LTE-TDD随机接入过程（2）-前导码Preamble的格式与时频位置

1.什么是前导码Preamble

前导码Preamble是UE在物理随机接入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。

2.前导码Preamble格式 

LTE-TDD的前导码有5种格式，分别是Preamble Format 0/1/2/3/4，如下图所示。

从上面协议给出的这张表格中，可以推导出以下几个信息：

（1）每种前导码格式占用的子帧个数。因为TDD-LTE的每个子帧时长是30720Ts，从表中可以得出，前导码格式0的Preamble时间=3168Ts+24576Ts=27744Ts<30720Ts，只需要占用1个上行子帧，同样可以计算得到，前导码格式1、2需要占用2个上行子帧，前导码格式3则需要占用3个上行子帧才能发完。特殊地，前导码格式4只能在UpPTS中使用，即LTE-FDD没有格式4。示意图如下。

（2）每种前导码支持的最大小区半径。因为每个子帧的长度是30720Ts，去掉前导码占用的时间，那么前导码格式0还剩下的保护时间GT=（30720-3168-24576）Ts=2976Ts=2976*[1/(15000*2048)]s=96.875us。之所以空出一部分的保护间隔，在于随机接入之前，UE还没有和eNB完成上行同步，UE在小区中的位置还不确定，因此需要预留一段时间，以避免和其他子帧发生干扰。考虑eNB和UE之间的往返传输，因此最大小区半径=(3.0*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。因此，不同的小区覆盖半径，可以选择不同的前导码格式。这也是为什么前导码要分不同格式的原因。

（3）每种PRACH的持续时间。比如Preamble格式0，它的前导码持续时间=（3168+24576）Ts=0.9031ms，这与协议36101-6.3.4.2.1的数据相符。同时，从这个持续时间也可以印证每种前导码格式所占的子帧个数。

（4）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。

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

UE在解码SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号，以后再写这块内容）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。

需要注意的是，当CP类型为normal时，UpPTS的长度=4384Ts<格式4的前导码时长4544Ts，所以协议规定了，前导码格式4时，Preamble数据从UpPTS结束前的4832Ts处开始，因此这个时候需要占用部分GP（Guard Period）时间。如下图所示。可以推导出，格式4的小区最大覆盖半径是(4832-4544)Ts*(3.0*10^8)/2=1.406km。

经过上述几个步骤的推导和说明，可以整理得到下面这个表格。

上面已经说过，不同的GT保护时间决定了小区的最大覆盖半径，GT时间越长，小区的覆盖面积越大，这个结论从下图这张示意图中也可以看出来。三个不同位置的UE1/2/3同时向eNB发送前导码，那么eNB首先会收到近端UE1的请求，最后收到UE3的前导码。如果有个UE4，距离比UE3还要远，此时eNB无法收到完整的前导码，UE4将无法接入到该小区。

3.UE和eNB确定当前使用哪种前导码

PRACH configuration Index参数决定了前导码的格式。从协议表格Table 5.7.1-3中可以看到，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。

因为PRACH configuration Index参数来自于RRC层的SIB2消息（36331协议），所以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。

4.UE会在什么时候什么位置发Preamble

UE发送前导码的时刻和位置由PRACH configuration Index参数（范围0-63，具体路径见前文）和上下行子帧配置UL/DL configuration参数共同决定。UL/DL configuration参数同样来自于RRC层的SIB1消息（36331协议），具体参数路径是：SystemInformationBlockType1->tdd-Config->TDD-Config->subframeAssignment。

36211-Table5.7.1-4给出了前导码的位置与PRACH configuration Index和UL/DL configuration两个参数之间的关系，因该表占篇幅较大，只截图部分，不影响理解。

从Table5.7.1-4中可以看到，根据PRACH configuration Index和UL/DL configuration参数，可以获取一个或多个四元素数组，分别对应参数（f_RA, t0_RA, t1_RA, t2_RA）。

t0_RA表示PRACH出现的帧位置，=0表示出现在所有的无线帧中，=1表示出现在偶数无线帧，=2表示出现在奇数无线帧。

t1_RA表示PRACH出现的帧内位置，=0表示PRACH资源是位于第一个半帧，=1表示位于第二个半帧。

t2_RA表示前导码开始处的上行子帧号，在两个连续上下行切换点间的第一个上行子帧表示为0。即2号子帧和7号子帧值=0。上下行子帧配置等于0时，t0_RA/t1_RA/t2_RA三个参数的含义如下图所示。

f_RA是一个频率位置系数，用于计算PRACH占用的RB起始位置n_RA_PRB。PRACH固定占6个RB，因此LTE支持的带宽不能少于6个RB（Each random access preamble occupies a bandwidth corresponding to 6 consecutive resource blocks for bothframe structures.）。有了n_RA_PRB这个参数，就可以知道PRACH在频域上的位置[n_RA_PRB，n_RA_PRB+5]，有了t0_RA/t1_RA/t2_RA这三个参数，UE就可以知道在哪个子帧发送PRACH，eNB也会去相应的子帧上盲检测PRACH信息。对于有多个四元素数组的情况，eNB需要对每个可能的位置进行盲检测。

计算PRACH起始RB位置n_RA_PRB的公式如下：

公式中的各参数说明：

（1）n_RA_PRBoffset由RRC的prach-FreqOffset（范围0~94）参数决定，与PRACH configuration Index参数属于同一个结构体，因此获取参数路径也是相同：SystemInformationBlockType2->radioResourceConfigCommon->RadioResourceConfigCommonSIB->prach-Config->PRACH-ConfigSIB->prach-ConfigInfo->prach-FreqOffset。

（2）f_RA、t1_RA直接从Table5.7.1-4的四元素组中查表获得。

（3）N_UL_RB是带宽RB个数，与DL_bandwidth值相同，如果是20M带宽，则值=100。

（4）N_SP是下行向上行切换点的点数，与上下行子帧配置UL/DL configuration参数相关，因此只有前导码4才会用到。比如上下行子帧配置1，那么N_SP=2，因为在子帧1和子帧6完成了2次下行向上行的切换。只有在上下行子帧配置3、4、5的时候，N_SP=1。

（5）n_f表示当前的系统帧号。

至此，UE和eNB就可以明确的知道PRACH的发送/接收位置了。以带宽20M，prach-FreqOffset=0，PRACH configuration Index=9，UL/DL configuration=2举例说明，此时(f_RA, t0_RA, t1_RA, t2_RA)有三种值，分别是（0，0，0，0），（0，0，1，0）和（1，0，0，0）。

对应的频域位置：

f_RA=0时，n_RA_PRB=0+6*0=0，

f_RA=1时，n_RA_PRB=100-6-0-6*0=94。

对应的时域位置：

（0，0，0，0）：PRACH占用从k=0开始到k=5的连续6个RB块，时域L是每个无线帧的2号子帧。

（0，0，1，0）：PRACH占用从k=0开始到k=5的连续6个RB块，时域L是每个无线帧的7号子帧。

（1，0，0，0）：PRACH占用从k=94开始到k=99的连续6个RB块，时域L是每个无线帧的2号子帧。即PRACH的位置如下图。

为避免PRACH与其他UE的上行业务RB冲突，eNB调度PUSCH时可以避开PRACH占用的可能RB位置。另外，为了减少盲检测处理时长，可以选择只有一种四元素数组的配置。

5.参考文献

（1）3GPP TS 36.211 V9.1.0 (2010-03) Physical Channels and Modulation

（2）3GPP TS 36.331 V9.18.0 (2014-06) Radio Resource Control (RRC)

（3）3GPP TS 36.101 V9.14.0 (2012-12) User Equipment (UE) radio transmission and reception

（4）http://www.sharetechnote.com

（5）http://lteuniversity.com/get_trained/expert_opinion1/b/hongyanlei/archive/2010/12/21/cell-size-configuration-in-random-access-procedure-i-preamble-format.aspx