LTE 随机接入 --（2）前导码Preamble

1.前导码Preamble

       由于终端的移动性，终端和网络之间的距离是不确定的，所以如果终端需要发送消息到网络，则必须实时进行上行同步的维持管理。PRACH的目的就是为达到上行同步,建立和网络上行同步关系以及请求网络分配给终端专用资源，进行正常的业务传输。

       前导码Preamble是UE在PRACH信道中发送的实际内容，由长度为Tcp的循环前缀CP和长度为Tseq的序列Sequence组成：

 

PRACH： Physical Random Access Channel，用于传输random access preamble。

       LTE-TDD的前导码有5种格式，分别是Preamble Format 0/1/2/3/4，其中format0-3 用于frametype 1(FDD), format 0-4 用于frametype 2(TDD)，如下图所示：

从上面的表看到前导码的相关参数。依次是T_CP 的Ts时长、T_CP的ms时长、T_SEQ的Ts时长、T_SEQ的ms时长、前导码持续时长、前导码占用子帧数量、保护时长和小区半径。

 

前导码的持续时间

前导码由T_CP和T_SEQ组成，前导码时长 = T_CP+T_SEQ；

比如Preamble格式0，它的前导码持续时间 = 3168Ts+24576Ts = 27744Ts = 0.9031ms 

前导码格式占用的子帧个数

TDD-LTE的每个子帧时长是30720Ts，前导码格式0的Preamble时间 = 27744Ts<30720Ts，因此只需要占用1个上行子帧，同样可以计算得到其他格式的子帧占用情况。

保护时间

在OFDM符号发送前，在码元间插入保护间隔，当保护空间足够大的时候，多径时延造成的影响不会延伸到下一个符号周期内，从而消除了符号间干扰和多载波间干扰。

保护时间的长短和距离有关。在上表中可以看到，GT 和Cell Radius是强相关的。GT时间越长，小区的覆盖面积越大。

每个子帧的长度是30720Ts，去掉前导码占用的时间就是保护时间，比如前导码格式0的保护时间：

GT=（30720-3168-24576）Ts = 2976Ts=2976*[1/(15000*2048)]s = 96.875us。

小区半径

考虑eNB和UE之间的往返传输，公式要除以2：

最大小区半径 = (占用子帧数*10^8)  * GT / 2 ；

比如前导码格式0的最大小区半径 = (3*10^8) m/s * 96.875 us / 2 =  14.53 km。

同理，可以计算得到其他前导码格式的最大小区覆盖半径。

CP

       OFDM中，使用的保护间隔是CP（Cyclic Prefix，循环前缀）。所谓循环前缀，就是将每个OFDM符号的尾部一段复制到符号之前。

       UE在解码SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号）的时候，可以确定下行normal CP值。SIB中的ul-CyclicPrefixLength参数用于配置上行CP类型。一般情况下，上行和下行的CP类型相同。

CP类型分为normal和extended。

普通CP配置下的时隙结构如图所示。在第一个时隙中，第0个OFDM符号CP长度为160Ts，约为5.2us；而其他6个OFDM符号CP长度为144Ts，约为4.7us；每个OFDM周期内有用符号长度为2048Ts，约为66.7us。7个OFDM符号周期，有用符号长度和CP长度之和正好为15360Ts，约合为0.5ms。

扩展CP配置下的时隙结构如图，每个时隙的OFDM符号数不再是7个，而是6个。而且一个时隙内每个OFDM符号周期长度都是512Ts。

SEQ

seq部分是前导码的内容部分，每个小区有64个前导码seq。基站负责前导码的分配。分给竞争的随机接入和非竞争的随机接入。用于竞争的随机接入的前导码又分为groupA和groupB，groupA是必须存在的。如下图示例，

 

基站通过SIB2消息中的RACH-ConfigCommon信元中告诉终端groupA和groupB包含哪些前导码，剩下的就是留给非竞争随机接入的。终端如果在竞争的随机接入流程，则先选择group，然后在对应的group中随机选取一个前导码seq使用。

前导码格式4的使用

上面的表中可以看到，格式4的前导码时长=（448+4096）Ts=4544Ts。协议明确规定，格式4只能在4384Ts或5120Ts的UpPTS上传输。36211-Table4.2-1给出了各种特殊子帧配置下的Ts长度。从表格中可以看到，当下行CP=上行CP=normal CP的时候，特殊子帧配置5、6、7、8配置的UpPTS时长满足条件；当下行CP=上行CP=extended CP的时候，特殊子帧配置4、5、6配置的UpPTS时长满足条件。

2、SIB1、SIB2及前导码的选择

SIB1

特殊子帧配置Special subframe configuration参数在SIB1的TDD-Config信元中，如下图。

SIB2

PRACH configuration Index参数来自于RRC层的SIB2消息（36331协议），UE和eNB侧都会有同样的一套参数。PRACH configuration Index的具体参数路径是：SystemInformationBlockType2->radioResourceConfigCommon->RadioResourceConfigCommonSIB->prach-Config->PRACH-ConfigSIB->prach-ConfigInfo->prach-ConfigIndex。

PRACH configuration Index参数决定了前导码的格式，

• PRACH configuration Index值为0~19时，使用Preamble Format 0；
• PRACH configuration Index值为20~29时，使用Preamble Format 1；
• PRACH configuration Index值为30~39时，使用Preamble Format 2；
• PRACH configuration Index值为40~47时，使用Preamble Format 3；
• PRACH configuration Index值为48~57时，使用Preamble Format 4。

3.Preamble时域频域资源

UE发送前导码的时刻和位置是由SIB-2的prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset字段决定的：

 

 

       

时域资源

Spec: TS36.211 - Table 5.7.1-2
SIB2中的prach配置参数：prach-ConfigIndex决定了preamble format（也就是子帧的个数）和SFN/子帧的位置，下图中prach-ConfigIndex = 9，指示了prach时域的位置：任何SFN里面的1,4,7子帧可以作为起始子帧来发送prach preamble，持续子帧的个数由preamble 格式确定，这里为1个子帧。

频域位置

PRACH 在频域上占用6 个连续的RB.

PRACH子载波间隔为1.25kHz, 这与其它上行子帧的子载波间隔15kHz不同。

下图prach-FreqOffset为8，指示PRACH在频域上位于从PRB8开始持续的6个PRB上。

总结：
对于FDD 而言，通过SIB2中的prach-ConfigIndex查36.211 的Table 5.7.1-2 得到preamble format 以及可以用于传输preamble 的系统帧和子帧号，从而确定可选的时域资源。通过SIB2中的prach-FrequencyOffset得到在频域上的起始RB，从而确定频域资源。

PRACH资源格示意图, :