前两篇的关注点是MAC（Medium Access Control）层，这一篇我们进入到下一层 —— PHY（Physical）层。这一篇主要谈Preamble（随机接入前导码）和PRACH（Physical Random Access Channel，随机接入物理信道）。前面提到，随机接入的第一步，是UE在PRACH发送Preamble（MSG1），我们先看Preamble具体是什么，再看Preamble占用的时频资源（PRACH）。这里重点关注PRACH的大小，PRACH的位置（包括时域和频域）以后再谈。

在时域上，Preamble由两个部分构成：长度为TCP的CP（Cyclic Prefix，循环前缀），和长度为TSEQ（在NR中为NU）的Sequence（序列）。从Preamble包含CP可知，Preamble是OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）调制的信号 —— 在频域上，Preamble包含多个SC（subcarrier，子载波），但CP和SCS（subcarrier spacing，子载波间隔）是独立（于系统）的。

 

sequence是Preamble的“灵魂”，是区分不同Preamble的关键。在LTE和NR中，UE使用ZC序列（Zadoff-Chu Series）生成sequence。ZC序列是CAZAC（Constant Amplitude Zero Auto-Correlation）序列，即具有幅值恒定、零自相关的特点，十分适合用于随机接入。ZC序列的细节以后再谈，这里只要知道，在LTE和NR中，Preamble使用ZC序列的长度（NZC或LRA）为139或839。

不过，原始的ZC序列是离散的时域信号，不方便在无线信道“携带”。UE先对ZC序列进行DFT（Discrete Fourier Transformation，离散傅里叶变换），再进行OFDM调制 —— 由此，一个“横向”（时域）序列变成一个“竖向”（频域）序列（ZC序列进行FFT或IFFT后依然是ZC序列），序列的每一项对应一个子载波。接着，UE对OFDM输出信号在时域上进行复制（1~N次），基站接收Preamble可以获得时间分集增益（第三篇提到，增益会“反馈”到MSG1发送功率（PREAMBLE DELTA））。最后，UE在（Sequence）前面插入CP，就形成了Preamble。

 

因此，我们在描述Preamble时，需要包含两个维度：时域和频域。在时域上，Preamble占用时长是CP时长、Sequence时长和GT（Guard Time，细节请见下文）的叠加（TCP + TSEQ + TGT）。在频域上，Preamble占用带宽是子载波间隔（SCS）和子载波（SC）数量的乘积（SCS x NSC）。为了适应不同的覆盖需求和业务需求，LTE和NR定义了多种Preamble format，下面来具体看一下。

 

先看LTE。

 

在LTE中，协议（3GPP TS 36.211）定义了5种Preamble format。基站通过PRACH Configuration Index告知UE使用的Preamble format。format 0~3的LRA为839，适用于LTE-TDD和LTE-FDD；format 4的LRA为139，只适用于LTE-TDD（换句话说，LTE-FDD没有format 4）。format 4只能在LTE-TDD的特殊子帧的UpPTS（Uplink Pilot Time Slot）发送，且UpPTS长度需为4384 TS或5120 TS。篇幅关系（多好的借口），这里暂且忽略format 4。

在时域上，（LTE） Preamble的“计量单位”是子帧（subframe）。由于CP和Sequence时长不同，不同Preamble format占用的子帧数量也不同：format 0占用1个子帧；format 1和2占用2个子帧；format 3占用3个子帧。由图可见，无论哪种Preamble format，CP和sequence都没有占满整数子帧。以format 0为例，TS为LTE的基本时间单位。1 TS = 1 / （ 15000 x 2048 ）秒，即1个子帧时长为30720 TS，而CP和Sequence只占用了3168 + 24576 = 27744 TS。

 

整数（1、2或3）子帧时长减去CP和Sequence时长，就是GT时长。依然以format 0为例，TGT = 30720 – 27744 = 2976 TS。可见，Preamble format不仅定义了CP和Sequence时长，还隐含了PRACH的“小尾巴”（GT）。GT不属于Preamble（UE只发送CP和Sequence），但属于PRACH的一部分，（其他）UE在GT范围内不应发送数据（否则会相互形成干扰），实际上，协议没有定义GT的大小，GT是通过基站的调度限制实现的 —— 如果调度预留更多资源，GT自然就变大了（但不一定有意义）。

GT是小区覆盖半径的限制因素之一。在初始接入场景中，UE在随机接入之前，还没有闭环定时控制，UE只能根据下行信号的定时，来确定上行信号（Preamble）的发送定时。问题是，UE在小区的位置（和基站天线的相对位置）是不确定的，中心用户（UE1）和边缘用户（UE2）发送的Preamble到达基站时间不一样，两者的最大允许差值，就是TGT —— 比UE2更远的用户（UE4）发送的Preamble，基站无法收到完整sequence，也无法识别Preamble。

 

以基站发送下行信号的定时为基准，基站接收Preamble时延为下行时延和上行时延的叠加，因而，由GT限制的小区半径为r = c * TGT / 2（c表示光速）。以format 0为例，TGT = 2976 TS，GT限制的小区半径为r= 299792458 * 2976 / （ 15000 x 2048 ） / 2 = 14521 m，即大约14.5公里。

CP也可视为一种保护间隔，用于消除（在时域上）相邻符号的ISI（Inter Symbol Interference，符号间干扰），不过，CP还有另一层作用。CP即Cyclic Prefix，在发送方，UE将符号尾巴（长度取决于TCP）复制放到符号前面，故名“循环前缀”。在接收方，不同子载波信号到达时延可能存在差异，只要时延不大于TCP，FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）积分区间（绿色背景）内会包含各个子载波的整数周期，保证各子载波的“正交性”，消除（在频域上）不同子载波的ICI（Inter Carrier Interference，载波间干扰）。

 

打个比方，UE发送上行信号，就像指示F1赛车（上行信号）从维修站进入赛道（时域资源），并依次设定了相同的发车时间窗口。如果窗口大小正好满足（一辆车）出站，则发车效率最高（车辆头尾相接，就像火车一样） —— 不过，由于某些不确定因素（比如说，赛车离出站口的距离不同），需要为每台车预留一些时间，以避免发生追尾事故（ISI）。预留可以放在窗口尾部（类似GT），也可以放在窗口头部（类似CP），或两边都放，但都是以牺牲发车效率为代价的。

 

CP也是小区覆盖半径的限制因素。TCP应包含双向传输时延（TGT）和信道时延扩展（和信道特性相关），因而，TCP通常略大于TGT。当TCP小于TGT时（比如format 3），由GT决定的小区半径，边界用户的接入性能可能较差（正交性损失），此时采用TCP计算小区半径更为合适（所以单纯加大GT没有意义）。由CP限制的小区半径为r = c * ( TCP – t ) / 2（c表示光速，t表示时延扩展）。

 

附带提一下NR。在3GPP的RAN1 NR Ad-Hoc#2会议上，R1-1711875提案讨论了不同SCS的短前导码的时延扩展，确定了采用Path Profile（路径特性）替代时延扩展，并提供了不同短前导码的路径特性及覆盖距离，根据TCP、TGT和Path Profile计算小区半径的公式为（本质为分别计算CP和GT限制的小区半径，再取较小值）：r = min ( TCP – Path Profile, TGT ) / 30.72 x 300 / 2 （m）。以上内容，引用自人民邮电出版社的《5G空口特性与关键技术》的4.3.1.3章节《PRACH前导格式的覆盖特性》。

 

在频域上，Preamble占用带宽和SC数量及SCS大小相关。format 0~3的SCS为1.25 KHz，LRA为839，对应839个SC，上下方各增加13和12个SC作为（频域）保护间隔。可以推算，format 0~3占用带宽为：1.25 KHz x ( 839 + 13 + 12) = 1.08 MHz。LTE系统SCS为15 KHz，因而，format 0~3占用带宽可折算为6 RB（PUSCH）。

format 4的SCS为7.5 KHz，LRA为139，对应139个SC，上下方各增加3和2个SC作为保护间隔。可以推算，format 4占用带宽为：7.5 KHz x ( 139 + 3 + 2 )= 1.08 MHz。可见，在LTE中，无论哪种Preamble format，PRACH占用带宽都是1.08 MHz，这恰好是LTE支持的最小系统带宽。

 

再看NR。

 

先说一下背景。和LTE相比，参数集（numerologies）可选是NR的一个重要特征。参数集的重点是SCS（只有SCS为60 KHz时可选择Normal CP或Extend CP）。LTE的系统SCS固定为15 KHz，而NR的系统SCS（系统SCS好像不是准确的说法，但我也不知道应该称为什么）。可为15 KHz、30 KHz、60 KHz（只用于数据）、120 KHz或240 KHz（只用于同步）。

相应的，NR的帧结构（frame structure）和LTE也稍有不同。在OFDM中，符号（和CP）时长和SCS大小成反比，SCS越大，符号时长越小。在NR中，1个时隙（slot）依然包含14个符号（Normal CP）或12个符号（Extend CP），但1个系统帧（frame，时长10 ms）包含的时隙（slot）数量取决于SCS大小 —— SCS越大，时隙数量越大，时隙时长（和符号时长）越小。利用SCS可变这个特点，Preamble format增加了很多可能性（或说灵活性）。

 

在NR中，协议（3GPP TS 38.211）定义了13种Preamble format。和LTE相似，基站通过PRACH Configuration Index告知UE使用的Preamble format。由于LRA为139的preamble format大幅扩充，协议根据LRA将Preamble format分为两个系列：4种长前导码（LRA为839）：0~3；9种短前导码（LRA为139）：A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4、C0、C2。这回我们反过来，先看频域（就是这么任性）。

和LTE相似，NR长前导码的SCS是固定的，确定preamble format就确定SCS大小：format 0~2的SCS为1.25 KHz，format 3的SCS为5 KHz。事实上，部分长前导码（format 0~1）就源自于LTE，也只能用于FR1（6 GHz以下频段）。和LTE不同的是，NR的系统SCS不是固定的。如果将长前导码占用频宽用（PUSCH）RB表示，数值取决于系统SCS大小 —— format 0~2占用RB数量可能为6、3或2；format 3占用RB数量可能为24、12或6。

和长前导码不同，短前导码的SCS和preamble format没有对应关系，基站需要通过高层（RRC）参数Msg1 Subcarrier Spacing将短前导码的SCS告知UE。具体的说，短前导码的SCS和u取值相关（但独立于系统SCS对应的u）：u取值为0、1、2、3时，SCS分别为15 KHz、30 KHz、60 KHz和120 KHz —— 15 KHz和30 KHz用于FR1，60 KHz和120 KHz用于FR2。如果将短前导码占用频宽用（PUSCH）RB表示，当短前导码SCS和系统SCS相同时，取值总是为12（144 / 12 = 12），其他组合也很容易推算。

 

短前导码SCS是15 KHz的整数倍数，15 KHz是长前导码SCS的整数倍数，而15 KHz正是数据符号（PUSCH）采用的最小SCS。PRACH这么设计可以减少频域（SCS）正交性的损失，并复用IFFT / FFT处理过程（以上内容，引用自人民邮电出版社的《5G空口特性与关键技术》的4.3.1.2章节《5G PRACH前导格式》）。

 

再来看时域。伴随帧结构的改变，NR引入了RACH时隙（PRACH slot）和RACH时机（PRACH Occasion）的概念 —— UE可以发送Preamble的时隙和机会。如果忽略PRACH的FDM（Frequency Division Multiplexing），如果使用长前导码，1个RACH时隙内只有1个RACH时机，如果使用短前导码，1个RACH时隙内可能有多个RACH时机。

长前导码的SCS是固定的，SO，占用时长也是固定的（和Preamble format对应的）。以SCS为15 KHz的PUSCH作为对照（1个时隙时长为1ms），format 0和format 3占用时长为1 ms，format 1占用时长为3 ms，format 2占用时长为3.5 ms —— 给大家留个问题：为什么format 2占用时长不是4 ms？

 

对照LTE的preamble format，可见NR的format 0、1和LTE的format 0、2对应（TC为NR的基本时间单位，k为NR的时间单位系数（64），TS = k x TC，LTE的3168 TS和NR的3168k TC时长是相同的）。由上可见，长前导码占用时长可能会超过1个RACH时隙，因而，RACH时隙不是表示只有这个时隙用于PRACH，只是表示发送Preamble的起始位置，后续的时隙是否用于其他传输，还要看长前导码的占用时长 —— Preamble format是基站指示UE的，基站当然也知道如何调度。

 

长前导码的优点，就在于“长”—— 不过，是时域的“长”：CP和GT更“长”，就可以支持更“大”的时延扩展和小区半径；Sequence更“长”（Nu更大，检测窗口更大），PRACH的解码能力就更“强”。但有的时候，我们并不关注小区半径和解码能力，而是更关注接入时延（比如说，URLLC（Ultra-Reliable Low Latency Communication）场景），固定时长的长前导码就不适用了。

 

反过来…

 

短前导码的优点，就在于“短”—— 不过，是时域的“短”。前面提到，SCS越大，符号时长越短。我们可以拉伸Preamble的频宽，来压缩Preamble的时长 —— 大丈夫，能屈能伸嘛。短前导码占用时长远小于长前导码，可适应动态TDD和自包含帧结构，更适用于时延敏感的业务。话说回来，短前导码的缺点，除了小区半径较小（因为TCP和TGT较小，反正FR2覆盖能力也有限）以外，主要是占用较多的频域资源 —— 这也不完全是缺点，SCS越大，对频偏（多普勒效应）和ICI的抑制就越好。

 

短前导码的占用时长都不超过1个RACH时隙（14个符号）。A1、A2、A3的占用时长和2、4、6个符号对齐；B1、B2、B3、B4的占用时长和2、4、6、12个符号对齐（示图未显示B2和B3）。C0、C2的占用时长和2、6个符号对齐。（示图假设PUSCH和PRACH的SCS相同，都为15 KHz。示图只表示PRACH时长，PRACH位置以后再谈）

A1和B1、A2和B2、A3和B3的占用时长相同（分别为2个符号、4个符号、6个符号），区别主要是A1、A2、A3没有定义GT（或说TGT为0），适用于覆盖半径较小（空口传输时延可忽略），UE位置集中的场景；B1、B2、B3适用于覆盖半径略大的场景。C0和C2的GT更长，适用于覆盖半径更大的场景。

短前导码还有一个优点：1个RACH时隙可以存在多个RACH时机。比如说，在1个RACH时隙内可以发送6个A1、3个A2或2个A3。另外，A格式和B格式还可以组合使用，如果PRACH Configuration Index指示preamble format为A1 / B1、A2 / B2或A3 / B3，RACH时隙内前面的RACH时机都使用A格式，只有最后一个RACH时机使用B格式 —— 这也是B2和B3唯一的露面机会，因为B2和B3不能单独配置，必须抱紧A2或A3的大腿。