LTE系統(tǒng)PRACH詳解

趙海舜　許鑫

【摘要】 PRACH（Physical Random Access Channel），物理隨機(jī)接入信道，作為非同步用戶和LTE無(wú)線接入的正交傳輸方案的接口，主要用于網(wǎng)絡(luò)接入的初始化，為未得到上行同步或已經(jīng)失去上行同步的用戶實(shí)現(xiàn)上行定時(shí)同步。本文首先對(duì)LTE系統(tǒng)PRACH進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后分別從PRACH的初始參數(shù)、觸發(fā)事件、消息流程以及檢測(cè)等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳解。

【關(guān)鍵詞】 PRACH 競(jìng)爭(zhēng)模式 非競(jìng)爭(zhēng)模式 ZC序列

LTE系統(tǒng)中，在小區(qū)搜索過(guò)程之后，UE已經(jīng)與小區(qū)取得了下行同步，因此UE能夠接收下行數(shù)據(jù)。UE通過(guò)隨機(jī)接入過(guò)程（Random Access Procedure）與小區(qū)建立連接并取得上行定時(shí)同步。PRACH作為隨機(jī)接入信息的承載信道，其主要作用是：獲得上行定時(shí)同步；為UE分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)C-RNTI。

一、PRACH的初始參數(shù)

UE隨機(jī)接入小區(qū)所需的初始參數(shù)都從RRC層和MAC層獲得。RRC層提供的參數(shù)：根參數(shù)，PRACH configuration index（配置索引），High-speed flag（高速標(biāo)志），frequency position（頻率位置）和cyclic shift（NCS循環(huán)移位）。在一般的隨機(jī)接入過(guò)程中，RRC給PHY提供的參數(shù)來(lái)自廣播。切換時(shí)目標(biāo)eNB把參數(shù)發(fā)給源eNB，然后由源eNB通過(guò)PDCCH格式1a轉(zhuǎn)發(fā)給UE。MAC層提供的參數(shù)：preamble index，RA-RNTI，前導(dǎo)發(fā)射功率和功率調(diào)整步長(zhǎng)。在發(fā)起非競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入過(guò)程之前，物理層需要獲得以下參數(shù)：PRACH configuration，frequency position，preamble format，index to root sequence table，cyclic shift（NCS），set type（unrestricted or restricted set）。

二、PRACH的觸發(fā)事件

①初始接入時(shí)建立無(wú)線連接：UE會(huì)從RRC_IDLE態(tài)到RRC_CONNECTED態(tài)。②RRC連接重建過(guò)程：以便UE在無(wú)線鏈路失后重建無(wú)線連接。③切換：此時(shí)UE需要與新的小區(qū)建立上行同步。④RRC_CONNECTED態(tài)下，下行數(shù)據(jù)到達(dá)（此時(shí)需要回復(fù)ACK/NACK）時(shí)，上行處于“不同步”狀態(tài)。⑤RRC_CONNECTED態(tài)下，上行數(shù)據(jù)到達(dá)（例：需要上報(bào)測(cè)量報(bào)告或發(fā)送用戶數(shù)據(jù)）時(shí)，上行處于“不同步”狀態(tài)或沒(méi)有可用的PUCCH資源用于SR傳輸（此時(shí)允許已經(jīng)處于上行同步狀態(tài)的UE使用RACH來(lái)替代SR的作用）。⑥RRC_CONNECTED態(tài)下，為了定位UE，需要TA。

三、PRACH消息流程

PRACH消息流程可以分為兩類：非競(jìng)爭(zhēng)模式和競(jìng)爭(zhēng)模式。非競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入過(guò)程如圖1所示，有三個(gè)步驟：步驟1：eNB通過(guò)DL提供的專用信令給UE分配一個(gè)非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入前導(dǎo)（這個(gè)前導(dǎo)不會(huì)在廣播消息中分配）。步驟2：UE發(fā)送分配的非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入前導(dǎo)。步驟3：UE接收RA-RNTI加擾的隨機(jī)接入響應(yīng)，對(duì)于切換的情況，該響應(yīng)至少包括定時(shí)信息和初始上行授權(quán)；而對(duì)于下行數(shù)據(jù)到達(dá)觸發(fā)的非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入，該響應(yīng)至少包含定時(shí)信息，但是不一定需要上行授權(quán)，因?yàn)檫@種情況下的上行授權(quán)可能已經(jīng)從觸發(fā)隨機(jī)接入過(guò)程的DL下行數(shù)據(jù)得到。

競(jìng)爭(zhēng)模式的消息流程如圖2所示，有四個(gè)步驟：步驟1：UE選擇一個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)用于隨機(jī)接入。UE并不是隨便選擇一個(gè)前導(dǎo)，而是依據(jù)某種原則選擇，選定前導(dǎo)的同時(shí)也選擇了相應(yīng)的發(fā)給eNB的隱含信息。步驟2：eNB的MAC生成隨機(jī)接入響應(yīng)消息，并且通過(guò)RA-RNTI加擾的PDCCH指示也用RA-RNTI加擾的PDSCH發(fā)送給UE；該響應(yīng)至少包括RA-preamble identifier， Timing Alignment information， initial UL grant and assignment of Temporary C-RNTI。步驟3：UL-SCH首次上行調(diào)度傳輸，即message3的傳輸，該消息的傳輸使用HARQ；傳輸?shù)腡B塊大小取決于上一步中的上行授權(quán)，最小為80比特。步驟4：是由DL-SCH攜帶競(jìng)爭(zhēng)決議發(fā)送給UE；eNB可以不等待NAS回復(fù)就發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)決議；因?yàn)樵摳?jìng)爭(zhēng)決議的消息是Temporary C-RNTI加擾的，所以只可能在當(dāng)前擁有相同Temporary C-RNTI的若干個(gè)UE才能收到該消息，最終以競(jìng)爭(zhēng)決議標(biāo)識(shí)決定允許哪個(gè)UE接入成功。

四、PRACH的檢測(cè)

PRACH的前導(dǎo)序列使用ZC序列，檢測(cè)PRACH信號(hào)則是利用ZC序列理想的自相關(guān)特性和在此自相關(guān)特性下的最佳互相關(guān)特性（ZC序列滿足恒幅零自相關(guān)特性）。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文可以對(duì)LTE系統(tǒng)中的PRACH有一整體的認(rèn)識(shí)和理解，為PRACH的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]趙訓(xùn)威，林輝，張明等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)規(guī)范[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]3GPP TS 36.211 V9.1.0. （2010-03） 3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical Channels and Modulation（Release 9） [S].3GPP， 2010.