RACH随机接入信道(1)

RACH（Random Access Channel）即随机接入信道，是一种上行传输信道。这是当启动UE时从UE发送到eNB的第一个消息。尽管它们使用的名称稍有不同，但在所有蜂窝技术(CDMA、GSM、WCDMA、LTE)中，都有一个特定的信号执行相同的功能。

从eNB的角度来看，它似乎是以几乎随机的方式(比如,在随机时间,随机频率上进行随机识别),因为它不知道一个用户何时会打开手机(实际上也不是完全随机的,UE和网络在时间、频率定位和可能的识别方面有一定的一致性，但是从大尺度来看，它看起来像是在随机工作)。在无线接入网络实现方面，处理RACH将是最难的工作之一。即使在协议设计方面，RACH设计也可能是最关键的部分之一。

从UE开机到决定发送RACH信号之前，有许多先决条件需要满足，以下是发送RACH信号前的步骤：
i) UE关机
ii) UE开机
iii) 频率搜索
iv) 时间和帧同步:解码PSS和SSS
v) PCI (Physical Cell ID)检测
vi) 解码MIB: UE可以在这个过程中计算出系统带宽和传输模式。(但是，正如在下行帧结构中看到的，MIB/PBCH位于中心频率附近的6RBs。因此，MIB译码的成功并不能保证整个波段的信号质量都很好)
vii) 检测CSR (Cell Specific Reference Signal，小区特定参考信号) 并且执行信道检测和信道均衡。在这个过程中, UE将会在整个系统带宽上检测/测量参考信号。所以在这步，测量测量的RSRP/RSRQ会是整个信号质量的指示器。
viii) 解码PDCCH并为SIB提取DCI信息。PDCCH分布在整个带宽上，因此整个带宽上的信号质量应该足够好。
viii) 解码SIB(SIB1应该最先解码，然后解码SIB2，然后是剩下的SIB)
ix) 小区选择: UE可能会找到多个合适的小区, 但是UE会试着附着在优先级最高的HPLMN小区。
x) 初始化RACH过程

注意：UE可能会重复步骤iii)~viii)多次，直到找到合适的小区。这个过程是小区搜索过程的一部分。PCI (步骤v)将作为步骤iv的结果自动产生。

RACH的作用

RACH的主要目的可以描述如下：

i) 获取UE和eNB之间的上行链路同步

ii) 获取resource for Message 3 (例如, RRC Connection Request)

在大多数通信中(无论是有线通信还是无线通信，尤其是数字通信)，最重要的前提条件是在接收端和发送端之间建立定时同步。所以无论研究什么通信技术，我们都会看到专门为特定的通信设计的某种同步机制。

在LTE的下行同步中，(发射端= eNB, 接收端 = UE)，这种同步是通过特殊的同步信道(特殊的物理信号模式)来实现的。这个下行同步信号向每个人广播，并且以一定的时间间隔一直传输。

但是在上行链路(发射端= UE, 接收端 = eNB)中，如果UE使用这种一直进行的同步机制，效率会很低(极其浪费能量，也会对其他UE造成很多干扰)，这很容易理解。在上行的情况下，这个同步过程应该满足以下条件：
i)同步过程只应在有紧急需要的时候进行
ii)同步应该只专用于某个特定的UE

RRC进程的另一个目的是获取Msg3的资源(Message 3)， RRC连接请求是Msg3的一个例子，根据情况有几种不同类型的Msg3。

何时发生RACH过程

在LTE中，RACH过程在以下几种情况下会进行：
i) RRC IDLE状态下的初始接入
ii) RRC连接重建立过程
iii) 切换(基于争用或非争用)
iv) 下行数据在RRC_CONNECTED期间到达需要随机接入过程
如：当UL同步状态为“非同步”时
v) 上行数据在RRC_CONNECTED期间到达需要随机接入过程
如：当UL同步状态为“非同步”或SR无法获得PUCCH资源
vi) 在RRC_CONNECTED过程中因为准确定位的目的需要随机接入过程
如：当UE定位需要提前定时时

两种RACH进程

基于争用的和无争用

当UE传输PRACH Preamble时，它使用特定的模式进行传输，这种特定的模式称为“签名”。在每个LTE小区中，总共有64个preamble签名可用，UE从这些签名中随机选择一个。

因为签名是随机选择的，这意味着存在多个UE发送给PRACH相同签名的可能性。发生这种情况时，意味着多个UE发出相同的preamble，同时到达NW。这种PRACH冲突称为“争用”，允许这种“争用”的RACH进程称为“基于争用”的RACH进程。在这种基于争用的RACH过程中，网络会在以后的步骤中通过附加的过程来解决这些争用，这个过程称为“争用解决”步骤。

但在某些情况下，由于某些原因，比如时间限制等等，这种争用是无法接受的，是可以预防的。通常在这种情况下，网络会准确地通知每个UE它在何时，必须使用哪个preamble签名。在这种情况下，网络将自己分配这些preamble签名，这样就不会发生冲突。这种RACH过程称为“无争用”RACH过程。为了启动“无争用”RACH进程，UE应该在RACH进程之前处于连接模式。

典型的“基于争用”RACH过程如下:
i) UE − > -> −> NW : RACH Preamble (RA-RNTI, indication for L2/L3 message size)
ii) UE < − <- <−NW : Random Access Response (Timing Advance, T_C-RNTI, UL grant for L2/L3 message)
iii) UE − > -> −> NW : L2/L3 message
iv) 用于早期争用解决的消息

现在让我们假设在步骤i发生了争用。例如，两个UE发送了PRACH。在步骤ii中，这时,这两个UE将接收到相同的T_C-RNTI和资源配置。因此,在步骤iii中，这两个UE将L2 / L3消息通过相同的资源配置(即时间/频率相同的位置)发送给NW。当两个UE在完全相同的时间/频率位置传输完全相同的信息时，会发生什么?一种可能是这两个信号互相干扰，NW两个都不解码。在这种情况下，两个UE都不会接收到来自NW的任何响应(HARQ ACK)，他们都认为RACH过程失败了，并返回到步骤i。另一种可能性是，NW只能成功地从一个UE解码消息，而无法从另一个UE解码消息。在这种情况下，在NW端成功进行L2/L3解码的UE将从网络获得HARQ ACK。这个用于步骤iii消息的HARQ ACK过程称为“争用解决”过程。

典型的无争用RACH过程如下:

i) UE < − <- <− NW: RACH Preamble(PRACH) Assignment
ii) UE − > -> −> NW: RACH Preamble(RA-RNTI, indication for L2/L3 message size)
iii) UE < − <- <− NW: Random Access Response (Timing Advance, C-RNTI, UL grant for L2/L3 message)

如何将信息编码到RACH Preamble中

在LTE中，PRACH Preamble之后的所有信息(数据)都有自己的二进制结构，即它们被转换成一定的数据结构。然而，PRACH Preamble中的信息是由纯粹的物理属性表示的。在PRACH中表示信息的物理属性如下：

i) PRACH Preamble传输定时 (t_id)
ii) PRACH传输在频域中的位置 (f_id)
iii) PRACH信号的整个I/Q数据的序列 (下面有个示例)

下面是在时域传输的PRACH信号：

UE发送RACH的准确时间

参考3GPP规范TS36.211 -表5.7.1-2。这个表将告诉我们在哪个帧和子帧上，UE能被允许传输一个PRACH preamble。如表中所示，prach preamble 时间和prach preamble类型由PRACH配置索引决定。PRACH配置索引由SIB2参数：prach-ConfigIndex决定。

它显示了UE根据一个名为“PRACH配置索引”的参数发送RACH的准确时间。

例如，如果UE使用的“PRACH配置索引”是0，它应该只在SFN(系统帧号)为偶数的时刻传输RACH。但这并不意味着该UE可以在指定的SFN范围内任意时刻都能传输RACH。子帧号显示"1"代表着UE只允许在每个偶数SFN的子帧1传输RACH。

从表里可以看出，网络检测从UE发送的RACH消息的最简便的PRACH配置索引是14，因为这时UE可以在任意的SFN，帧内的任意时隙发送RACH。

R_Slot由PRACH配置索引决定，R_length由Premable格式决定。当preamble格式为0~3时，F_offset由下式确定：

这个方程中的n_RA_PRBoffset由SIB2中的prach-FreqOffset参数指定。(详见36.211 5.7物理随机接入信道)

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