一、物理随机接信道PRACH概述

PRACH： Physical Random Access Channel，物理随机接入信道。

RACH（Random Access Channel）即随机接入信道，是一种上行传输信道, RACH逻辑信道直接映射到PRACH信道。在任何情况下，假设终端需要同网络建立通信，都需利用RACH(随机接入信道)向网络发送一个报文来向体系申请一条信令信道，网络将根据信道请求需要来决定所分配的信道类型。这个在RACH 上发送的报文被称做“信道申请”（CHANNEL REQUEST），它其中的有用信令消息只有8bit，其中有3bit 用来提供接入网络原因的最少指示(3 个比特)，如紧急呼叫、位置更新、响应寻呼或是主叫请求等。

随机接入过程：是指从用户通过PRACH信道发送随机接入前导码，开始尝试接入网络到与网络间建立起主要的信令连接之前的过程。应该事先声明的是：

PRACH信道只是随机过程中的一部分，而不是全部，整个随机接入过程除了一开始初始涉及到PRACH信道，大部分时候，涉及的是其他信道，如物理共享信道。

MSG1中涉及到的随机接入前导码，也只是随机接入过程中MSG1-4中的一个，MSG2-4都不是凭借随机接入信道PRACH信道进行传送的。

二、随机接入过程概述

为什么必须随机接入过程？

在蜂窝移动通信环境（如4G LTE, 5G NR）中，终端在没有与网络建立连接时，是无法在共享的上行数据信道发送数据的。随机接入过程是终端与网络建立或恢复连接的“敲门”动作。其主要目的包括：

实现上行同步： 由于终端与基站之间的距离不同，信号到达时间也不同。网络必须通过这个过程来测量并补偿这个时间差，确保所有终端的上行信号在基站侧能对齐，避免符号间干扰。

申请上行资源： 终端利用此过程向网络申请用于传输数据的专用上行资源。

唯一标识终端： 在初始接入时，网络还没有为终端分配唯一的标识符（如C-RNTI）。随机接入过程提供了一个机制，让网络能够区分是哪个终端在发起请求。

简单来说，随机接入是终端从“失联”状态进入“连接”状态的桥梁。

三、物理随机接入信道

PRACH是承载随机接入过程的物理层信道。它不是一个持续存在的信道，而是由一系列特定的、预留给随机接入的时频资源块组成。

1、PRACH的核心：前导码

PRACH上传输的不是普通的数据，而是一个特殊的信号，称为前导码。

作用： 前导码是一个已知的序列，其主要作用是让基站能够检测到有终端在发起接入，并精确测量该终端的上行定时提前量。

特点： 前导码序列具有良好的自相关和互相关特性，使得基站能够从混合了噪声、干扰和多个终端信号的复杂环境中，准确地检测并区分出不同的前导码。

2、PRACH的时频结构

PRACH的资源分配与普通的上行数据信道不同，它占用更多的带宽和更长的时间。

频域： 在指定的上行带宽内，PRACH占用6个物理资源块（在5G NR中，对应约1.08MHz的带宽）。这个位置是半静态配置的，凭借系统消息广播给所有终端。

时域： PRACH以一个特定的PRACH时机 形式出现。它由一个或多个上行子帧/时隙组成，其周期和密度是可配备的（例如，每10ms、20ms出现一次，或在某些配置下每1ms出现一次）。高密度配置适用于高负载场景（如体育场），低密度配置则用于节省开销。

3、前导码格式

不同的前导码格式对应不同的序列长度和CP长度，以适应不同的小区覆盖半径。

循环前缀： 用于克服多径时延扩展带来的符号间干扰。

序列部分： 用于定时测量和序列检测。

保护时间： 在序列之后有一段空白，用于吸收信号在空间传播中产生的时延，确保即使是最远端的终端，其信号也不会泄漏到下一个上行时隙中，从而干扰其他用户。

格式选择的意义：

  • 长格式（长CP，长序列，长GT）用于大覆盖小区（例如农村、郊区），可以支持超过100公里的覆盖。

  • 短格式用于小覆盖小区（例如城市、室内），可以节省平台开销，支持更低的接入时延。

四、随机接入过程的详细步骤

随机接入过程主要分为两种类型：基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。大家重点讲解最常见的基于竞争的模式。

1、基于竞争的随机接入

这是最常见的场景，例如手机开机、从空闲态进入连接态。因为多个终端可能选择同一个前导码，从而产生“竞争”。其过程包含著名的 “四步握手”。

步骤1：Msg1 - 前导码传输

终端行为：

从网络广播的系统消息中获取可用的前导码集合和PRACH资源位置。

随机选择一个前导码。

在下一个可用的PRACH时机，以计算的初始功率发送该前导码。

基站行为：

在所有的PRACH时机上持续监听。

检测到有前导码被发送，并识别出是哪个前导码序列。

计算出该终端的定时提前量。

步骤2：Msg2 - 随机接入响应

基站行为：

在PDCCH上用一个特殊的标识符RA-RNTI来调度一个下行资源授权。

一个组响应，可能同时回复多个成功检测到前导码的终端。就是在PDSCH上发送RAR消息。该消息

RAR消息内容（对每个成功的前导码）：

  • 检测到的前导码ID： 告诉终端“我收到了你的前导码”。
  • 定时提前命令： 告诉终端需要调整多少上行发送时间。
  • 上行授权： 为终端分配用于发送Msg3的专用上行资源。
  • 临时C-RNTI： 为终端分配一个临时的唯一标识符，用于后续消息交互。

终端行为：

在预设的时间窗口内监听由RA-RNTI指示的PDCCH。

成功解码RAR后，应用TA命令，在分配的上行授权资源上准备发送Msg3。

步骤3：Msg3 - 首次上行调度传输

终端行为：

使用基站分配的上行授权资源发送Msg3。

Msg3的内容是关键： 它包括了终端的唯一标识符（在LTE中是C-RNTI或随机数的S-TMSI；在5G中是C-RNTI或5G-S-TMSI）。这是解决竞争冲突的核心。

意义： 这是终端第一次在专用上行资源上传输信息，标志着上行同步已完成，并开始了身份识别过程。

步骤4：Msg4 - 竞争解决

基站行为：

收到Msg3后，解码出其中的终端标识符。

在PDSCH上发送一条竞争解除消息。该消息的内容就是它成功收到的那个终端标识符的拷贝。

调度该消息时，使用Msg3中携带的C-RNTI（假设终端已有一个）或临时C-RNTI。

终端行为：

监听竞争解决消息。

如果消息中包括的标识符与自己在Msg3中发送的完全一致，则判定自己竞争成功。

  • 此时，临时C-RNTI会晋升为正式的C-RNTI。
  • 随机接入过程完成，连接建立。

假设在一定时间内没有收到与自己匹配的竞争解除消息，则判定竞争失败，将退避一段时间后，回到步骤1重新开始。

2、基于非竞争的随机接入

这种模式下没有竞争，由于网络会为终端指定一个专用的前导码。主要用于特定场景：

切换： 目标基站为即将接入的终端分配一个专用前导码，确保飞快无缝切换。

下行数据到达： 当终端处于连接状态但上行失步时，网络需要迅速恢复上行同步以接收HARQ反馈。

过程简化：

  • 网络指派： 基站通过PDCCH命令，指派一个专用的前导码给终端。

  • Msg1： 终端在指定的PRACH资源上发送该专用前导码。

  • Msg2： 基站回复RAR（包含TA和上行授权）。

  • 过程结束： 因为没有竞争，因而不需Msg3和Msg4。终端在收到RAR后，随机接入过程即告完成，允许直接使用上行授权发送数据或HARQ-ACK。

五、深入理解

定时提前量的核心作用：TA是保证OFDMA/SC-FDMA环境正交性的基石。没有准确的TA，不同终端的子载波就会失去正交性，导致严重的小区内干扰。PRACH本质上是一个高精度的“测距”信号。

竞争的本质与应对：竞争源于前导码的随机选择。两个终端选了同一个前导码，基站会认为只有一个终端，并给它们分配相同的临时C-RNTI和上行授权。它们会在Msg3中“撞车”，但Msg3中包含各自的唯一ID。基站只可能成功解码其中一个（或都解码失败）。依据Msg4回显ID，只有一个终端会认为竞争成功，另一个则会失败并重试。这是一个优雅的冲突解决机制。

前导码格式与覆盖规划：PRACH的格式选择直接决定了小区的最大半径。网络规划工程师必须根据预期的小区大小来配置正确的格式，否则边缘用户将无法接入。

功率攀升：在发送Msg1时，如果终端没有收到RAR，它会以更高的功率重发前导码，直到达到最大重试次数或收到响应。这是一个经典的开环功率控制过程。

5G NR中的增强：

  • 更灵活的参数集： 支持多种子载波间隔，从而支持更灵活的时隙结构和更低的接入延迟。

  • 两步骤随机接入： 为降低延迟，5G引入了将Msg1和Msg3合并，以及Msg2和Msg4合并的两步法。但这通常用于特定场景（如无竞争或上行大带宽场景），四步法仍然是主流和基础的流程。

六、总结

移动通信系统的“握手协议”，它巧妙地解决了三个核心问题：就是物理随机接入信道和随机接入过程

检测与测距： 借助PRACH前导码实现。

资源分配： 通过RAR构建初步授权。

身份识别与冲突解决： 凭借Msg3和Msg4的“竞争解决”机制结束。