LTE系统PRACH详解

赵海舜　许鑫

【摘要】 PRACH（Physical Random Access Channel），物理随机接入信道，作为非同步用户和LTE无线接入的正交传输方案的接口，主要用于网络接入的初始化，为未得到上行同步或已经失去上行同步的用户实现上行定时同步。本文首先对LTE系统PRACH进行了简单介绍，然后分别从PRACH的初始参数、触发事件、消息流程以及检测等几个方面进行了详解。

【关键词】 PRACH 竞争模式 非竞争模式 ZC序列

LTE系统中，在小区搜索过程之后，UE已经与小区取得了下行同步，因此UE能够接收下行数据。UE通过随机接入过程（Random Access Procedure）与小区建立连接并取得上行定時同步。PRACH作为随机接入信息的承载信道，其主要作用是：获得上行定时同步；为UE分配一个唯一的标识C-RNTI。

一、PRACH的初始参数

UE随机接入小区所需的初始参数都从RRC层和MAC层获得。RRC层提供的参数：根参数，PRACH configuration index（配置索引），High-speed flag（高速标志），frequency position（频率位置）和cyclic shift（NCS循环移位）。在一般的随机接入过程中，RRC给PHY提供的参数来自广播。切换时目标eNB把参数发给源eNB，然后由源eNB通过PDCCH格式1a转发给UE。MAC层提供的参数：preamble index，RA-RNTI，前导发射功率和功率调整步长。在发起非竞争模式的随机接入过程之前，物理层需要获得以下参数：PRACH configuration，frequency position，preamble format，index to root sequence table，cyclic shift（NCS），set type（unrestricted or restricted set）。

二、PRACH的触发事件

①初始接入时建立无线连接：UE会从RRC_IDLE态到RRC_CONNECTED态。②RRC连接重建过程：以便UE在无线链路失后重建无线连接。③切换：此时UE需要与新的小区建立上行同步。④RRC_CONNECTED态下，下行数据到达（此时需要回复ACK/NACK）时，上行处于“不同步”状态。⑤RRC_CONNECTED态下，上行数据到达（例：需要上报测量报告或发送用户数据）时，上行处于“不同步”状态或没有可用的PUCCH资源用于SR传输（此时允许已经处于上行同步状态的UE使用RACH来替代SR的作用）。⑥RRC_CONNECTED态下，为了定位UE，需要TA。

三、PRACH消息流程

PRACH消息流程可以分为两类：非竞争模式和竞争模式。非竞争模式的随机接入过程如图1所示，有三个步骤：步骤1：eNB通过DL提供的专用信令给UE分配一个非竞争随机接入前导（这个前导不会在广播消息中分配）。步骤2：UE发送分配的非竞争随机接入前导。步骤3：UE接收RA-RNTI加扰的随机接入响应，对于切换的情况，该响应至少包括定时信息和初始上行授权；而对于下行数据到达触发的非竞争随机接入，该响应至少包含定时信息，但是不一定需要上行授权，因为这种情况下的上行授权可能已经从触发随机接入过程的DL下行数据得到。

竞争模式的消息流程如图2所示，有四个步骤：步骤1：UE选择一个随机接入前导用于随机接入。UE并不是随便选择一个前导，而是依据某种原则选择，选定前导的同时也选择了相应的发给eNB的隐含信息。步骤2：eNB的MAC生成随机接入响应消息，并且通过RA-RNTI加扰的PDCCH指示也用RA-RNTI加扰的PDSCH发送给UE；该响应至少包括RA-preamble identifier， Timing Alignment information， initial UL grant and assignment of Temporary C-RNTI。步骤3：UL-SCH首次上行调度传输，即message3的传输，该消息的传输使用HARQ；传输的TB块大小取决于上一步中的上行授权，最小为80比特。步骤4：是由DL-SCH携带竞争决议发送给UE；eNB可以不等待NAS回复就发送竞争决议；因为该竞争决议的消息是Temporary C-RNTI加扰的，所以只可能在当前拥有相同Temporary C-RNTI的若干个UE才能收到该消息，最终以竞争决议标识决定允许哪个UE接入成功。

四、PRACH的检测

PRACH的前导序列使用ZC序列，检测PRACH信号则是利用ZC序列理想的自相关特性和在此自相关特性下的最佳互相关特性（ZC序列满足恒幅零自相关特性）。

五、结束语

通过本文可以对LTE系统中的PRACH有一整体的认识和理解，为PRACH的设计与实现奠定基础。

参 考 文 献

[1]赵训威，林辉，张明等.3GPP长期演进（LTE）系统结构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社，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.