【4G&5G基礎(chǔ)學(xué)習(xí)】物理層

RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當(dāng)下行有數(shù)據(jù)傳輸時，這時上行失步“non-synchronised”，因為數(shù)據(jù)的傳輸除了接收外，還需要確認(rèn)，如果上行失步的話，eNB無法保證能夠收到UE的確認(rèn)信息，因為這時下行還是同步的，因此可以通過下行消息告訴UE發(fā)起隨機(jī)接入需要使用的資源，比如前導(dǎo)序列以及發(fā)送時機(jī)等，因為這些資源都是雙方已知的，因此不需要通過競爭的方式接入系統(tǒng)；

切換到新小區(qū)

切換過程中的隨機(jī)接入，在切換的過程中，目標(biāo)eNB可以通過服務(wù)eNB來告訴UE它可以使用的資源；

2.3 4G LTE基于競爭的隨機(jī)接入過程：搶票的過程

1）MSG1：

UE在RACH/PRACH信道上發(fā)送隨機(jī)接入前綴，攜帶preamble碼；此時有可能有多個終端同時發(fā)起隨機(jī)接入請求，因此可能會發(fā)生沖突。

RACH(Random Access CHannel)：隨機(jī)接入信道，處于上行傳輸信道，該信道承載有限的控制信息，并且具有沖突碰撞特征。

基站通過解析隨機(jī)接入響應(yīng)，可以知道終端離自己的距離，計算出TA提前量，以便終端提前發(fā)出數(shù)據(jù)，確保不同距離的終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，到達(dá)基站時，都落在基站期望的時隙中。

因此, 這里需要解決如下的幾個問題：

（1）PRACH信道的時頻資源分配

（2）前導(dǎo)碼preamble的工作原理

（3）如何解決隨機(jī)接入時的沖突

（4）如何計算提前量TA

2）MSG2：

基站側(cè)接收到MSG1后，在DL-SCH上發(fā)送MAC層隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR），RAR響應(yīng)中攜帶了TA調(diào)整和上行授權(quán)指令以及T-CRNTI（臨時CRNTI）

DL-SCH(Uplink Shared CHannel)：下行共享信道，處于下行傳輸信道。

TA(Timing Advance)用來保證終端UE與基站的上行時間同步。

這里的關(guān)鍵問題-1是：

UE是如何知道在哪個時頻資源的DL-SCH信道上接收隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR）？？

實際上，基站是通過物理下行控制信道發(fā)送下行控制信息DCI來通知所有終端UE的。

詳見：《[4G&5G專題-38]：物理層-下行公共控制信道PDCCH與其承載的內(nèi)容下行控制信息格式DCI》

[4G&5G專題-40]：物理層-下行共享信道PDSCH和上行共享信道PUSCH_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_pdsch是什么信道

這里的關(guān)鍵問題-2是：

如果兩個手機(jī)正好隨機(jī)選擇的前導(dǎo)碼preamble是相同，怎么辦？

此時，基站會把兩個終端當(dāng)成同一個終端來回應(yīng)MSG2，并通過MSG3來解除這種沖突。

3）MSG3（連接建立請求）：

UE收到MSG2后，判斷是否屬于自己的RAR消息（利用preamble ID核對），并發(fā)送MSG3消息，攜帶UE-ID。

UE的RRC層產(chǎn)生RRC Connection Request 并映射到UL –SCH上的CCCH邏輯信道上發(fā)送；

CCCH(Common Control Channel)：公共控制信道，處于邏輯信道。

這里會出現(xiàn)一種情況：就是兩個UE使用了相同的隨機(jī)接入序列，因此他們可能都會認(rèn)為MSG3是自己的，這就是競爭。

競爭的解除是基站的責(zé)任，并是通過RRC層的MSG4來完成的。

4）MSG4(RRC連接建立)：

RRC層的Contention（競爭） Resolution（解決）機(jī)制，根據(jù)MSG3中的UE-ID號，最終負(fù)責(zé)裁決，哪一個UE是允許被接入的。

并通過MSG4通知特定UE-ID的終端用戶，沒有收到屬于自己UE-ID的終端，超時后，將重新發(fā)起隨機(jī)接入請求。

MSG4的傳送是通過物理共享信道Px-SCH完成的。

2.4 4G LTE基于非競爭的隨機(jī)接入過程

1）MSG0：基站通過下行信令給UE指派非沖突的隨機(jī)接入前綴（non-contention Random Access Preamble ），這個前綴不在BCH上廣播的集合中。

BCH(Broadcast CHannel)：廣播信道，處于下行傳輸信道。

2） MSG1：UE在RACH上發(fā)送由基站指派的隨機(jī)接入前綴。

本文的重點(diǎn)是：RACH信道如何基站指派的隨機(jī)接入前綴：前導(dǎo)碼preamble

3）MSG2：基站的MAC層產(chǎn)生隨機(jī)接入響應(yīng)，并在DL-SCH上發(fā)送。對于非競爭隨機(jī)接入過程，preamble碼由基站分配的。

整個流程到MS2 正確接受后就結(jié)束, 不需要MSG3和MSG4.

第3章 LTE MSG1的處理過程

3.1 基站如何分配PRACH的時頻資源？

（1）頻域資源

PRACH 在頻域上占用6 個連續(xù)的RB(6*12=72個子載波，1.08MHz帶寬 = 72*15KHz）

PRACH的子載波是1.25K, PRACH子載波的個數(shù) = 72*15KHz / 1.25KHz = 864個1.25K的子載波。

其中，上下12-13個子載波為頻域保護(hù)帶寬，一共剩下839（864-12-13）個有效的1.25K子載波，用于承載前導(dǎo)碼。

具體頻域的位置由參數(shù)Prach_frequencyOffset指定，即發(fā)送Preamble碼的具體頻域位置是不定的，可以手動指定的。

（3）時域資源

PRACH在時域上，是由前導(dǎo)碼的Format所決定，不同格式的前導(dǎo)碼，其時域的時長是相同的，有1ms，2ms，3ms，即1-3個完整的1ms子幀（14個OFDM符號 * N; N=1,2,3）

前導(dǎo)碼的Format由參數(shù)prach-ConfigIndex決定。

前導(dǎo)碼有三部分組成：循環(huán)前綴CP + 前導(dǎo)碼ZC序列 + 保護(hù)時隙GP。

關(guān)于什么是前導(dǎo)碼以及前導(dǎo)碼的格式，這是隨機(jī)接入的關(guān)鍵，稍后再繼續(xù)討論。

3.2 終端如何知道PRACH的時頻資源在哪了？

基站通過物理廣播信道PBCH告訴手機(jī)，小區(qū)的PRACH信道在哪些時頻資源上。

3.3 終端如何選擇PRACH的信道？

終端通過物理廣播信道PBCH信道獲取了PRACH信道的位置，就可以使用PRACH信道進(jìn)行隨機(jī)接入過程了。

3.4 終端如何選擇PRACH的前導(dǎo)碼？

（1）什么是前導(dǎo)碼Preamble序列

Preamble是一個ZC序列，通過不同的循環(huán)移位，產(chǎn)生ZC序列前導(dǎo)，用于區(qū)分不同的隨機(jī)接入請求（不是不同的用戶，不同用戶的區(qū)分是通過MSG3完成的，而不是MSG1）

ZC序列具有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，基站可以通過一種基于檢測的方法可以檢測到對應(yīng)的ZC序列。在頻域上，不同用戶的ZC序列復(fù)用在一起，由于良好的自相關(guān)性也可以被檢測出來。

ZC序列并不是一個二進(jìn)制序列，而是一個歐拉復(fù)數(shù)序列。關(guān)于ZC序列，請參考如下信息：

《[4G&5G專題-33]：物理層-淺談ZC序列的原理以及在LTE PSS中的應(yīng)用》

[4G&5G專題-33]：物理層-淺談ZC序列的原理以及在LTE PSS中的應(yīng)用_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_zc序列

前導(dǎo)碼Preamble是UE在物理隨機(jī)接入信道中發(fā)送的實際內(nèi)容。

在頻域上：一共剩下839個有效的子載波。

在時域上：由時間長度為Tcp的循環(huán)前綴CP和時間長度為Tseq的前導(dǎo)碼序列組成。如下圖所示

（2）前導(dǎo)碼Preamble格式與持續(xù)時間

LTE-TDD的前導(dǎo)碼有5種格式，分別是Preamble Format 0/1/2/3/4，如下圖所示。

不同的格式，Tcp和Tseq的值不同。前導(dǎo)碼持續(xù)時間不同。

（3）每個格式的前導(dǎo)碼占用的子幀個數(shù)

如果說上述的圖不是很直觀，那么下面的這張圖，更加直觀的展現(xiàn)了不同格式的前導(dǎo)碼在時域上的長度（占用多少個子幀）。

Format0：前導(dǎo)碼的時間長度，限制在1個上行子幀（1ms）時間范圍內(nèi)。

Format1：前導(dǎo)碼的時間長度，限制在2個上行子幀（1ms）時間范圍內(nèi)。

Format2：前導(dǎo)碼的時間長度，限制在2個上行子幀（1ms）時間范圍內(nèi)。時長=2*前導(dǎo)碼長度（Nzc）

Format3：前導(dǎo)碼的時間長度，限制在3個上行子幀（1ms）時間范圍內(nèi)。時長=2*前導(dǎo)碼長度（Nzc）

Format4：比較特殊，只能在UpPTS中使用，因此LTE-FDD沒有Format4.

（4）前導(dǎo)碼長度與最大小區(qū)半徑的關(guān)系

因為每個子幀的長度是30720Ts，去掉前導(dǎo)碼占用的時間，那么前導(dǎo)碼格式0還剩下的保護(hù)時間GP=（30720-3168-24576）Ts=2976Ts=2976*[1/(15000*2048)]s=96.875us。

之所以空出一部分的保護(hù)間隔Guard Period（GP）, 有時候也稱為GT(Gap Time or Guard Time)，在于隨機(jī)接入之前，UE還沒有和基站完成上行同步，UE在小區(qū)中的位置還不確定，因此需要預(yù)留一段時間，以避免和其他子幀發(fā)生干擾。

考慮基站和UE之間的往返傳輸（終端的下行接收延時導(dǎo)致的終端參考信號的誤差），因此最大小區(qū)半徑=(3.0*10^8) m/s * 96.875 us / 2 = 14.53 km。

同理，可以計算得到其他前導(dǎo)碼格式的最大小區(qū)覆蓋半徑。

因此，不同的小區(qū)覆蓋半徑，可以選擇不同的前導(dǎo)碼格式。這也是為什么前導(dǎo)碼要分不同格式的原因。

為了更好的理解前導(dǎo)碼格式與小區(qū)半徑的關(guān)系，我們進(jìn)一步探討：

不同的GP保護(hù)時間決定了小區(qū)的最大覆蓋半徑，GP時間越長，小區(qū)的覆蓋面積越大。

由于在設(shè)計的時候，GP與CP是正相關(guān)的，且近似相等，因此，可以可以說CP決定了小區(qū)半徑的大小。

前導(dǎo)碼格式0-3時，前導(dǎo)碼長度（Nzc）固定等于839；//適用與大多數(shù)小區(qū)半徑

前導(dǎo)碼格式為4時，前導(dǎo)碼長度（Nzc）固定等于139。//適用與超短的小區(qū)半徑

從下圖這張示意圖中，更好的展現(xiàn)這個結(jié)論：

三個不同位置的UE1/2/3，同時向基站發(fā)送前導(dǎo)碼，

那么基站首先會收到近端UE1的前導(dǎo)碼請求，然后是UE2的前導(dǎo)碼請求，最后收到處于邊界的UE3的前導(dǎo)碼請求。這三個UE的前導(dǎo)碼是接收完整的，也不會對相鄰的子幀造成干擾。

如果有個UE4，距離比UE3還要遠(yuǎn)，此時基站無法收到完整的前導(dǎo)碼，且會對相鄰的下一個子幀造成干擾，此次，UE4將無法接入到該小區(qū)。

GP的長度決定了小區(qū)半徑，那么前導(dǎo)碼自身的長度與小區(qū)半徑之間什么關(guān)系呢？

實際上，小區(qū)半徑與前導(dǎo)碼自身的長度沒有定量的數(shù)學(xué)關(guān)系，只有定性的關(guān)系。

理論上講，小區(qū)半徑越大，傳輸?shù)穆窂皆竭h(yuǎn)，傳輸過程中受到的干擾和信號的衰減就越大，需要增加更多的冗余信號來表示某一信息，冗余編碼的長度越長，抗干擾性就越強(qiáng)。

實際設(shè)計時，

（5）基站何時確定某一小區(qū)的前導(dǎo)碼格式？

當(dāng)然，每個小區(qū)只有一種格式，在建立小區(qū)的時候就確定下來了。

PRACH configuration Index參數(shù)決定了前導(dǎo)碼的格式。

在上圖中，多個index對用一種格式。

（6）終端如何獲取終端的前導(dǎo)碼格式？

來自RRC層的SIB2消息（通過物理共享信道傳輸）

（7）終端何時發(fā)送前導(dǎo)碼？

大的時間是：第一次接入到網(wǎng)絡(luò)，需要上行發(fā)送時。

小的時間是：在物理隨機(jī)接入信道PRACH的時域資源上發(fā)送。

（8）前導(dǎo)碼的生成規(guī)則

在LTE里，每個小區(qū)都有64個前導(dǎo)碼集合，那么這些前導(dǎo)碼序列Preamble Sequences是怎么生成的呢？

前導(dǎo)碼序列集合包括根序列和由該根序列生成的循環(huán)移位序列CP，

計算過程分為兩個大的步驟：

步驟1：生成一個ZC（Zadoff-Chu）根序列Xu(n)，作為一個基準(zhǔn)序列；基準(zhǔn)序列Xu(n)，也就是物理根序列號為u的ZC序列，按照以下公式計算得到。

其中，Nzc表示ZC序列的長度，

前導(dǎo)碼格式0-3時，Nzc固定等于839；//適用與大多數(shù)小區(qū)半徑

前導(dǎo)碼格式為4時，Nzc固定等于139。//適用與超短的小區(qū)半徑

u是物理根序列號（Physical root sequence number），由邏輯根序列號（Logical root sequence number）查協(xié)議表Table 5.7.2-4（前導(dǎo)碼格式0-3時查該表）和Table 5.7.2-5（前導(dǎo)碼格式4時查該表）得到。

邏輯根序列號（Logical root sequence number）由SIB2消息中的PRACH-Config信元的rootSequenceIndex字段配置，

步驟2：將基準(zhǔn)序列Xu(n)進(jìn)行循環(huán)移位，生成64個不同的循環(huán)序列Xuv(n)

（9）終端選擇前導(dǎo)碼的規(guī)則：從64個中隨機(jī)選擇一個，降低不同終端同時接入的沖突。

3.5 基站如何根據(jù)UE的PRACH請求，計算發(fā)送提前量TA

實際上，上面這張圖，已經(jīng)展現(xiàn)了不同UE的前導(dǎo)碼到達(dá)基站的時間延時：從基站本地的TTI參考信號開始計算，到收到CP信號的這段時間，就是終端在后續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送中，需要提前發(fā)送的時間提前量TA。

就好比一個人，到達(dá)車站時，遲到的時間，就是下次要提前出發(fā)的時間。

TA的單位是Ts，小區(qū)帶寬采用的時間。

3.5 如何降低多個終端同時隨機(jī)接入的沖突？

（1）使用多個正交的前導(dǎo)碼作為備選？

使用64個不同的前導(dǎo)碼，區(qū)分不同的接入請求。

當(dāng)然，前導(dǎo)碼區(qū)分不用用戶，不同的用戶，有可能在某一次隨機(jī)接入中隨機(jī)選擇了相同的前導(dǎo)碼。

（2）使用碼分復(fù)用支持多終端同時發(fā)起隨機(jī)接入

ZC序列的前導(dǎo)碼是正交的，可是現(xiàn)實碼分復(fù)用的功能。

因此不同用戶，如果隨機(jī)選擇的前導(dǎo)碼不同，則可以同時發(fā)起隨機(jī)接入請求，不會發(fā)生沖突。

（3）通過MSG3的UE-ID來區(qū)分不同的用戶

對于不同用戶，在某一時刻，同時選擇了相同的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼下的沖突情形，可以通過MSG3來解除競爭沖突。

3.6 沖突發(fā)生后的解決辦法？

至于不同的終端，隨機(jī)選擇的前導(dǎo)碼相同、選擇的PRACH時頻資源相同，導(dǎo)致發(fā)送的信號疊加在一起怎么辦的問題？

有兩種解決辦法

（1）疊加后的信號無法正確解碼：則此時隨機(jī)接入失敗，終端超時后重新發(fā)起隨機(jī)接入的過程。

（2）疊加后的信號可以正確解調(diào)：基站MSG1和MSG2時，把這兩個終端當(dāng)成一個終端。直到MSG3流程時，再解決此沖突。

第4章 5G波束賦型與SSB回顧

4.1 波束與頻域資源的關(guān)系

波束賦形（Beamforming）又叫波束成型、空域濾波，是一種使用大規(guī)模天線陣列，定向發(fā)送和接收信號的技術(shù)。

波束賦形技術(shù)通過調(diào)整相位陣列的基本單元的相位參數(shù)，使得某些角度的信號獲得相長干涉，而另一些角度的信號獲得相消干涉，從而得到宏觀的信號波束。

在5G系統(tǒng)中，數(shù)字波束賦就是通過控制每一路子載波的相位參數(shù)，獲得期望的調(diào)制后信號的波束。

也就是說，可以通過控制各路時頻資源的子載波的相位，使得不同的子載波的時頻資源發(fā)送到不同的波束上。

這是基站能夠在不同的波束上，發(fā)送不同的下行SSB同步信號塊和接收不同PRACH信道的基礎(chǔ)和前提條件。

詳解參見：

《圖解通信原理與案例分析-21：4G LTE多天線技術(shù)--天線端口、碼流、分集Diveristy、波束賦形BF、空分復(fù)用MIMO、空分多址》

圖解通信原理與案例分析-21：4G LTE多天線技術(shù)--天線端口、碼流、分集Diveristy、波束賦形BF、空分復(fù)用MIMO、空分多址_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_lte通信原理

4.2 SSB與波束的關(guān)系

SSB同步信號塊是5G NR引入的一個新概念，他整合了物理主同步信號PSS,、輔同步信號SSS，還有物理廣播信道PBCH。

SSB也是與波束綁定的，不同的波束有不同的SSB，如上圖所示。

在上圖示意中，SSB在物理層的時域發(fā)送周期默認(rèn)為20ms，即2個10ms基本幀，在RRC層的更新周期為80ms。

一次發(fā)送時，可以連續(xù)發(fā)送N個SSB，每個SSB映射、關(guān)聯(lián)到一個波束上，而SSB的個數(shù)N是可以根據(jù)需要設(shè)定。

N的最大數(shù)量與子載波的帶寬相關(guān)，子載波的帶寬越大，支持的SSB的個數(shù)就越多，最大支持64個SSB，即64個波束。

當(dāng)然，每個波束發(fā)送的MIB信息，除了波束ID外，其他信息都是相同的，因為它們屬于同一個小區(qū)。也就是說，通過SSB可以獲取波束標(biāo)識ID.

下圖更加形象的展現(xiàn)了SSB與波束的關(guān)系：

（1）下圖有4個SSB，在4個不同方向的波束上發(fā)送。

、

（2）下圖有8個SSB，在8個不同方向的波束上發(fā)送。

關(guān)于SSB的詳細(xì)詳細(xì)信息，請參看：

《[4G&5G專題-36]：物理層-同步信號塊SSB與小區(qū)主同步PSS、小區(qū)輔同步SSS》

[4G&5G專題-36]：物理層-同步信號塊SSB與小區(qū)主同步PSS、小區(qū)輔同步SSS_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_同步信號塊

備注：

在單用戶MU-MIMO的模式下：

所有的公共信道為所有波束共享
PRACH信道為所有所有波束共享
PD-SCH信道、PU-SCH信道為所有波束共享

在多用戶MU-MIMO的模式下：

所有的公共信道為所有波束共享
PRACH信道為所有所有波束共享
PD-SCH信道、PU-SCH信道針對各個波束是獨(dú)立的流，實現(xiàn)空間復(fù)用

第5章 5G NR的PRACH信道

5.1 單波束：5G NR基于競爭/非競爭的隨機(jī)接入

對于隨機(jī)接入過程，NR與LTE基本相同。也有不同點(diǎn)，其最大的區(qū)別在于其觸發(fā)場景。

5G NR的隨機(jī)接入的觸發(fā)場景更多，隨機(jī)接入的過程是L3 RRC的功能，后續(xù)再繼續(xù)探討。

本節(jié)重點(diǎn)探討如下與4G LTE不同的兩點(diǎn)：

（1）PRACH信道傳輸內(nèi)部傳輸?shù)那皩?dǎo)碼的格式：在保留LTE的format的同時，進(jìn)行了擴(kuò)展, 增加了新的format。

（2）5G NR對PRACH的無線資源的分配方式：主要是考慮到對波束賦形的支持，隨機(jī)接入也需要能夠波束上進(jìn)行。

5.2 單波束：5G NR的前導(dǎo)碼序列的定義（時域+頻域+碼域）

與LTE基本相同，不同的地方有：

（1）Format的格式

PRACH在5G的SPEC里面由4種加上到了9種Format，除了Format0-3，還有A1，A2，A3，B1，B2，B3，B4，C0，C2。

不同的Format有不同的序列長度，子載波間隔 f，時間長度等。

前一個表格是LTE的前導(dǎo)碼的格式，后一個表格是5G NR的前導(dǎo)碼的格式。

Lra=839為長導(dǎo)碼，Lra=139為短導(dǎo)碼。

（2）子載波間隔

1.25kHz，5kHz, 15kHz, 30kHz, 60kHz, 120kHz。相對于4G的1.25kHz和7.5kHz而言，擴(kuò)展了很多。

5.3 單波束：不同隨機(jī)接入信道格式Format對應(yīng)的時頻資源詳解

5G NR定義更多的隨機(jī)接入信道的格式，并通過PRACH configuation Index來指定具體使用哪種格式。

不同的格式，反應(yīng)的PRACH信道，在10ms幀中的時域位：系統(tǒng)幀號=》子幀號=》slot號=》符號起始位置=》連續(xù)的符號的個數(shù)

（1）關(guān)鍵符號的含義

C：代表CP

S：代表前導(dǎo)碼

G: 代表GP

數(shù)字：一個1ms子幀中的symbol索引號0-13。

（2）長短前導(dǎo)碼

長前導(dǎo)碼：LTE繼承下來的
短前導(dǎo)碼：NR新定義的，主要為了支持波束。

（3）PRACH信道數(shù)

一個子幀中可以包含多個連續(xù)的前導(dǎo)碼，用于支持多個不同的波束。

5.4 單波束：PRACH信道時域定義，F(xiàn)ormat格式定義詳細(xì)

PRACH configuration index：PRACH format格式索引

Preamble Format：前導(dǎo)碼格式。

（1）確定PRACH信道所在的系統(tǒng)幀號

SFN Mod X：表示間隔多少個無線幀可以發(fā)送一個PRACH信道，16表示，在1024個10ms系統(tǒng)幀號中，每16個10ms系統(tǒng)幀中出現(xiàn)1次PRACH信道。1表示，每1個10ms系統(tǒng)幀中都會1次PRACH信道。
Y：Mod X之后，PRACH信道出現(xiàn)在哪個系統(tǒng)幀上？比如X=16，y=1，表示每16個10ms系統(tǒng)幀中出現(xiàn)1次PRACH信道，由于y=1，因此，出現(xiàn)PRACH信道的系統(tǒng)幀號為1,17,32.....

（2）確定PRACH信道在系統(tǒng)幀中的子幀號

sub frame number：子幀號，一個10ms幀中有10個子幀。

（3）確定PRACH信道在子幀中的slot號

number of PRACH slots within a sub frame

（4）確定PRACH信道在slot中的起始符號索引

starting symbol

（5）確定PRACH信道占用幾個符號

PRACH duration

（6）最后確定在時域上，有多少個PRACH occasion。

PRACH occasion

要理解PRACH occasion，需要理解 PRACH與波束的關(guān)系。PRACH occasion是5G NR新引入的一個概念。

有“時域”和”頻域”組成一個PRACH信道矩陣，矩陣中的每一個小格子，稱為一個PRACH occasion。

5.5 單波束：PRACH信道頻域定義

PRACH在頻域上有多少個PRACH occasion由MSG1的FDM參數(shù)確定

5.5 PRACH與波束的關(guān)系

在多波束的情形下，上行PRACH信道與波束的關(guān)系與下行SSB與波束的關(guān)系類似：

每個波束有獨(dú)立的下行同步塊SSB, SSB中除了包含SSB id外，其他的都是信息，各個SSB都是一樣的。

所有的波束共享相同的上行PRACH信道。

5.6 每個波束為什么不能像MU-MIMO x-SCH信道一樣，擁有獨(dú)立的PRACH信道？

（1）每個波束有自己獨(dú)立SSB, 為SSB-1, 2,3,4, 不同SSB的唯一區(qū)別，就是包含不同的波束ID, PSS, SSS是相同的，共享相同的子載波的時頻資源。

（2）PRACH信道是所有波束共享的：

為想實現(xiàn)PRACH信道的空間復(fù)用，以支持更多用戶的并發(fā)隨機(jī)接入，就必須確保手機(jī)在PRACH前，能夠根據(jù)接收的波束信號，按照接收波束的方向發(fā)送上行的波束信號。

很顯然，手機(jī)是做不到的，因此，導(dǎo)致PRACH信道是所有波束共享的，具體原因如下：

在隨機(jī)接入前，UE可以接收到天線發(fā)出的波束賦形的下行波束，但自身無法發(fā)送定向的上行波束。

這是因為手機(jī)本身空間位置是隨機(jī)擺放的，手機(jī)自身無法通過接收到的波束，來調(diào)制自身信號的發(fā)射波束。

因此手機(jī)的隨機(jī)接入信號的發(fā)送，還是按照全向天線的方向發(fā)送，這會導(dǎo)致基站所有波束，都能夠收上圖中UE-1的隨機(jī)接入信號，同理，能夠收到UE-2,3,4的隨機(jī)接入信號。

因此，實際上，基站無法根據(jù)自身的波束和收到的前導(dǎo)碼，確定手機(jī)在哪個波束。

因此，隨機(jī)接入信號實際與非波束賦型的隨機(jī)接入信道是一樣的，與波束賦型下的其他公共控制信道一樣，是為所有波束共享的。

（3）什么時候能夠能夠控制手機(jī)的信號發(fā)送方向？

只有隨機(jī)接入后，基站能夠確定手機(jī)屬于哪個波束，然后通知手機(jī)，進(jìn)行電磁波的方向調(diào)整，形成與所在下行波束方向一致的上行波束。

5.7 如何確定終端隨機(jī)接入的波束

上5.6中，已經(jīng)確認(rèn)了PRACH信道是為所有波束共享的，那么基站如何根據(jù)隨機(jī)接入過程確定手機(jī)所在的波束呢？

一種常規(guī)想到的方法是：手機(jī)主動上報自己通過SSB中接收到的波束。然后，PRACH信道，除了傳遞隨機(jī)接入前導(dǎo)碼外，并沒有提供多余的信息傳遞波束ID號。

5G規(guī)范，采用了另一種技巧性的方法：把64個前導(dǎo)碼按照一定的規(guī)則進(jìn)行分組，并與波束進(jìn)行映射，基站根據(jù)收到的前導(dǎo)碼，就可以知道終端所在的波束了。

這就是PRACH occasion的背后原因。

與下行同步塊SSB內(nèi)容完全相同（除了波束ID號）不同的是，每個波束的上行PRACH信道的傳輸?shù)那皩?dǎo)碼，并不是完全相同的。

每個小區(qū)最多有64個前導(dǎo)碼，如何在不同的波束中分配這64個接入前導(dǎo)碼呢？有哪些策略呢？

（1）每個波束擁有所有64個前導(dǎo)碼。

（2）每個波束平均分配64個前導(dǎo)碼。

（3）靈活配置

5G NR采用了靈活配置的策略，為此，引入了一個新的概念：PRACH occasion。

備注說明：

上述的方法，確保整個小區(qū)的前導(dǎo)碼的數(shù)量不變，不會導(dǎo)致小區(qū)的前導(dǎo)碼數(shù)量的減少。
不會引起隨機(jī)接入沖突概率的增加，都等于1/64.
但會導(dǎo)致，每個波束下的終端，無法使用整個小區(qū)的64個前導(dǎo)碼，只能使用部分的前導(dǎo)碼，這是上述方法的缺點(diǎn)或者說不足。

第6章 PRACH occasion

6.1 什么是PRACH occasion

這是一個比較難理解的概念， PRACH occasion直接翻譯就是：一次隨機(jī)接入的時機(jī)，包括頻域的時機(jī)和時域的時機(jī)。

這樣講還是有點(diǎn)拗口，不妨進(jìn)一步的拆解。

6.2 為什么要引入PRACH occasion

在沒有波束賦形的場合，下行同步信道和上行的PRACH信道，對小區(qū)內(nèi)的所有方向的終端都是公平的，且被所有終端共享。

因此，只需要劃分一個PRACH信道即可以了，64個前導(dǎo)碼，為PRACH信道的所有用戶共享。

然后有波束賦形的場合，上行和下行方向的信號是按照波束發(fā)送的，這就帶來了一些新的特點(diǎn)：

（1）由于不同的波束，有可能有各自不同的時頻資源，因此就需要給不同的波束準(zhǔn)備不同的RE時頻資源。

（2）不同的波束，其所需的隨機(jī)接入的前導(dǎo)碼的數(shù)量可能并不完全相同，有些波束多，有些波束少。

基于這樣的特點(diǎn)，5G NR在原先統(tǒng)一的PRACH時頻資源的基礎(chǔ)之上，劃分出來了N*M個PRACH occasion。

N: 頻域方向，把PRACH信道的RE切分為N個組，即PRACH occasion

M: 時域方向，把PRACH信道的RE切分為M個組，即PRACH occasion

這樣一共有M*N個PRACH occasion。

而隨機(jī)接入請求就是在PRACH occasion上進(jìn)行的，這稱為隨機(jī)接入的“時機(jī)”。

6.3 每個PRACH occasion傳輸?shù)那皩?dǎo)碼

每個PRACH occasion上能夠傳送的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的數(shù)量也是配置的。M*N個PRACH occasion傳遞的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的總和為64個。

6.4 PRACH occasion與SSB的映射

通常情況下，PRACH occasion的數(shù)量與波束的數(shù)量是1對1映射的，也可以把多個PRACH occasion映射到一個波束上。也可以把1個PRACH occasion映射到多個波束上。

（1）1對1映射

、

（2）多對1映射

（3）1對多映射

6.5 波束（通過SSB體現(xiàn)）與PRACH occasion映射關(guān)系的參數(shù)定義

（1）ssb-perRACH-occasion：每個PRACH occasion可以映射幾個SSB

1: 1個PRACH occasion映射到1個SSB
分?jǐn)?shù)（小于1）：多個PRACH occasion共享一個SSB
大于1：多個SSB共享一個PRACH occasion

（2）CB-PreamblePerSSB：每個SSB使用多少個前導(dǎo)碼，最大64個，可以小于64.

參數(shù)1和參數(shù)2之間是有約束關(guān)系的，比如ssb-perRACH-occasion=16，表示每個PRACH occasion可以映射16個SSB，因為一共最大有64個前導(dǎo)碼，這樣的PreamblePerSSB最大就只能有4個前導(dǎo)碼。

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【4G&5G基礎(chǔ)學(xué)習(xí)】物理層

第1章 物理隨機(jī)接信道PRACH概述

1.1 PRACH概述

1.2 PRACH在物理層信道中的位置

第2章 4G LTE 隨機(jī)接入過程

2.1 隨機(jī)接入過程的目的

2.2 LTE 隨機(jī)接入過程的種類與場景