2024年4月16日发(作者：)

移动通信系统中的随机接入信道Rach

Rach是一个移动通信系统中的上行链路物理信道，用于手机向基站发送随机接入请求，以建立无线连接。Rach的全称

是Random Access Channel，即随机接入信道。Rach的特点是不需要预先分配资源，而是由手机在需要时自主选择一

个可用的信道发送数据。Rach的主要作用是：

在初始接入过程中，手机向基站发送接入请求，携带自己的身份信息和业务需求，以便基站为其分配专用信道。

在连接维持过程中，手机向基站发送功率控制命令，以调整自己的发射功率，保证无线链路的质量。

在连接重建过程中，手机向基站发送位置更新请求，以更新自己的位置信息，以便基站为其提供服务。

Rach是一种共享信道，即多个手机可以同时使用同一个Rach信道发送数据，但是这也会导致信道冲突的可能性。为了

解决这个问题，Rach采用了一种竞争机制，即每个手机在发送数据之前，都要随机选择一个时间间隔（称为后退时

间），等待这个时间间隔后再发送数据。这样可以减少多个手机同时发送数据的概率，从而降低信道冲突的概率。如果

发生了信道冲突，即基站没有收到或正确识别手机发送的数据，则手机会重新选择一个更长的后退时间，再次尝试发送

数据。这个过程会重复多次，直到成功发送数据或达到最大尝试次数为止。

Rach的结构

Rach由两部分组成：前缀和消息。前缀是一段固定长度的二进制序列，用于标识不同的Rach信道和不同的手机。消息

是一段可变长度的二进制序列，用于携带具体的业务数据。前缀和消息都经过扩频、扰码和调制等处理后，在上行链路

上以物理层码片为单位发送。

前缀

前缀由两个部分组成：签名序列和旋转序列。签名序列是一段长度为16个码片的二进制序列，用于区分不同的Rach信

道。每个小区可以使用4~16个不同的签名序列来定义不同的Rach信道。每个手机在发送数据时，要根据基站提供的信

息选择一个可用的签名序列来标识自己使用的Rach信道。旋转序列是一段长度为4096个码片的复数序列，用于区分不

同的手机。每个手机在发送数据时，要根据自己生成的随机数来选择一个旋转序列来标识自己。旋转序列可以消除多普

勒频偏和频率误差对接收端匹配滤波器性能的影响。

消息

消息由两个部分组成：控制部分和数据部分。控制部分是一段长度为10个码片的二进制序列，用于携带功率控制命令、

传输格式组合指示（TFCI）等信息。功率控制命令是一个1比特的指令，用于告诉基站是否需要增加或减少对应专用信

道（DCH）上行链路的发射功率。TFCI是一个8比特的指令，用于告诉基站数据部分的传输格式，即扩频因子、速率、

编码等参数。数据部分是一段可变长度的二进制序列，用于携带具体的业务数据，如接入请求、位置更新请求等。数据

部分的长度可以根据业务需求和信道条件动态调整，以提高传输效率和可靠性。

Rach的信号处理

Rach的信号处理主要包括以下几个步骤：

扩频：将前缀和消息的二进制序列分别与一个固定的扩频序列相乘，得到两个扩频后的序列。扩频序列是一个长度

为256个码片的二进制序列，由基站提供。扩频的目的是增加信号的带宽，提高抗干扰能力和匹配滤波器性能。

扰码：将扩频后的序列分别与一个复数的扰码序列相乘，得到两个扰码后的序列。扰码序列是一个长度为10ms

（即38400个码片）的复数序列，由手机自己生成。扰码的目的是区分不同的手机，避免相互干扰。

调制：将扰码后的序列分别调制到I支路和Q支路上，得到两个调制后的序列。调制方式是QPSK（四相相移键

控），即每两个比特对应一个复数符号。调制的目的是将数字信号转换为模拟信号，便于在无线信道上传输。

发射：将调制后的序列经过滤波、放大等处理后，通过天线发射出去。

Rach的应用

Rach主要应用于以下几种场景：

初始接入：当手机需要建立无线连接时，它会在空闲模式下监听基站广播信道（BCH），获取小区信息和Rach参

数。然后它会选择一个可用的签名序列和一个随机数，生成前缀和消息，并发送到基站。基站收到Rach信号后，

会根据签名序列识别Rach信道，并根据旋转序列识别手机，并发送响应信号给手机。响应信号包括一个专用信道

（DCH）资源分配信息和一个接入确认信息。手机收到响应信号后，就可以在DCH上与基站进行通信。

连接维持：当手机已经建立了无线连接时，它会在DCH上与基站进行通信。为了保证无线链路的质量，手机需要根

据基站发送的功率控制命令来调整自己的发射功率。但是，在某些情况下，DCH可能会中断或丢失，导致手机无法

收到功率控制命令。为了解决这个问题，手机可以在Rach上发送功率控制命令给基站，以恢复DCH上行链路的质

量。

连接重建：当手机在无线连接过程中发生了位置更新或小区切换时，它需要向基站发送位置更新请求或小区切换请

求，以更新自己的位置信息和服务小区。这些请求可以通过Rach发送给基站，以便基站为其提供服务。

Rach的优缺点

Rach作为一种随机接入信道，具有以下优缺点：

优点：

灵活性高：Rach不需要预先分配资源，而是由手机在需要时自主选择一个可用的信道发送数据。这样可以适

应不同业务需求和信道条件，提高资源利用率。

简单性高：Rach采用了一种竞争机制，即每个手机在发送数据之前，都要随机选择一个时间间隔（称为后退

时间），等待这个时间间隔后再发送数据。这样可以减少多个手机同时发送数据的概率，从而降低信道冲突的

概率。这种机制比预先分配资源的机制更简单，更易于实现。

兼容性高：Rach可以与不同的无线制式和技术共存，如GSM、CDMA、WCDMA、LTE等。Rach只需要

根据不同的制式和技术调整一些参数，如扩频因子、扰码序列、调制方式等，就可以实现不同的性能和功

能。

缺点：

延迟高：Rach由于采用了竞争机制，每个手机在发送数据之前，都要等待一个随机的时间间隔。这个时间间

隔会导致Rach的传输延迟增加，影响实时性和效率。特别是当Rach信道的负载较高时，信道冲突的概率会增

加，导致手机需要多次尝试发送数据，进一步增加延迟。

可靠性低：Rach由于是一种共享信道，多个手机可以同时使用同一个Rach信道发送数据。这会导致Rach信道

上的干扰增加，影响接收端的信号检测和识别。特别是当Rach信道的负载较高时，干扰的影响会更明显，导

致手机发送的数据可能无法被基站正确接收或识别。

Rach的改进

为了克服Rach的缺点，提高Rach的性能和效率，可以采用以下一些改进方法：

引入预留资源：为了减少Rach信道上的竞争和冲突，可以为一些优先级较高或需求较大的业务预留一些专用的

Rach信道资源。这样可以保证这些业务在需要时可以快速地获取资源，降低延迟和丢包率。例如，在LTE系统中，

引入了专用随机接入信道（PRACH），用于支持语音业务、紧急呼叫等业务。

引入调度机制：为了提高Rach信道上的资源利用率和公平性，可以由基站对Rach信道上的请求进行调度，根据不

同手机的业务需求和信道条件，动态地分配资源和参数。这样可以避免资源浪费和拥塞，提高吞吐量和用户满意

度。例如，在LTE系统中，引入了随机接入响应（RAR），用于基站对手机发送的随机接入前导（RAP）进行响

应，并分配相应的资源和参数。

引入多址技术：为了提高Rach信道上的容量和抗干扰能力，可以采用一些多址技术，如频分多址（FDMA）、码分

多址（CDMA）、正交频分多址（OFDMA）等。这些技术可以将一个物理信道划分为多个逻辑信道，并利用不同

的频率、码片或子载波来区分不同的手机。这样可以减少信号之间的干扰和碰撞，提高传输质量和效率。例如，在

LTE系统中，引入了正交频分多址（OFDMA），用于将一个物理随机接入信道（PRACH）划分为多个物理随机接

入资源（PRAR），并利用不同的子载波来区分不同的手机。