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。