什么是RACH
RACH 代表 Random Access Channel。这是开机时UE发给eNB的第一条消息。
为什么选择RACH ?(RACH 的功能是什么?
当你第一次听到RACH或RACH Process这个词时,你脑海中浮现的第一个问题是“为什么是RACH?”、“RACH过程的功能/目的是什么?”,“为什么我们需要这种复杂(看起来过于复杂)?”。
RACH 的主要用途可以描述如下。
i) 实现UE和eNB之间的UP链路同步
ii) 获取message 3 的资源(例如,RRC 连接请求)
在大多数通信中(尤其是数字通信,无论是有线还是无线),最重要的先决条件是在接收方和发射方之间建立定时同步。因此,无论你要学习什么通信技术,你都会看到某种专门为特定通信设计的同步机制。
overall process
Msg1(前导码传输):UE从一组预定义的前导码中选择一个随机访问前导码。这些Preambles大致可以分为两类: 短Preambles和长Preambles格式 。UE 还为前导码选择一个随机序列号。选择Preambles和 序列号,UE 在 PRACH 上传输前导码。
Msg2(随机访问响应):收到 Msg1 后,gNB(5G 基站)发送一个名为 Msg2 的响应。 Msg2 由几个关键信息组成,例如用于定时调整的timing advance(TA) 命令、与 UE 发送的前导码匹配的 RAPID(随机存取前导码 ID)、 以及 UE 的初始上行链路补助金。gNB 还为 UE 分配了一个名为 RA-RNTI(随机接入无线网络临时标识符)的临时标识符。
消息3 :使用 Msg2 中提供的初始上行链路授权,UE 在 PUSCH(物理上行链路共享通道)上传输 Msg3。Msg3 是一个 PUSCH,它可能携带特定的 RRC 消息(例如,RrcRequest)或只是纯 PHY 数据。
Msg4 (争用解决) :处理 Msg3 后,gNB 将 Msg4 发送到 UE。Msg4 是用于争用解析的 MAC 数据。争用解决消息包含 UE 的标识,确认 gNB 已正确标识 UE,并且争用已解决。在 这一步,网络为UE提供C-RNTI(Cell Radio Network Temporary Identifier)
与LTE RACH的根本区别
正如我上面提到的,LTE 和 NR 中的整体协议序列几乎相同,但两者之间存在一些差异,如下所述。
- LTE RACH 和 NR RACH 之间的主要区别在于 RACH 序码传输之前。这是由于 NR 中默认支持 BeamForming(尤其是在毫米波中)。因此,当 NR 在BeamForming模式下运行时,UE 需要检测并选择最佳BeamForming过程。这种Beam选择过程将是LTE RACH和NR RACH过程之间的根本区别。
- 与 LTE 相比,5G/NR 中的前置放大器格式要多样化得多。在 LTE 中,只有 4 种不同类型的前导码类型可以与 5G/NR 中的长序列前导码类型相媲美,分别命名为 0、1、2、3 类型,但在 5G/NR 中还有更多,在 LTE 中没有任何等效类型。它们被称为名为 A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4、C0、C2 的短序列前导码。
- 另一个区别是支持 2 Step RACH 进行初始访问。在 LTE 中,初始访问的 RACH 始终是 4 步过程,而在 NR 中,即使初始访问也支持两步 RACH。
序码序列生成
与 LTE 前导码序列一样,NR PreAmbles序列也基于基于Zadoff Chu的序列。总体序列生成如下。
我们使用 Zadoff Chu 的原因与 LTE 相同。这是由于各种有利的特性,包括 DFT 操作前后的恒定振幅、零循环自相关和低互相关。
Preamble Format
在 LTE 中,只使用一种类型的序列长度(LTE 中的格式长度也不同,但构建块序列的长度始终相同),在 NR 中,使用两种类型的序列长度,称为长序列和短序列。
长序列:长度839,支持源自LTE前导码的四种前导码格式,主要针对大型蜂窝部署场景。这些格式只能在 FR1 中使用,副载波间隔为 1.25 或 5 kHz。
短序列:长度139,NR中引入了9种不同的前导码格式,主要针对小型/普通小区和室内部署场景。
- 短前导码格式可用于副载波间隔为 15 或 30 kHz 的 FR1 和副载波间隔为 60 或 120 kHz 的 FR2。
- 与 LTE 相比,对于短前导码格式的设计,每个 OFDM 符号的最后一部分充当下一个 OFDM 符号的 CP,前导码 OFDM 符号的长度等于数据 OFDM 符号的长度。
- 短序列的优点:
- 首先,它允许 gNB 接收器使用相同的快速傅里叶变换 (FFT) 进行数据和随机存取前导码检测。
- 其次,由于每个PRACH前导码由多个较短的OFDM符号组成,因此新的短前导码格式对时变信道和频率误差的鲁棒性更强。
- 第三,它支持在PRACH接收期间进行模拟波束扫描的可能性,因此可以在gNB处用不同的波束接收相同的前导码。
序导码格式
根据前导码的副载波间距,使用了两种不同长度 (L_RA) 的 PRACH 前导码。
<长序列>
当PRACH前导码的副载波间隔为1.25或5 Khz时,使用长序列(L_RA = 839)
这些长序列仅在 FR1 的特定配置中使用。此配置的副载波间距仅适用于 msg1 (PRACH)。
Format | msg1 Subcarrier Spacing | Table | ConfigurationIndex |
0 | 1.25 Khz | 6.3.3.2-2 | 0-27 |
6.3.3.2-3 | 0-27 | ||
1 | 1.25 Khz | 6.3.3.2-2 | 28-52 |
6.3.3.2-3 | 28-33 | ||
2 | 1.25 Khz | 6.3.3.2-2 | 53-59 |
6.3.3.2-3 | 34-39 | ||
3 | 5 Khz | 6.3.3.2-2 | 60-86 |
6.3.3.2-3 | 40-66 |
< 短序列>
当PRACH前导码的副载波间隔为15、30、60或120 Khz时,使用短序列(L_RA = 139)
注意:Kappa 在 38.211-4.1 中被定义为 64,如下所示。
PRACH副载波间隔>的<频率带宽
下图显示了 PRACH 前导码所占用的频率范围。
序言格式><时域结构
以下是时域中所有 RACH 前导码(根据 Rel 15 规范)的全貌。只需注意不同类型之间的相对长度差异即可。