5G NR PRACH格式

一、前言

     PRACH在时域上由CP(长度是$T_{CP}$)、1个或多个随机接入前导(单个随机接入前导的长度是$T_{SEQ}$和保护时间(长度是$T_{GT}$)3个部分组成。CP的长度与时延扩展有关，长的CP允许更大的时延扩展，因此可以支持更大的小区半径。单个随机接入前导的长度$T_{SEQ}$与随机接入前导子载波间隔$△f^{RA}$的关系为$△f^{RA}$*$T_{SEQ}=1$,总的序列长度影响基站对随机接入前导的接收质量，更长的序列长度意味着基站能够接收更多的能量，从而获得更好的解调性能。保护时间内不发送任何信号，保护时间确定了小区的最大覆盖半径，即小区的最大覆盖半径 =$c\ast T_{GT}/2$，其中，$c=3\ast 10^{8}m/s$。
     NR支持长序列($L_{RA}=839$)和短序列($L_{RA}=139$)两种长度的PRACH前导格式。

二、PRACH长序列格式

     参考38.211，$L_{RA}=839$的PRACH前导格式的子载波间隔$△f^{RA}$与上行信道的子载波间隔无关，仅应用于FR1场景。根据CP、随机接入前导、保护时间以及$△f^{RA}$的不同，下图所示的是$L_{RA}=839$的PRACH前导格式，共有4种，分别是格式0~3。
     需要注意的是：图中的$k$为5G为了适配原LTE 30.72MHz采样率的匹配因子，$k$前的数字为采样点数，如$k=1$则对应采样率为30.72MHz，$k=n$则对应采样率为n*30.72MHz，其中 n为1~64的整数。

$L_{RA}=839$的PRACH各格式时域分布如下图所示。
其中：
  （1）格式0：总长度是1ms,CP、随机接入前导、保护时间的长度分别是0.103ms、0.8ms、0.097ms，子载波间隔$△f^{RA}$=1.25kHz，小区的最大覆盖半径是14.53km，PRACH 前导格式0与LTE前导格式0在时域上完全一致。格式0适合于普通半径的小区覆盖。例如，市区、农村和郊区等环境。

  （2）格式1：总长度是3ms,CP、随机接入前导、保护时间的长度分别是0.684ms、2X0.8=1.6ms、0.716ms，子载波间隔$△f^{RA}$=1.25kHz，小区的最大覆盖半径是107.34km。格式1的随机接入前导重复2次，在较低的SINR下有较好的接收质量，且CP和保护时间最大，因此适合于大的小区半径。例如，海面、沙漠等环境。

  （3）格式2：总长度是3.5ms，CP、随机接入前导、保护时间的长度分别是0.153ms、4X0.8=3.2ms、0.147ms，子载波间隔$△f^{RA}$=1.25kHz，小区的最大覆盖半径是22.11km。格式2的随机接入前导重复4次，在低的SINR下也有相对较好的接收质量，因此适合于时延扩展小、信号传播损耗大等覆盖增强的场景。例如，深度覆盖等。

  （4）格式3：总长度是1ms,CP、随机接入前导、保护时间的长度分别是0.103ms、4X0.2=0.8ms、0.097ms，子载波间隔$△f^{RA}$=5kHz，小区的最大覆盖半径是14.53km。格式3的子载波间隔较大，对多普勒频移和相位噪声不敏感，因此适合于高速场景。

三、PRACH短序列格式

     $L_{RA}=139$的PRACH前导格式的子载波间隔A/R与数据信道的子载波间隔相同，可以应用于FR1和FR2场景。当应用于FR1场景时，$△f^{RA}$=15kHz或AfR=30kHz;当应用于 FR2时，$△f^{RA}$=60kHz或AfRA =120KHz。根据CP、随机接入前导、保护时间的不同，$L_{RA}=139$的 PRACH前导格式分为A、B、C三组，共计9种前导格式。下图所示的是$L_{RA}=139$的PRACH前导格式($△f^{RA}$=15kHz)。需要注意的是，随着$△f^{RA}$的增加，CP、随机接入前导、保护时间相应的变短，但是每种前导格式占用的OFDM符号数不变。
     $L_{RA}=139$的PRACH前导格式采用每个PRACH都与上行数据信道的OFDM符号边界对齐的设计，这样设计的好处是允许PRACH和数据信道使用相同的接收机，从而降低系统设计的复杂度。

其中：
  （1）PRACH 前导格式 A1、A2、A3 的持续时间分别是2个、4个、6个OFDM 符号，无保护时间,适用于 Ta 已知或覆盖距离非常近的小区，例如，室内分布。由于前导格式 A1、A2、A3 没有自带保护时间，因此需要占用后面的 OFDM 符号作为保护时间，不能充分利用 PRACH 时隙。

  （2）PRACH前导格式B1、B2、B3、B4的持续时间分别是2个、4个、6个、12个OFDM符号，其保护时间中等，适用于覆盖距离适中的小区。

  （3）PRACH前导格式C0、C2的持续时间分别是2个、6个OFDM符号，与前导格式A、B相比，前导格式C0、C2的保护时间较长，因此适合覆盖距离较远的小区。格式C2相比格式 C0支持的覆盖距离更大，以便满足固定无线接入(Fixed Wireless Access，FWA)场景。在这类场景下，主要使用SCS-120kHz的固定无线接入产品来满足最后1km的覆盖需求。

四、PRACH子和PUSCH子载波间隔关系