LTE隨機(jī)接入過程總結(jié)(完美)

1、隨機(jī)接入過程一. PRACH1. PRACH的類型表1：PRACH類型Preamble format01234*從表1可以看出，Preamble的類型一共有4種，而對(duì)于FDD系統(tǒng)之支持0、1、2、3這4類Preamble。對(duì)于Preamble format 0，在時(shí)間上占用一個(gè)完整的子幀；對(duì)于Preamble format 1和2，在時(shí)間上占用兩個(gè)完整的子幀；對(duì)于Preamble format 3，在時(shí)間上占用三個(gè)完整的子幀。在頻域上，Preamble format 03均占用一個(gè)PRB，即180KHZ的頻帶，區(qū)別是Preamble format 03的子載波間隔是1.25KHZ，并占用864

2、個(gè)子載波，由于ZC序列的長度是839，因此Preamble format 03真正占用中間的839個(gè)子載波傳輸Preamble，而剩余的25個(gè)子載波作為兩邊的保護(hù)帶寬。不同類型的Preamble有長度不一樣的CP和保護(hù)間隔，小區(qū)的覆蓋范圍和保護(hù)間隔GT有關(guān)，具體可參考如下公式：R = GT * C / 2其中，R為小區(qū)半徑、GT為保護(hù)間隔、C表示光速。至于不同類型的Preamble對(duì)應(yīng)的小區(qū)半徑可參考如下：Preamble格式0：持續(xù)時(shí)間1ms，可支持半徑約14km；Preamble格式1：持續(xù)時(shí)間2ms，可支持半徑約77km；Preamble格式2：持續(xù)時(shí)間2ms，可支持半徑約29km；Pr

3、eamble格式3：持續(xù)時(shí)間3ms，可支持半徑約107km；2. PRACH的時(shí)頻位置首先給出PRACH的時(shí)域位置，協(xié)議中由參數(shù)prach-ConfigIndex給出，每個(gè)prach-ConfigIndex給出了Preamble的類型、System frame number(Even/Any)、Subframe number。具體如表2所示：而對(duì)于PRACH的頻域位置，協(xié)議中由參數(shù)確定，它的取值范圍是。表2：random access configuration for preamble formats 03PRACH ConfigurationIndexPreambleFormatSyste

4、m frame numberSubframe numberPRACH ConfigurationIndexPreambleFormatSystem frame numberSubframe number00Even1322Even110Even4332Even420Even7342Even730Any1352Any140Any4362Any450Any7372Any760Any1, 6382Any1, 670Any2 ,7392Any2 ,780Any3, 8402Any3, 890Any1, 4, 7412Any1, 4, 7100Any2, 5, 8422Any2, 5, 8110Any3

5、, 6, 9432Any3, 6, 9120Any0, 2, 4, 6, 8442Any0, 2, 4, 6, 8130Any1, 3, 5, 7, 9452Any1, 3, 5, 7, 9140Any0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 946N/AN/AN/A150Even9472Even9161Even1483Even1171Even4493Even4181Even7503Even7191Any1513Any1201Any4523Any4211Any7533Any7221Any1, 6543Any1, 6231Any2 ,7553Any2 ,7241Any3, 8563A

6、ny3, 8251Any1, 4, 7573Any1, 4, 7261Any2, 5, 8583Any2, 5, 8271Any3, 6, 9593Any3, 6, 9281Any0, 2, 4, 6, 860N/AN/AN/A291Any1, 3, 5, 7, 961N/AN/AN/A30N/AN/AN/A62N/AN/AN/A311Even9633Even93. Prach在協(xié)議中的配置（331協(xié)議）4. PRACH baseband signal generation PRACH的時(shí)域波形通過下面的公式生成：其中是Preamble序列。而The root Zadoff-Chu seque

7、nce 被定義為如下式：如上所述，對(duì)于Preamble format 03的序列長度為839，而對(duì)于u的取值請(qǐng)參看協(xié)議36.211的Table 5.7.2-4。實(shí)際上是通過做循環(huán)移位生成的，如下式：而的計(jì)算方式如下式： 從中可以看出，涉及到unrestricted sets和restricted sets，這是由協(xié)議中的High-Speed-flag確定的，而參數(shù)是由協(xié)議參數(shù)zeroCorrelationZoneConfig和High-Speed-flag共同確定的，具體可參考協(xié)議36.211 Table5.7.2-2。還有一些其它參數(shù)，按照下述的一些公式計(jì)算：當(dāng)，則：當(dāng)，則：5. Pream

8、ble resource group每個(gè)小區(qū)有64個(gè)可用的Preamble序列，UE會(huì)選擇其中一個(gè)在PRACH上傳輸。這些序列可以分成兩部分，一部分用于基于競爭的隨機(jī)接入，另一部分用于基于非競爭的隨機(jī)接入。用于基于競爭的隨機(jī)接入的Preamble又分為GroupA和GroupB，這些都是由SIB2中的Rach-ConfigCommon中下發(fā)的。具體可參考圖1：圖1：Preamble分類分組GroupA和GroupB的原因是為了增加一定的先驗(yàn)知識(shí)，從而方便ENB在RAR中給MSG3分配適當(dāng)?shù)纳闲匈Y源。如果UE認(rèn)為自己的MSG3 size比較大（bigger than the messageSiz

9、eGroupA），并且路損小于一門限，則UE選擇GroupB的Preamble，否則選擇GroupA的Preamble。二. 隨機(jī)接入觸發(fā)的原因觸發(fā)隨機(jī)接入的事件主要有如下6類：1 初始建立無線連接。（即從RRC_IDLE態(tài)到RRC_CONNECTED，或進(jìn)行attach）2 RRC鏈接重建過程。（RRC CONNECTED Re-establishment procedure）3 切換。（hand over）注意：切換有可能是非競爭或者競爭隨機(jī)接入，要看RRC_Reconfiguration消息里是否攜帶了Preamble index和Prach MaskIndex。4 RRC_CONNEC

10、TED態(tài)時(shí)，上行不同步，此時(shí)下行數(shù)據(jù)到來。5 RRC_CONNECTED態(tài)時(shí)，上行數(shù)據(jù)到達(dá)，但上行不同步或者在PUCCH上沒有可用的SR資源。6 RRC_CONNECTED態(tài)時(shí)，需要time advance。隨機(jī)接入又分為基于競爭的和基于非競爭的，基于競爭的應(yīng)用于上述的前5類事件，而基于非競爭的用于第3、4、6類事件。三. 隨機(jī)接入過程 首先給出基于競爭的隨機(jī)接入和非競爭隨機(jī)接入的基本流程，如下圖2圖3：圖2：基于競爭隨機(jī)接入圖3：基于非競爭的隨機(jī)接入下面詳述隨機(jī)接入的過程：1 UE發(fā)送Preamble，即MSG1UE要發(fā)送Preamble，需要：1）選擇Preamble Index；2）選擇

11、用于發(fā)送Preamble的Prach資源；3）確定RA-RNTI；4）確定目標(biāo)接收功率。1） 確定Preamble Index UE會(huì)根據(jù)Msg3 size和路損綜合選擇用GroupA還是GroupB的Preamble index，如果之前發(fā)生過接入失敗，則再次接入時(shí)應(yīng)選擇和第一次發(fā)送的Preamble相同的Group。對(duì)于非競爭接入，ENB通過RACH-ConfigDedicated中的ra-PreambleIndex字段或者DCI format 1A的PDCCH的Preamble Index字段來設(shè)置UE所使用的Preamble。需要說明的是，在某些基于非競爭的隨機(jī)接入中，如果ENB將Pr

12、eamble Index配置為0，則UE按照基于競爭的隨機(jī)接入，自我選擇Preamble Index。2） PRACH資源選擇首先，prach-ConfigIndex確定了在一個(gè)無線幀內(nèi)，哪些個(gè)子幀可以用于send Prach。而prach Mask Index指定了此UE具體用哪個(gè)資源，對(duì)于prach Mask Index 可以參考表3：表3：Prach Mask Index對(duì)于非競爭的隨機(jī)接入，ENB會(huì)通過RACH-ConfigDedicated中的ra-Prach-MaskIndex字段或者DCI format 1A的PDCCH的Prach Mask Index字段來設(shè)置UE的MaskI

13、ndex，從而指名了UE使用哪些Prach資源。而對(duì)于非競爭隨機(jī)接入如何選擇Prach的資源，協(xié)議中沒有明確指出。另外，還需要注意，如果非競爭的隨機(jī)接入配置MaskIndex為0，則UE可以任意選擇Prach的時(shí)域資源。物理層的Prach timing的機(jī)制對(duì)于Prach時(shí)域資源的選擇也會(huì)有影響，主要注意如下幾類：第一：如果UE在子幀n接收到RAR，但是沒有一個(gè)響應(yīng)與其發(fā)送的preamble對(duì)應(yīng)，則UE應(yīng)該在不遲于子幀n+5的時(shí)間內(nèi)重新發(fā)送Preamble。第二：如果UE在時(shí)間窗內(nèi)沒有檢測到屬于自己的RAR，則UE應(yīng)該在不遲于子幀n+4的時(shí)間內(nèi)重新發(fā)送Preamble。第三：如果隨機(jī)接入是由P

14、DCCH觸發(fā)的，則UE將在子幀n+k算起的第一個(gè)可用的PRACH子幀發(fā)送Preamble，其中k>=2。而在Mac層協(xié)議中，如果UE沒有收到RAR，則會(huì)選擇一定的子幀延遲發(fā)送新的Preamble，這個(gè)是否和物力層協(xié)議中相矛盾呢？此問題和朋朋交流后，認(rèn)為由高層觸發(fā)時(shí)，采用物理層的機(jī)制，而由MAC層觸發(fā)的時(shí)候采用MAC的機(jī)制。3） 確定RA-RNTIRA-RNTI的計(jì)算方式如下式：RA-RNTI= 1 + t_id+10*f_id其中，t_id表示preamble發(fā)送的第一個(gè)子幀(0<=t_id<10)，而f_id表示頻域位置(f_id<6)。對(duì)于FDD，每個(gè)子幀只有一個(gè)頻

15、域資源用來發(fā)送Preamble，因此f_id固定為0。4） Prach發(fā)射功率的確定上面的公式取定了Prach的發(fā)射功率，為UE在子幀i上允許的最大發(fā)射功率，而則是UE通過小區(qū)參考信號(hào)測量出的路損，而PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER（具體請(qǐng)參看36.321協(xié)議）表示ENB接收Preamble時(shí)的期望到達(dá)功率。2 UE接收RARUE發(fā)送Preamble之后，將在RAR的時(shí)間窗內(nèi)監(jiān)聽攜帶RA-RNTI的PDCCH，以接收自己的RAR，如果在時(shí)間窗內(nèi)沒有檢測到屬于自己的RAR，則認(rèn)為此次隨機(jī)接入失敗。RAR的時(shí)間窗起始于n+3子幀，并持續(xù)ra-ResponseWindow

16、Size個(gè)子幀。具體如圖4：圖4：RAR接收時(shí)間窗那么RAR中會(huì)攜帶什么呢，下面結(jié)合RAR的結(jié)構(gòu)詳細(xì)說明，如圖5，為MAC RAR PDU的完整結(jié)構(gòu)：圖5：MAC RAR PDU結(jié)構(gòu)從上圖可以看出，該MAC PDU由一個(gè)MAC 頭（MAC header）+ 0個(gè)或多個(gè)MAC RAR（MAC Random Access Response）+ 可能存在的padding組成。從MAC PDU的結(jié)構(gòu)可以看出，如果eNodeB同一時(shí)間內(nèi)檢測到來自多個(gè)UE的隨機(jī)接入請(qǐng)求，則使用一個(gè)MAC PDU就可以對(duì)這些接入請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，每個(gè)隨機(jī)接入請(qǐng)求的響應(yīng)對(duì)應(yīng)一個(gè)MAC RAR。如果多個(gè)UE在同一PRACH資源（時(shí)

17、頻位置相同，使用同一RA-RNTI）發(fā)送preamble，則對(duì)應(yīng)的RAR復(fù)用在同一MAC PDU中。MAC PDU在DL-SCH上傳輸，并用以RA-RNTI加擾的PDCCH。前面已經(jīng)介紹過，使用相同時(shí)頻位置發(fā)送preamble的所有UE都監(jiān)聽相同的RA-RNTI指示的PDCCH。MAC header由一個(gè)或多個(gè)MAC subheader組成。除了Backoff Indicator subheader外，每個(gè)subheader對(duì)應(yīng)一個(gè)MAC RAR。如果包含Backoff Indicator subheader，則該subheader只出現(xiàn)一次，且位于MAC header的第一個(gè)subheade

18、r處。Backoff Indicator subheader的結(jié)構(gòu)如圖6：圖6：Backoff Indicator subheaderBI（Backoff Indicator）指定了UE重發(fā)preamble前需要等待的時(shí)間范圍（取值范圍見36.321的7.2節(jié)）。如果UE在RAR時(shí)間窗內(nèi)沒有接收到RAR，或接收到的RAR中沒有一個(gè)preamble與自己的相符合，則認(rèn)為此次RAR接收失敗。此時(shí)UE需要等待一段時(shí)間后，再發(fā)起隨機(jī)接入。等待的時(shí)間為在0至BI指定的等待時(shí)間區(qū)間內(nèi)選取一個(gè)隨機(jī)值。（注：如果在步驟四中，沖突解決失敗，也會(huì)有這樣的后退機(jī)制）RAR subheader結(jié)構(gòu)如圖7：圖7：RAR

19、 subheaderRAPID為Random Access Preamble IDentifier的簡稱，為eNodeB在檢測preamble時(shí)得到的preamble index。如果UE發(fā)現(xiàn)該值與自己發(fā)送preamble時(shí)使用的索引相同，則認(rèn)為成功接收到對(duì)應(yīng)的RAR。RAR的結(jié)構(gòu)如圖8：圖8：RARTC-RNTI用于UE和eNodeB的后續(xù)傳輸。沖突解決后，該值可能變成C-RNIT。11-bit的Timing advance command用于指定UE上行同步所需要的時(shí)間調(diào)整量。具體可以參考36.213協(xié)議。20bit UL grant指定了分配給msg3的上行資源。當(dāng)有上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，例如

20、需要解決沖突，eNodeB在RAR中分配的grant不能小于56bit。Gant的結(jié)構(gòu)如圖9：圖9：Grant結(jié)構(gòu)UE隨機(jī)選擇一個(gè)preamble用于隨機(jī)接入，就可能導(dǎo)致多個(gè)UE同時(shí)選擇同一PRACH資源的同一個(gè)preamble，從而導(dǎo)致沖突的出現(xiàn)（使用相同的RA-RNTI和preamble，因此還不確定RAR是對(duì)哪個(gè)UE的響應(yīng)），這時(shí)需要一個(gè)沖突解決機(jī)制來解決這個(gè)問題。沖突的存在也是RAR不使用HARQ的原因之一。 如果UE使用專用的preamble用于隨機(jī)接入，則不會(huì)有沖突，也就不需要后續(xù)的沖突解決處理，隨機(jī)接入過程也就到此結(jié)束了。（基于非競爭的隨機(jī)接入） 如果接入過程失?。丛赗AR窗內(nèi)

21、沒有收到RAR，或者有RAR但沒有屬于自己的RAR PDU），UE需要將PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER加1（如果此時(shí)PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER = preambleTransMax + 1，則通知上層隨機(jī)接入失敗），之后在0BI值之間隨機(jī)選擇一個(gè)backoff time，UE延遲backoff time后，再發(fā)起隨機(jī)接入。對(duì)于Preamble的發(fā)射功率而言，如果沒有達(dá)到最大的隨機(jī)接入嘗試次數(shù)preambleTransMax， 則UE將在上次發(fā)射功率的基礎(chǔ)上，提升功率powerRampingStep來發(fā)送下次preamble，以提高

22、發(fā)射成功的概率。3 UE發(fā)送MSG3基于非競爭的隨機(jī)接入，preamble是某個(gè)UE專用的，所以不存在沖突，又因?yàn)樵揢E已經(jīng)擁有在接入小區(qū)內(nèi)的唯一標(biāo)志C-RNTI，所以也不需要eNodeB給它分配C-RNTI。因此，只有基于競爭的隨機(jī)接入才需要步驟三和步驟四。之所以稱為msg3而不是某一條具體消息的原因在于，根據(jù)UE狀態(tài)的不同和應(yīng)用場景的不同，這條消息也可能不同，因此統(tǒng)稱為msg3，即第3條消息。如果UE在子幀n成功地接收了自己的RAR，則UE應(yīng)該在n+k的第一個(gè)可用的上行子幀發(fā)送msg3，而對(duì)于FDD系統(tǒng)k為6。需要注意的是，在RAR中UL grant包含1bit的字段UL delay，如果

23、delay為0，則UE會(huì)在n+k發(fā)送msg3，如果為1，則UE會(huì)在n+k后的下一個(gè)子幀發(fā)送msg3。msg3在UL-SCH上傳輸，使用HARQ，且RAR中帶的UL grant指定的用于msg3的TB大小至少為80比特。msg3中需要包含一個(gè)重要信息：每個(gè)UE唯一的標(biāo)志。該標(biāo)志將用于步驟四的沖突解決。對(duì)于處于RRC_CONNECTED態(tài)的UE來說，其唯一標(biāo)志是C-RNTI。UE會(huì)通過C-RNTI MAC control element將自己的C-RNTI告訴eNodeB，eNodeB在步驟四中使用這個(gè)C-RNTI來解決沖突。C-RNTI MAC control element如圖10：圖10：C

24、-RNTI MAC control element對(duì)于非RRC_CONNECTED態(tài)的UE來說，將使用一個(gè)來自核心網(wǎng)的唯一的UE標(biāo)志（S-TMSI或一個(gè)隨機(jī)數(shù)）作為其標(biāo)志。此時(shí)eNodeB需要先與核心網(wǎng)通信，才能響應(yīng)msg3。對(duì)于msg能攜帶的消息主要有兩類，一類主要是UE要帶給ENB或者EPC端的一些信令，如RRC ConnectionRequest、handover相關(guān)等；另一類是用于沖突解決的，比如處于連接態(tài)時(shí)需要攜帶C-RNTI，而處于非連接態(tài)時(shí)需要攜帶S-TMSI或者一個(gè)由UE產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。注意：此時(shí)ENB要用TC-RNTI加擾的PDCCH調(diào)度UE。最后，需要注意的是，在MSG3階段

25、，協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)定時(shí)器Mac-ContentionResolutionTimer，當(dāng)Mac-ContentionResolutionTimer超時(shí)并且還沒有收到MSG4時(shí)，則認(rèn)為本次隨機(jī)接入失敗，并擇機(jī)重新發(fā)送Preamble，而當(dāng)MSG3出現(xiàn)HARQ重傳時(shí)，此定時(shí)器需要復(fù)位并重啟。最后再總結(jié)一下MSG3可能會(huì)攜帶的東西，主要包括：C-RNTI MAC Control Element、BSR MAC Control Element、PHR MAC Control Element、還有一些RRC消息等。4 沖突解決（ENB發(fā)送MSG4）關(guān)于這個(gè)問題，我認(rèn)為只要關(guān)注如下：如果在MSG3中攜帶了UE

26、的C-RNTI，此時(shí)UE只要檢測到了用C-RNTI加擾的PDCCH，即可以認(rèn)為沖突解決。而對(duì)于MSG3中攜帶的是UE的一個(gè)標(biāo)識(shí)，此時(shí)UE需要檢測到UE Contention Resolution Identity MAC Control Element，并且里面攜帶的信息要和MSG3中的一下才可以認(rèn)為沖突解決，此時(shí)TC-RNTI升級(jí)為C-RNTI。UE Contention Resolution Identity MAC Control Element如圖11：圖11：UE Contention Resolutio

27、n Identity MAC Control Element如果沖突解決失敗，UE需要將PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER加1（如果此時(shí)PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER = preambleTransMax + 1，則通知上層隨機(jī)接入失敗），之后在0BI值之間隨機(jī)選擇一個(gè)backoff time，UE延遲backoff time后，再發(fā)起隨機(jī)接入。四. 各種可以觸發(fā)隨機(jī)接入事件的信令流程 觸發(fā)隨機(jī)接入過程的事件有6種，見之前介紹。 觸發(fā)隨機(jī)接入過程的方式有3種：1）PDCCH order觸發(fā)；2）MAC sublayer觸發(fā)；3）上層觸發(fā)。