的選擇。時頻域資源對于格式1到3，頻域間隔1.25k，占用864個子載波(ZC序列長度839，剩余25個子載波兩邊保護)。格式4，頻域講7.5k，占用144個子載波（ZC序列139，剩余5個兩邊保護）。對于TDD，格式有4種，和TDD上下行幀劃分和prach-ConfigIndex有關，見211表Table 5.7.1-3。prach-ConfigIndex確定了四元結構體 ，決定了prach發送的時頻位置。在211表Table 5.7.1-4中配置。其中 是頻率資源索引。 分別表示資源是否在所有的無線幀，所有的偶數無線幀，所有的奇數無線幀上重現。 表示隨機接入資源是否位于一個無線幀的前半幀或者后半幀。 表示前導碼開始的上行子幀號，其計數方式為在連續兩個下行到上行的轉換點間的第一個上行子幀作為0進行計數。但對于前導碼格式4， 表示為(*)。前導序列產生每個基站下有64個preamble序列，怎么產生呢？由邏輯根序列號RACH_ROOT_SEQUENCE查表Table 5.7.2-4得到物理根序列號。用zeroCorrelationZoneConfig以及highSpeedFlag（如果為高速，則是限制級）查211表格Table 5.7.2-2得到循環位移NCS;用循環位移NCS與根序列，得到64個preamble序列。1個根序列可能無法生產64個preamle序列，則取下一個根序列繼續生成，直到得到64個preambleMAC層處理觸發條件RRC信令觸發。包括切換，初始入網，idle醒來需要做隨機接入。此時沒有C-RNTI,msg3在CCCH中發送，在msg4中會攜帶msg3的內容作為UE標識讓UE知道是否該msg4是針對自己的。UE MAC層觸發：此時已經有了C-RNTI，不是為了入網而是為了2種情況：a、UE自己發現好久沒有調整ul timing了需要重新調整；b、沒有SR資源但需要BSRPDCCH DCI formart 1A觸發：基站發現UE的ul timing老不對了,可能是“Timing Advance Command MAC Control Element”老調整不好了（該方式時相對值調整），基站復位一下UE的timing調整參數（隨機接入的timing調整時絕對值調整，做完后應當復位一下相對值參數，以后用MAC控制元素相對值調整） 。基站通過1個特殊的DCI format 1a告知UE開始隨機接入，該DCI并不分配下行帶寬，只是指示隨機接入。RNTI用C-RNTI加擾；字段“Localized/Distributed VRB assignment flag”設置為0Resource block assignment bits設置為全1Preamble Index 6 bitsPRACH Mask Index 4 bits剩下的bits全填0。按照是否競爭，又分Contention based和Non-contention based。非競爭的消息如果Preamble Index（碼索引）填為全0則表示使用競爭的。如果Preamble Index不為0，但PRACH Mask Index（時頻資源索引）為0也是可以的，說明碼資源基站單獨分配UE了，但時頻資源UE還是要自己競爭（感覺這樣做很無聊，一般實現應該是都一起分配了吧）。發送preamble（MSG1）發送Preamble先必須得到一些PRACH和RACH的配置參數，才能發起隨機接入。確定時頻資源。prach-ConfigIndex確定碼資源。先從RACH_ROOT_SEQUENCE查表確定根序列，zeroCorrelationZoneConfig以及highSpeedFlag確定了循環位移，則可以從根序列確定64個preamble序列。把這64個序列取一部分（RRC配置numberOfRA-Preambles），取的這部分又分為2組（組A和組B），RRC配置了numberOfRA-Preambles，則組B大小為numberOfRA-Preambles - numberOfRA-Preambles。確定功率資源。組B用來傳大數據的msg3，但由于RB多了多功率有要求。計算組B傳輸的功率不能大于最大功率，用到參數deltaPreambleMsg3。確定RAR響應窗口ra-ResponseWindowSize；每次preamble不成功后重發增加的功率。powerRampingStepPreamble最大重傳此時。preambleTransMax初始功率。preambleInitialReceivedTargetPowerPreamble功率偏移。DELTA_PREAMBLEMSG3的HARQ重傳次數。maxHARQ-Msg3Tx發送組B的preamble需要用到的功率參數messagePowerOffsetGroupB等待msg4成功完成的定時器mac-ContentionResolutionTimer。參數得到后，清空msg3 buff，設置preamble傳輸次數為1（PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER=1），設置backoff參數為0，選擇隨機接入資源。注明：如果已經開始了隨機接入，基站又指示開始新的一個，UE選哪個由UE廠家自己決定。 RRC配置參數PRACH-Config field descriptionshighSpeedFlagParameter: High-speed-flag, see TS 36.211, 21, 5.7.2.TRUE corresponds to Restricted set and FALSE to Unrestricted set.產生序列時用，如果為高速，則用限制級的序列偏移。prach-ConfigIndexParameter: prach-ConfigurationIndex, see TS 36.211 21, 5.7.1.確定時頻位置時用，確定幀號、子幀號、時隙號，即確定時域位置。prach-FreqOffsetParameter: prach-FrequencyOffset, see TS 36.211, 21, 5.7.1. For TDD the value range is dependent on the value of prach-ConfigIndex.確定時頻位置時用，確定頻域位置，相對頂部（或底部）多少個RB。rootSequenceIndexParameter: RACH_ROOT_SEQUENCE, see TS 36.211 21, 5.7.1.根序列邏輯索引，產生序列時用，zeroCorrelationZoneConfigParameter: NCS configuration, see TS 36.211, 21, 5.7.2: table 5.7.2-2 for preamble format 0.3 and TS 36.211, 21, 5.7.2: table 5.7.2-3 for preamble format 4.產生序列時用，覺得序列偏移。發送preamble（MSG1）mac-ContentionResolutionTimerTimer for contention resolution in TS 36.321 6. Value in subframes. Value sf8 corresponds to 8 subframes, sf16 corresponds to 16 subframes and so on.maxHARQ-Msg3TxMaximum number of Msg3 HARQ transmissions in TS 36.321 6, used for contention based random access. Value is an integer.MSG3的最大HARQ傳輸次數messagePowerOffsetGroupBThreshold for preamble selection in TS 36.321 6. Value in dB. Value minusinfinity corresponds to infinity. Value dB0 corresponds to 0 dB, dB5 corresponds to 5 dB and so on.用組B時，UE發送時功率需要大幾個DBmessageSizeGroupAThreshold for preamble selection in TS 36.321 6. Value in bits. Value b56 corresponds to 56 bits, b144 corresponds to 144 bits and so on.用組A時，MSG3的最大的消息大小。numberOfRA-PreamblesNumber of non-dedicated random access preambles in TS 36.321 6. Value is an integer. Value n4 corresponds to 4, n8 corresponds to 8 and so on.Preamble總共的個數powerRampingStepPower ramping factor in TS 36.321 6. Value in dB. Value dB0 corresponds to 0 dB, dB2 corresponds to 2 dB and so on.UE重發preamble時，每次功率增加的步長preambleInitialReceivedTargetPowerInitial preamble power in TS 36.321 6. Value in dBm. Value dBm-120 corresponds to -120 dBm, dBm-118 corresponds to -118 dBm and so on.基站期望的目標功率preamblesGroupAConfigProvides the configuration for preamble grouping in TS 36.321 6. If the field is not signalled, the size of the random access preambles group A 6 is equal to numberOfRA-Preambles.符合參數，包含sizeOfRA-PreamblesGroupA，messageSizeGroupA，messagePowerOffsetGroupB如果沒有該參數數目只有組A沒有組B，組A的大小和RA組大小一樣。preambleTransMaxMaximum number of preamble transmission in TS 36.321 6. Value is an integer. Value n3 corresponds to 3, n4 corresponds to 4 and so on.Preamble最大發送次數ra-ResponseWindowSizeDuration of the RA response window in TS 36.321 6. Value in subframes. Value sf2 corresponds to 2 subframes, sf3 corresponds to 3 subframes and so on.UE發送完preamble后，等待響應的窗口，如果窗口沒有收到響應，認為基站沒有收到。窗口為“發送完preamble的最后一個子幀+3”到“發送完preamble的最后一個子幀+3+ ra-ResponseWindowSize”ra-PRACH-MaskIndexExplicitly signalled PRACH Mask Index for RA Resource selection in TS 36.321 6.非競爭時用，表明時頻位置。ra-PreambleIndexExplicitly signalled Random Access Preamble for RA Resource selection in TS 36.321 6.非競爭時用，表明UE發的碼序列索引。 此外還要用到幾個參數用來算功率與路損的，MAC和PHY用P-Max，終端最大發送功率，msg3發送功率的最大值。如果基站sib中配置了就用基站的，否則用36101中規定的23dbm（不像wimax每個終端的能力可以不一樣，lte是基站告訴UE而不像wimax相反）。referenceSignalPower 基站RS發送功率，用來算路損，發送msg3betaOffset-CQI-Index：CQI在PUSCH中傳輸時，占的總資源比例，在基站指定的隨機接入中如果上報CQI就會用到，既用來決定msg3的CQI 占用的RE數，也會用來做msg3的功控。deltaMCS-Enabled :msg3功控時，是否需要針對不同調制方式做修正。 資源選擇 步驟1：選取碼資源 RRC如果配置了指定的資源，則用RRC配置的，參數ra-PreambleIndex為碼索引，ra-PRACH-MaskIndex為時頻位置。當RRC配置了指定的資源（ra-PreambleIndex不全為0），則選擇指定的資源。 如果RRC沒有配置指定的資源，則 如果MSG3沒有傳輸過： 如果組B存在，且需要傳輸的MSG3大于messageSizeGroupA，則看組B要求的功率是否滿足，如果滿足則隨機選取組B的碼發送。判斷條件為：PCMAX preambleInitialReceivedTargetPower deltaPreambleMsg3 messagePowerOffsetGroupB0 如果MSG3傳輸過，現在重傳，則選取碼組時，和上次一樣。在組B或組A隨機選一個。 步驟2：選取時頻資源 協議容許指定碼資源但不指定時頻資源。但不容許指定時頻資源但不知道碼資源。 如果非競爭接入，PRACH Mask Index= ra-PreambleIndex,否則PRACH Mask Index=0 B、參考參數prach-ConfigIndex與PRACH Mask Index, ra-PreambleIndex,選取時頻資源 如果指定了ra-PreambleIndexd(碼資源)但沒指定時頻資源PRACH Mask Index，則隨機選擇一個時頻資源。 如果碼資源沒有指定，則隨機選擇1個時頻資源，再在該資源后面連續2幀再選2個資源，最后在這3個資源中幾率均等的選取一個。 功率選擇 PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER = preambleInitialReceivedTargetPower + DELTA_PREAMBLE + (PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER 1) * powerRampingStep; 可見，發碼的時候是不用協議中功控公式的，不需要估計路損等參數，指示從目標功率開始從最小的一次次往上抬功率。RAR(MSG2)監聽窗口UE第n幀發完RA后，在n+3到n+3+ ra-ResponseWindowSize監聽基站的RAR響應。ra-ResponseWindowSize最大為10，如果更大會引起其他傳輸的誤解。RA-RNTIRAR對應的PDCCH中CRC用RA-RNTI加擾，RA-RNTI= 1 + t_id+10*f_id。t_id為子幀索引，f_id為子幀內的第幾個時頻資源。可見，UE只能解出自己發送preamble的時頻資源的RAR。RAR消息頭針對同一個RA-RNTI（時頻資源），可能基站能解出多個碼的preamble，也可能一個也解不出來。基站應當針對所有解出的preamble回一個大RAR消息，該消息包含若干子RAR消息體（每個消息體對應1個RAPID子頭，RAPID是preamble的碼索引），每個消息體針對不同的preamble碼回的。但backoff參數只有一個在MAC 子頭中。基站必須在一個MAC包中回所有同一RA-RNTI的RAR。RAR消息體Timing advance command：時頻調整，絕對值調整，實際調整量為該IE*16個TsTemporary C-RNTI：臨時分配的RNTI，傳MSG3時用在傳輸信道加擾用。UL Grant如下：- Hopping flag 1 bit 是否跳頻- Fixed size resource block assignment 10 bits 轉換后可以得到RIV- Truncated modulation and coding scheme 4 bits 調制編碼率，213中表Table 8.6.1-1的前16行- TPC command for scheduled PUSCH 3 bits 相對功率(實際發送MSG3時功控公式中參數 為該值加上(PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER 1) * powerRampingStep)。見213表Table 6.2-1；- UL delay 1 bit 為0表示是n+k個子幀傳輸MSG3，為1是表示n+k個子幀后再等下次機會傳輸MSG3。其中n是收到MSG2的當前幀，k查321表Table 5.1.1.1-1得到。- CSI request 1 bit 對于競爭的隨機接入沒有意義，否則表示CQI MAC處理查表321表Table 7.2-1，設置backoff參數，如果preamble的碼索引就是終端發出的preamble，則認為接收RAR成功給PHY調整timing設置功率到PHY preambleInitialReceivedTargetPower， (PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER 1) * powerRampingStep)，用于msg3的功控。設置msg3的帶寬分配到PHY（需要解析一下，看是在mac解析還是在phy解析，見前面“消息體”描述）如果基站指定了碼索引ra-PreambleIndex，則認為隨機接入完成了，否則: 保存Temporary C-RNTI，msg3要加擾用 如果是第一次收到rar，且msg3不是RRC消息（RRC消息在CCCH上傳），則生成msg3時在MAC的控制元素中帶上C-RNTI(此時只能是SR資源不可用或者時頻太久沒有調整，觸發隨機接入)如果RAR消息頭中沒有UE自己的preamble索引RAPID，或者在監聽窗口沒有收到RAR消息，處理一樣（213里面說處理是不一樣的，和MAC矛盾），MAC的處理見下。發送此時加1. PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER+1如果達到最大preamble發送次數，通知高層如果MAC自己發起的隨機接入（SR觸發或時偏調整觸發），則在0和backoff值中隨機選取一個，等到時間結束在發preamble重新選擇資源發送preamble。MSG3傳輸方式用HARQ，最大重傳次數是RRC配置的maxHARQ-Msg3Tx。用的資源在RAR中的UL Grant中描述，描述了時頻位置，跳頻，功控參數。傳輸時機收到RAR后第6幀（36213中描述），如果第6幀不是上行幀，則等到第一個上行幀傳輸。時頻位置收到RAR后第6幀（36213中描述），如果第6幀不是上行幀，則等到第一個上行幀傳輸。發送功率參考因素：如果是在組B發送碼，對應于組A的功率偏移messagePowerOffsetGroupB，體現在 中，因為分的RB數目多了。在初始發碼的時候只是粗略估計一下組B的msg3多需要多少功率，而在RAR之后，就可以精確計算而不需要那個粗略的參數了。UE最大發送沖率如果基站sib中配置了就用基站的，否則用36101中規定的23dbm（不像wimax每個終端的能力可以不一樣，lte是基站告訴UE而不像wimax相反）。為RRC配置，分別是preamble期望接收功率與“MSG3相對preamble的偏移功率”。路損最后preamlbe相對第一次preamble傳輸抬升的功率。RAR消息中的TPC字段，相當于閉環功控基站調整參數。 內容1、傳輸信道用Temporary C-RNTI加擾； Msg3的最大bits數目，在RRC配置中的messageSizeGroupA規定。2、如果是RRC層觸發的隨機接入，則邏輯信道為CCCH，傳輸RRC信令,TM方式，攜帶一個UE標識。MAC還必須保存該CC