LTE系統PRACH詳解

趙海舜　許鑫

【摘要】 PRACH（Physical Random Access Channel），物理隨機接入信道，作為非同步用戶和LTE無線接入的正交傳輸方案的接口，主要用于網絡接入的初始化，為未得到上行同步或已經失去上行同步的用戶實現上行定時同步。本文首先對LTE系統PRACH進行了簡單介紹，然后分別從PRACH的初始參數、觸發事件、消息流程以及檢測等幾個方面進行了詳解。

【關鍵詞】 PRACH 競爭模式 非競爭模式 ZC序列

LTE系統中，在小區搜索過程之后，UE已經與小區取得了下行同步，因此UE能夠接收下行數據。UE通過隨機接入過程（Random Access Procedure）與小區建立連接并取得上行定時同步。PRACH作為隨機接入信息的承載信道，其主要作用是：獲得上行定時同步；為UE分配一個唯一的標識C-RNTI。

一、PRACH的初始參數

UE隨機接入小區所需的初始參數都從RRC層和MAC層獲得。RRC層提供的參數：根參數，PRACH configuration index（配置索引），High-speed flag（高速標志），frequency position（頻率位置）和cyclic shift（NCS循環移位）。在一般的隨機接入過程中，RRC給PHY提供的參數來自廣播。切換時目標eNB把參數發給源eNB，然后由源eNB通過PDCCH格式1a轉發給UE。MAC層提供的參數：preamble index，RA-RNTI，前導發射功率和功率調整步長。在發起非競爭模式的隨機接入過程之前，物理層需要獲得以下參數：PRACH configuration，frequency position，preamble format，index to root sequence table，cyclic shift（NCS），set type（unrestricted or restricted set）。

二、PRACH的觸發事件

①初始接入時建立無線連接：UE會從RRC_IDLE態到RRC_CONNECTED態。②RRC連接重建過程：以便UE在無線鏈路失后重建無線連接。③切換：此時UE需要與新的小區建立上行同步。④RRC_CONNECTED態下，下行數據到達（此時需要回復ACK/NACK）時，上行處于“不同步”狀態。⑤RRC_CONNECTED態下，上行數據到達（例：需要上報測量報告或發送用戶數據）時，上行處于“不同步”狀態或沒有可用的PUCCH資源用于SR傳輸（此時允許已經處于上行同步狀態的UE使用RACH來替代SR的作用）。⑥RRC_CONNECTED態下，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：非競爭模式和競爭模式。非競爭模式的隨機接入過程如圖1所示，有三個步驟：步驟1：eNB通過DL提供的專用信令給UE分配一個非競爭隨機接入前導（這個前導不會在廣播消息中分配）。步驟2：UE發送分配的非競爭隨機接入前導。步驟3：UE接收RA-RNTI加擾的隨機接入響應，對于切換的情況，該響應至少包括定時信息和初始上行授權；而對于下行數據到達觸發的非競爭隨機接入，該響應至少包含定時信息，但是不一定需要上行授權，因為這種情況下的上行授權可能已經從觸發隨機接入過程的DL下行數據得到。

競爭模式的消息流程如圖2所示，有四個步驟：步驟1：UE選擇一個隨機接入前導用于隨機接入。UE并不是隨便選擇一個前導，而是依據某種原則選擇，選定前導的同時也選擇了相應的發給eNB的隱含信息。步驟2：eNB的MAC生成隨機接入響應消息，并且通過RA-RNTI加擾的PDCCH指示也用RA-RNTI加擾的PDSCH發送給UE；該響應至少包括RA-preamble identifier， Timing Alignment information， initial UL grant and assignment of Temporary C-RNTI。步驟3：UL-SCH首次上行調度傳輸，即message3的傳輸，該消息的傳輸使用HARQ；傳輸的TB塊大小取決于上一步中的上行授權，最小為80比特。步驟4：是由DL-SCH攜帶競爭決議發送給UE；eNB可以不等待NAS回復就發送競爭決議；因為該競爭決議的消息是Temporary C-RNTI加擾的，所以只可能在當前擁有相同Temporary C-RNTI的若干個UE才能收到該消息，最終以競爭決議標識決定允許哪個UE接入成功。

四、PRACH的檢測

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

五、結束語

通過本文可以對LTE系統中的PRACH有一整體的認識和理解，為PRACH的設計與實現奠定基礎。

參 考 文 獻

[1]趙訓威，林輝，張明等.3GPP長期演進（LTE）系統結構與技術規范[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.