PRACH原理及其规划方法.docx
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PRACH原理及其规划方法
PRACH原理及其规划方法（总15页）
PRACH原理及其规划方法
PhysicalRandomAccessChannel物理随机接入信道
PRACH的规划概述
作用：
PRACH信道用作随机接入，是用户进行初始连接、切换、连接重建立，重新恢复上行同步的唯一途径。
UE通过上行RACH来达到与LTE系统之间的上行接入和同步。
原理：
用户使用PRACH信道上的Preamble码接入，每个小区的Preamble码为64个。
Preamble由ZC根序列（长度839）循环移位产生，PRACH信道的规划主要规划Ncs的大小（循环移位长度）、起始/终止根序列逻辑编号。
Preamble的sequence序列的产生过程
Preamble序列承载在接入信道中，preamle序列是有ZC序列推出来的，推导公式如下：
其中Nzc＝839，该序列实际是一个虚数数列，简单理解用序列的每个单元是32bit的一个数，该数表示的虚数，高16为实部，低16位为虚部，整个理解成一个数也行。
每个小区使用64个preamble，使用时在其中选取一个进行接入，64个preamble的产生是首先使用一个ZC根产生一个839的序列，然后通过Ncs参数对这个序列进行循环移位，如果移位步长较大而不够64个preamble，则再拿一个根序列的ZC序列进行循环移位，直到满足个数要求。
这么做的原因是不同的循环位移步长和小区接入半径有关，所以有不同的Ncs参数，Ncs是通过系统消息广播下来的。
最初选择的根也是通过配置下来的。
简单理解：
例如010表示0号preamble，往右循环移位1位001表示1号，往右循环移位1位表示2号
PRACH规划步骤：
（华为）
Step1:
根据小区半径决定Ncs取值；按小区接入半径10km来考虑，Ncs取值为93；其中Ncs与小区半径的约束关系为：
Step2:
839/93结果向下取整结果为9，这意味着每个索引可产生9个前导序列，64个前导序列就需要8个根序列索引；
Step3:
这意味着可供的根序列索引为0,8,16…832共104个可用根序列索引；
Step4：
根据可用的根序列索引，在所有小区之间进行分配，原理类似于PCI分配方法
Ncsconfiguration
value
低速小区Unrestrictedset
高速小区Restrictedset
0
0
15
1
13
18
2
15
22
3
18
26
4
22
32
5
26
38
6
32
46
7
38
55
8
46
68
9
59
82
10
76
100
11
93
128
12
119
158
13
167
202
14
279
237
15
419
-
表1Ncs可取值（前导格式0-3）
LTE中的PRACH
在FDD模式下（以下若未特别指出，均是对FDD模式而言）PRACH的大小为6个RB，每个子帧中，至多有一个PRACH（,Section）。
TDD模式下，允许一个子帧中存在多个频分的PRACH。
PRACH中的前导序列，包含长度为的循环前缀（CP）和长度为的序列。
如下图所示：
为了适应不同的小区大小，LTEFDD中的PRACH定义了四种类型，
上面的图中，格式1和格式3使用了较长的CP，适用于小区半径较大的情况。
格式2和格式3中重复的前导序列适用于路损较大的小区环境。
格式0占据一个子帧的长度，格式1和格式2占据两个连续子帧的长度，格式3占据3个连续子帧的长度。
从上图可以看出，PRACH中的CP和前导序列并没有占满整个子帧的时间，剩余的部分即为保护时间（GuardPeriod），这对非同步的上行PRACH来说是必要的。
由MAC层触发的随机接入前导序列，只能在特定的时频资源上发送。
PRACH在频域上的位置由上层半静态设定的，通过SIB2中的参数prach-FreqOffset广播，prach-FreqOffset的值代表的是物理块资源的号码，满足，取值范围在0到94之间，PRACH上不存在跳频。
SIB2中的参数prach-ConfigIndex（0到63之间取值）决定了小区中PRACH可以出现的帧和子帧的位置以及所使用的PRACH的类型。
在3GPPTable中定义。
TableFramestructuretype1randomaccessconfigurationforpreambleformats0-3.
PRACHConfiguration
Preamble
Systemframenumber
Subframenumber
PRACHConfiguration
Preamble
Systemframenumber
Subframenumber
Index
Format
Index
Format
0
0
Even
1
32
2
Even
1
1
0
Even
4
33
2
Even
4
2
0
Even
7
34
2
Even
7
3
0
Any
1
35
2
Any
1
4
0
Any
4
36
2
Any
4
5
0
Any
7
37
2
Any
7
6
0
Any
1,6
38
2
Any
1,6
7
0
Any
2,7
39
2
Any
2,7
8
0
Any
3,8
40
2
Any
3,8
9
0
Any
1,4,7
41
2
Any
1,4,7
10
0
Any
2,5,8
42
2
Any
2,5,8
11
0
Any
3,6,9
43
2
Any
3,6,9
12
0
Any
0,2,4,6,8
44
2
Any
0,2,4,6,8
13
0
Any
1,3,5,7,9
45
2
Any
1,3,5,7,9
14
0
Any
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
46
N/A
N/A
N/A
15
0
Even
9
47
2
Even
9
16
1
Even
1
48
3
Even
1
17
1
Even
4
49
3
Even
4
18
1
Even
7
50
3
Even
7
19
1
Any
1
51
3
Any
1
20
1
Any
4
52
3
Any
4
21
1
Any
7
53
3
Any
7
22
1
Any
1,6
54
3
Any
1,6
23
1
Any
2,7
55
3
Any
2,7
24
1
Any
3,8
56
3
Any
3,8
25
1
Any
1,4,7
57
3
Any
1,4,7
26
1
Any
2,5,8
58
3
Any
2,5,8
27
1
Any
3,6,9
59
3
Any
3,6,9
28
1
Any
0,2,4,6,8
60
N/A
N/A
N/A
29
1
Any
1,3,5,7,9
61
N/A
N/A
N/A
30
N/A
N/A
N/A
62
N/A
N/A
N/A
31
1
Even
9
63
3
Even
9
PRACH中的前导序列是由Zadoff－Chu序列经过循环移位生成的，它们源自一个或多个Zadoff－Chu序列的根序列，序列长度为839，PRACH中子载波的间隔为。
一个小区中有64个前导序列，网络侧配置小区内可以使用的前导序列，并通过SIB2中的参数rootSequenceIndex（在0到837之间取值）来广播第一个ZC根序列，对根序列按一定的规则循环移位，生成相应的PRACH前导序列。
由于PRACH上行传输的不同步以及不同的传输延迟，相应的循环移位之间需要有足够的间隔，并非所有的循环移位都能够作为正交序列使用。
如果可用的循环移位的前导序列数目不够64个，则按一定的规则选择下一个ZC根序列，通过循环移位生成新的PRACH前导序列。
对于高速移动环境下的UE，由于Doppler效应，会破坏ZC序列不同循环移位之间的正交性，此时，LTE中定义了特殊的规则来生成ZC序列的移位。
SIB2中的highSpeedFlag来指明小区是否支持高速移动下ZC序列循环移位的选择。
时频域资源
对于格式1到3，频域间隔，占用864个子载波（ZC序列长度839，剩余25个子载波两边保护）。
格式4，频域讲，占用144个子载波（ZC序列139，
剩余5个两边保护）。
对于TDD，格式有4种，和TDD上下行帧划分和prach-ConfigIndex有关，见211表Table。
prach-ConfigIndex确定了四元结构体，决定了prach发送的时频位置。
在211表Table中配置。
其中是频率资源索引。
分别表示资源是否在所有的无线帧，所有的偶数无线帧，所有的奇数无线帧上重现。
表示随机接入资源是否位于一个无线帧的前半帧或者后半帧。
表示前导码开始的上行子帧号，其计数方式为在连续两个下行到上行的转换点间的第一个上行子帧作为0进行计数。
但对于前导码格式4，表示为（*）。
前导序列产生
每个基站下有64个preamble序列，怎么产生呢
由逻辑根序列号RACH_ROOT_SEQUENCE查表Table得到物理根序列号。
用zeroCorrelationZoneConfig以及highSpeedFlag（如果为高速，则是限制级）查211表格Table得到循环位移NCS;
用循环位移NCS与根序列，得到64个preamble序列。
1个根序列可能无法生产64个preamle序列，则取下一个根序列继续生成，直到得到64个preamble
MAC层处理
触发条件
RRC信令触发。
包括切换，初始入网，idle醒来需要做随机接入。
此时没有C-RNTI,msg3在CCCH中发送，在msg4中会携带msg3的内容作为UE标识让UE知道是否该msg4是针对自己的。
UEMAC层触发：
此时已经有了C-RNTI，不是为了入网而是为了2种情况：
a、UE自己发现好久没有调整ultiming了需要重新调整；
b、没有SR资源但需要BSR
PDCCHDCIformart1A触发：
基站发现UE的ultiming老不对了,可能是“TimingAdvanceCommandMACControlElement”老调整不好了（该方式时相对值调整），基站复位一下UE的timing调整参数（随机接入的timing调整时绝对值调整，做完后应当复位一下相对值参数，以后用MAC控制元素相对值调整）。
基站通过1个特殊的DCIformat1a告知UE开始随机接入，该DCI并不分配下行带宽，只是指示随机接入。
RNTI用C-RNTI加扰；
字段“Localized/DistributedVRBassignmentflag”设置为0
Resourceblockassignment–bits设置为全1
PreambleIndex–6bits
PRACHMaskIndex–4bits
剩下的bits全填0。
?
按照是否竞争，又分Contentionbased和Non-contentionbased。
非竞争的消息如果PreambleIndex（码索引）填为全0则表示使用竞争的。
如果PreambleIndex不为0，但PRACHMaskIndex（时频资源索引）为0也是可以的，说明码资源基站单独分配UE了，但时频资源UE还是要自己竞争（感觉这样做很无聊，一般实现应该是都一起分配了吧）。
发送preamble（MSG1）
发送Preamble
先必须得到一些PRACH和RACH的配置参数，才能发起随机接入。
确定时频资源。
prach-ConfigIndex
确定码资源。
先从RACH_ROOT_SEQUENCE查表确定根序列，zeroCorrelationZoneConfig以及highSpeedFlag确定了循环位移，则可以从根序列确定64个preamble序列。
把这64个序列取一部分（RRC配置numberOfRA-Preambles），取的这部分又分为2组（组A和组B），RRC配置了numberOfRA-Preambles，则组B大小为numberOfRA-Preambles-numberOfRA-Preambles。
确定功率资源。
组B用来传大数据的msg3，但由于RB多了多功率有要求。
计算组B传输的功率不能大于最大功率，用到参数deltaPreambleMsg3。
确定RAR响应窗口ra-ResponseWindowSize；
每次preamble不成功后重发增加的功率。
powerRampingStep
Preamble最大重传此时。
preambleTransMax
初始功率。
preambleInitialReceivedTargetPower
Preamble功率偏移。
DELTA_PREAMBLE
MSG3的HARQ重传次数。
maxHARQ-Msg3Tx
发送组B的preamble需要用到的功率参数messagePowerOffsetGroupB
等待msg4成功完成的定时器mac-ContentionResolutionTimer。
?
参数得到后，清空msg3buff，设置preamble传输次数为1（PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER=1），设置backoff参数为0，选择随机接入资源。
注明：
如果已经开始了随机接入，基站又指示开始新的一个，UE选哪个由UE厂家自己决定。
•RRC配置参数
PRACH-Configfielddescriptions
highSpeedFlag
Parameter:
High-speed-flag,seeTS,[21,correspondstoRestrictedsetandFALSEtoUnrestrictedset.
产生序列时用，如果为高速，则用限制级的序列偏移。
prach-ConfigIndex
Parameter:
prach-ConfigurationIndex,seeTS[21,确定时频位置时用，确定帧号、子帧号、时隙号，即确定时域位置。
prach-FreqOffset
Parameter:
prach-FrequencyOffset,seeTS,[21,ForTDDthevaluerangeisdependentonthevalueofprach-ConfigIndex.
确定时频位置时用，确定频域位置，相对顶部（或底部）多少个RB。
rootSequenceIndex
Parameter:
RACH_ROOT_SEQUENCE,seeTS[21,根序列逻辑索引，产生序列时用，
zeroCorrelationZoneConfig
Parameter:
NCSconfiguration,seeTS,[21,tableforpreambleformat0..3andTS,[21,tableforpreambleformat4.
产生序列时用，觉得序列偏移。
发送preamble（MSG1）
mac-ContentionResolutionTimer
TimerforcontentionresolutioninTS[6].Valueinsubframes.Valuesf8correspondsto8subframes,sf16correspondsto16subframesandsoon.
maxHARQ-Msg3Tx
MaximumnumberofMsg3HARQtransmissionsinTS[6],usedforcontentionbasedrandomaccess.Valueisaninteger.
MSG3的最大HARQ传输次数
messagePowerOffsetGroupB
ThresholdforpreambleselectioninTS[6].ValueindB.Valueminusinfinitycorrespondsto–infinity.ValuedB0correspondsto0dB,dB5correspondsto5dBandsoon.
用组B时，UE发送时功率需要大几个DB
messageSizeGroupA
ThresholdforpreambleselectioninTS[6].Valueinbits.Valueb56correspondsto56bits,b144correspondsto144bitsandsoon.
用组A时，MSG3的最大的消息大小。
numberOfRA-Preambles
Numberofnon-dedicatedrandomaccesspreamblesinTS[6].Valueisaninteger.Valuen4correspondsto4,n8correspondsto8andsoon.
Preamble总共的个数
powerRampingStep
PowerrampingfactorinTS[6].ValueindB.ValuedB0correspondsto0dB,dB2correspondsto2dBandsoon.
UE重发preamble时，每次功率增加的步长
preambleInitialReceivedTargetPower
InitialpreamblepowerinTS[6].ValueindBm.ValuedBm-120correspondsto-120dBm,dBm-118correspondsto-118dBmandsoon.
基站期望的目标功率
preamblesGroupAConfig
ProvidestheconfigurationforpreamblegroupinginTS[6].Ifthefieldisnotsignalled,thesizeoftherandomaccesspreamblesgroupA[6]isequaltonumberOfRA-Preambles.
符合参数，包含sizeOfRA-PreamblesGroupA，messageSizeGroupA，messagePowerOffsetGroupB
如果没有该参数数目只有组A没有组B，组A的大小和RA组大小一样。
preambleTransMax
MaximumnumberofpreambletransmissioninTS[6].Valueisaninteger.Valuen3correspondsto3,n4correspondsto4andsoon.
Preamble最大发送次数
ra-ResponseWindowSize
DurationoftheRAresponsewindowinTS[6].Valueinsubframes.Valuesf2correspondsto2subframes,sf3correspondsto3subframesandsoon.
UE发送完preamble后，等待响应的窗口，如果窗口没有收到响应，认为基站没有收到。
窗口为“发送完preamble的最后一个子帧+3”到“发送完preamble的最后一个子帧+3+ra-ResponseWindowSize
”
ra-PRACH-MaskIndex
ExplicitlysignalledPRACHMaskIndexforRAResourceselectioninTS[6].
非竞争时用，表明时频位置。
ra-PreambleIndex
ExplicitlysignalledRandomAccessPreambleforRAResourceselectioninTS[6].
非竞争时用，表明UE发的码序列索引。
•此外还要用到几个参数用来算功率与路损的，MAC和PHY用
P-Max，终端最大发送功率，msg3发送功率的最大值。
如果基站sib中配置了就用基站的，否则用36101中规定的23dbm（不像wimax每个终端的能力可以不一样，lte是基站告诉UE而不像wimax相反）。
referenceSignalPower基站RS发送功率，用来算路损，发送msg3
betaOffset-CQI-Index：
CQI在PUSCH中传输时，占的总资源比例，在基站指定的随机接入中如果上报CQI就会用到，既用来决定msg3的CQI占用的RE数，也会用来做msg3的功控。
deltaMCS-Enabled:
msg3功控时，是否需要针对不同调制方式做修正。
•资源选择
•步骤1：
选取码资源
•?
•RRC如果配置了指定的资源，则用RRC配置的，参数ra-PreambleIndex为码索引，ra-PRACH-MaskIndex为时频位置。
当RRC配置了指定的资源（ra-PreambleIndex不全为0），则选择指定的资源。
•?
•如果RRC没有配置指定的资源，则
•如果MSG3没有传输过：
•如果组B存在，且需要传输的MSG3大于messageSizeGroupA，则看组B要求的功率是否满足，如果满足则随机选取组B的码发送。
判断条件为：
PCMAX–preambleInitialReceivedTargetPower–deltaPreambleMsg3–messagePowerOffsetGroupB>0
•如果MSG3传输过，现在重传，则选取码组时，和上次一样。
在组B或组A随机选一个。
•?
•步骤2：
选取时频资源
•协议容许指定码资源但不指定时频资源。
但不容许指定时频资源但不知道码资源。
•?
•如果非竞争接入，PRACHMaskIndex=ra-PreambleIndex,否则PRACHMaskIndex=0
•?
•B、参考参数prach-ConfigIndex与PRACHMaskIndex,ra-PreambleIndex,选取时频资源
•如果指定了ra-PreambleIndexd（码资源）但没指定时频资源PRACHMaskIndex，则随机选择一个时频资源。
•如果码资源
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