Bước đầu tiên trong thủ tục truy cập ngẫu nhiên là truyền dẫn một preamble truy cập ngẫu nhiên. Mục đích chính của preamble là để chỉ thị cho mạng sự có mặt của một thử nghiệm (attempt) truy cập ngẫu nhiên và thu được đồng bộ thời gian đường lên trong một phần của tiền tố tuần hoàn (cyclic prefix) đường lên.
Nhìn chung, truyền dẫn preamble truy cập ngẫu nhiên có thể là trực giao hoặc không trực giao đối với dữ liệu người dùng. Trong WCDMA, preamble thì không trực giao đối với truyền dẫn dữ liệu đường lên. Điều này đem lại lợi ích trong việc không phải cấp phát bất cứ nguồn tài nguyên nào cho truy cập ngẫu nhiên một cách bán tĩnh. Tuy nhiên, để kiểm soát nhiễu giữa truy cập ngẫu nhiên với dữ liệu, công suất phát của preamble truy cập ngẫu nhiên phải được điều khiển một cách cẩn thận. Trong WCDMA, điều này được giải quyết nhờ thủ tục biến đổi
công suất (power-ramping), khi đó đầu cuối sẽ gia tăng từ từ công suất của preamble truy cập ngẫu nhiên đến khi nó được dò tìm thành công tại trạm gốc. Mặc dù đây là giải pháp phù hợp với vấn đề nhiễu, nhưng thủ tục ramping lại gây ra trễ trong toàn bộ thủ tục truy cập ngẫu nhiên. Do đó, từ trễ này mà thủ tục truy cập ngẫu nhiên không đòi hỏi biến đổi công suất lại trở nên có lợi.
Trong LTE, việc truyền dẫn của preamble truy cập ngẫu nhiên có thể được thực hiện trực giao với các truyền dẫn dữ liệu người dùng đường lên và như vậy, thủ tục biến đổi công suất là không cần thiết (mặc dù các đặc tính kỹ thuật cho phép ramping). Trực giao giữa dữ liệu người dùng được phát từ các đầu cuối khác nhau và các thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên đều thực thiện được ở cả miền thời gian và tần số. Mạng sẽ phát quảng bá tới tất cả các đầu cuối thông tin về việc: trong tài nguyên thời gian tần số nào thì truyền dẫn preamble truy cập ngẫu nhiên được cho phép. Để tránh nhiễu giữa dữ liệu và các preamble truy cập ngẫu nhiên, mạng sẽ tránh sắp xếp bất kỳ truyền dẫn đường lên nào ở nguồn tài nguyên thời gian và tần số đó. Điều này được minh hoạ trong hình 5.4. Từ đơn vị thời gian cơ bản cho truyền dẫn dữ liệu trong LTE là 1 ms, một khung phụ sẽ được dành riêng cho truyền dẫn preamble. Trong các tài nguyên được dành riêng, preamle truy cập ngẫu nhiên sẽ được phát đi.
Hình 5.7 Minh họa nguyên lý của truyền dẫn preamble truy cập ngẫu nhiên.
Trong miền tần số, preamble truy cập ngẫu nhiên có một băng thông tương ứng với sáu khối tài nguyên (1.08 MHz). Điều này khá phù hợp với băng thông nhỏ nhất mà LTE có thể hoạt động, sáu khối tài nguyên này đã được thảo luận trong chương 4. Do đó, cấu trúc preamble truy cập ngẫu nhiên giống nhau có thể được sử dụng, không kể đến băng thông truyền dẫn trong cell. Với những triển khai sử dụng các phân bố phổ lớn hơn, nhiều nguồn tài nguyên truy cập ngẫu nhiên có thể được xác định trong miền tần số, mang lại sự gia tăng về dung lượng truy cập ngẫu nhiên.
Trước khi truyền dẫn preamble, đầu cuối thực hiện một thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên đã thu được đồng bộ đường xuống từ thủ tục dò tìm cell. Tuy nhiên định thời đường lên thì chưa được thiết lập. Bắt đầu của một khung đường lên ở đầu cuối được xác định có liên quan với bắt đầu của khung đường xuống ở đầu cuối. Do trễ truyền giữa trạm gốc và đầu cuối, truyền dẫn đường lên do đó sẽ bị trễ tương đối với định thời truyền dẫn đường xuống ở trạm gốc. Do đó, khi khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối không được biết, sẽ có một sự không chắc chắn trong định thời đường lên tương ứng với hai lần khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối, lên tới 6.7 μs/km. Để tính toán cho sự không chắc chắn này và để tránh nhiễu với các khung phụ tiếp theo mà không được sử dụng cho truy cập ngẫu nhiên, một khoảng thời gian bảo vệ sẽ được sử dụng, nghĩa độ dài của preamble thực tế sẽ ngắn hơn 1ms. Hình 5.5 minh hoạ độ dài preamble và khoảng thời gian bảo vệ. Với độ dài preamble LTE xấp xỉ 0.9 ms, 0.1 ms thời gian bảo vệ cho phép kích thước cell lên đến 15 km. Ở các cell lớn hơn, sự không chắc chắn về định thời có thể lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ cơ bản, khoảng thời gian bảo vệ bổ sung có thể được tạo ra bằng cách không sắp xếp (scheduling) bất cứ truyền dẫn đường lên trong khung phụ theo sau tài nguyên truy cập ngẫu nhiên.
Preamble được dựa trên Zadoff-Chu (ZC), chuỗi [131] và chuỗi dịch tuần hoàn của nó. Các chuỗi Zadoff-Chu cũng được sử dụng cho việc tạo ra tín hiệu tham khảo như được mô tả trong chương 4, ở đó đã mô tả cấu trúc của các chuỗi này. Từ mỗi chuỗi Zadoff-Chu gốc X(u)
ZC(k), chuỗi dịch tuần hoàn m-1 được tạo ra
bằng cách dịch tuần hoàn mỗi [Mzc/m], với MZC là độ dài của chuỗi Zadoff-Chu gốc.
Hình 5.5 Định thời Preamble ở eNodeB cho người sử dụng truy cập ngẫu nhiên
Hình 5.6 Việc phát preamble truy cập ngẫu nhiên
Chuỗi ZC dịch tuần hoàn sở hữu nhiều thuộc tính hấp dẫn. Biên độ của chuỗi là không đổi, điều đó đảm bảo việc sử dụng bộ khuếch đại công suất hiệu quả và duy trì thuộc tính PAR thấp của đường lên đơn sóng mang. Các chuỗi cũng có sự tự tương quan tuần hoàn lý tưởng (auto-correlation), điều này thì quan trọng cho việc thu đánh giá định thời chính xác ở eNodeB. Cuối cùng, sự tương quan chéo giữa các preamble khác nhau dựa trên sự dịch chuyển tuần hoàn [N/m] được sử dụng khi phát các preamble lớn hơn thời gian truyền khứ hồi lớn nhất cộng với trễ truyền lớn nhất của kênh. Vì vậy, nhờ thuộc tính tương quan chéo lý tưởng, mà không có nhiễu bên trong cell do nhiều thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên sử dụng các preamble được lấy từ chuỗi gốc Zadoff-Chu giống nhau.
Việc sinh ra preamble truy cập ngẫu nhiên được minh hoạ trong hình 5.6. Mặc dù hình này minh hoạ việc phát trong miền thời gian, nhưng việc phát trong miền tần số có thể được sử dụng như nhau trong một sự thực thi. Hơn nữa, để cho phép việc xử lý miền tần số ở trạm gốc (được thảo luận nhiều hơn bên dưới), một tiền tố tuần hoàn được bao gồm trong việc tạo ra preamble.
Các chuỗi Preamble được chia thành nhiều nhóm, mỗi nhóm là 64 chuỗi. Như một phần của cấu hình hệ thống, mỗi cell được chỉ định một nhóm bằng cách xác định một hoặc nhiều chuỗi Zadoff-Chu gốc và các dịch chuyển tuần hoàn được yêu cầu để tạo ra tập hợp các preamble. Số lượng nhóm cần đủ lớn để tránh sự cần thiết cho việc lập kế hoạch chuỗi cẩn thận giữa các cell.
Khi thực hiện một thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên, đầu cuối lựa chọn một chuỗi ngẫu nhiên từ bộ chuỗi được cấp phát đến cell mà đầu cuối đang cố gắng truy cập. Chỉ cần không có đầu cuối nào khác thực hiện một thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên bằng cách sử dụng cùng một chuỗi tại cùng một thời điểm thì sẽ không có xung đột xảy ra và sự thử nghiệm sẽ được phát hiện bởi mạng với một khả năng rất cao.
Xử lý trạm gốc là một đặc điểm thực thi, nhưng nhờ tiền tố tuần hoàn nằm trong preamle, việc xử lý miền tần số sẽ có độ phức tạp thấp hơn. Một ví dụ về điều này sẽ được chỉ ra trong hình 5.7. Các mẫu trên một cửa sổ được thu thập và chuyển đổi nó thành biểu diễn trong miền tần số bằng cách sử dụng FFT. Độ dài cửa sổ là 0.8 ms, nó bằng với độ dài của chuỗi ZC không có tiền tố tuần hoàn. Điều này cho phép xử lý sự không chắc chắn về định thời lên đến 0.1ms và nó phù hợp với khoảng thời gian bảo vệ được xác định.
Đầu ra của FFT, biểu diễn tín hiệu thu được trong miền tần số, được nhân với biểu diễn miền tần số liên hợp phức tạp (the complex-conjugate frequency- domain representation) của chuỗi Zadoff-Chu gốc và kết quả sẽ được đưa qua một IFFT. Bằng cách quan sát đầu ra IFFT, nó có khả năng phát hiện ra sự dịch chuyển của chuỗi Zadoff-Chu gốc nào đã được phát đi và độ trễ của nó. Về cơ bản, đỉnh của đầu ra IFFT trong khoảng i tương ứng với chuỗi được dịch tuần hoàn thứ i và độ trễ được cho bởi vị trí của đỉnh trong khoảng. Việc thực thi miền tần số này thì hiệu quả về mặt tính toán và cho phép phát hiện ra nhiều thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên sử dụng các chuỗi dịch tuần hoàn khác nhau được tạo ra từ cùng một chuỗi Zadoff-Chu gốc; trong trường hợp có nhiều sự thử nghiệm thì sẽ chỉ có một đỉnh trong mỗi khoảng tương ứng.