LTE學習筆記隨機接入過程、幀結(jié)構(gòu).doc

1、2014-3-4:重點了解的：（黃色為自己所批注）一、隨機接入過程：1.1 、 UE 可以通過隨機接入過程實現(xiàn)兩個基本功能：取得與eNB 之間的上行同步：申請上行資源。1.2 、隨機接入過程應用于以下6 種場景：從 RRC_IDLE 狀態(tài)初始接入，即RRC連接建立；無線鏈路失敗后初始隨機接入，即RRC連接重建；切換下行數(shù)據(jù)到達且UE 空口處于上行失步狀態(tài)；上行數(shù)據(jù)到達且UE 空口處于上行失步狀態(tài)，或者雖未失步但需要通過隨機接入申請上行資源；（ TA ，timing Advance輔助定位，網(wǎng)絡(luò)利用隨機接入獲取時間提前量）（），TA （ Timing Advance包含 6 位二進制， 數(shù)值為

2、0-63 ，單位為一個傳輸碼元，即 3.69 s 。最在時間提前量為63*3.68=233 s,相當電波傳輸 35KM 的往反時間。從這一點說，GSM系統(tǒng)的小區(qū)覆蓋最大半徑為35KM 。）1.3 、根據(jù) UE 發(fā)起 preamble 碼時是否存在碰撞的風險，隨機接入過程可分為競爭隨機接入和非競爭隨機接入。1、基于競爭模式的隨機接入：1、 RRC_IDLE 狀態(tài)下的初始接入；2、無線鏈路出錯以后的初始接入；3、RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當有上行數(shù)據(jù)傳輸時，例如在上行失步后“ non-synchronised”，或者沒有PUCCH 資源用于發(fā)送調(diào)度請求消息，也就是說在這個時候除了通過隨機接

3、入的方式外，沒有其它途徑告訴據(jù)到達且UE 空口處于上行失步狀態(tài)）eNB ， UE 存在上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送（上行數(shù)2、基于非競爭模式的隨機接入（preamble序列是預先知道的，無碰撞風險）：1、RRC_CONNECTED狀態(tài)下， 當下行有數(shù)據(jù)傳輸時，這時上行失步“ non-synchronised因為數(shù)據(jù)的傳輸除了接收外，還需要確認，如果上行失步的話，eNB 無法保證能夠收到”，UE的確認信息，因為這時下行還是同步的，因此可以通過下行消息告訴UE發(fā)起隨機接入需要使用的資源，比如前導序列以及發(fā)送時機等，因為這些資源都是雙方已知的，因此不需要通過競爭的方式接入系統(tǒng)（下行數(shù)據(jù)到達且UE空口處于上行失步

4、狀態(tài)；）2、切換過程中的隨機接入，在切換的過程中，目標eNB可以通過服務(wù)eNB來告訴UE它可以使用的資源；3、輔助定位，網(wǎng)絡(luò)利用隨機接入獲取時間提前量（TA，timing Advance）是否基于競爭在于在當時終端能否監(jiān)聽到eNB傳遞的下行控制信道，以便獲得特定的資源用于傳輸上行前導，當然這個判斷是由eNB作出的，而不是UE自己來決定的。1UE 發(fā)送隨機接入preamble隨機接入響應2(timing, UL resource allocation, .)3上行數(shù)據(jù)（調(diào)度的）傳輸4沖突解決UEE-NodeB圖 5.11隨機接入過程1.4 、基于競爭的隨機接入流程如上圖所示，主要分為四個步驟：(

5、1):前導序列傳輸(2):隨機接入響應(3): MSG3發(fā)送(RRC Connection Request).（非競爭接入的沒有）(4):沖突解決消息.（非競爭接入的沒有）所謂MSG3,其實就是第三條消息, 因為在隨機接入的過程中，這些消息的內(nèi)容不固定，有時候可能攜帶的是RRC 連接請求，有時候可能會帶一些控制消息甚至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，因此簡稱為MSG3.第一步 :隨機接入前導序列傳輸.LTE 中 , 每個小區(qū)有64 個隨機接入的前導序列, 分別被用于基于競爭的隨機接入(如初始接入 ) 和非競爭的隨機接入 (如切換時的接入 ). 其中 , 用于競爭的隨機接入的前導序列的數(shù)目個數(shù)為 numberofR

6、A-Preambles, 在 SIB2 系統(tǒng)消息中廣播。用于競爭的隨機前導序列, 又被分為GroupA 和 GroupB 兩組 .其中GroupA 的數(shù)目由參數(shù)preamblesGroupA 來決定 , 如果 GroupA 的數(shù)目和用于競爭的隨機前導序列的總數(shù)的數(shù)目相等 , 就意味著 GroupB 不存在 .GroupA 和 GroupBmessageSizeGroupA的主要區(qū)別在于將要在表示。在GroupBMSG3 中傳輸?shù)男畔⒌拇笮?, 由參數(shù)存在的情況下 , 如果所要傳輸?shù)男畔⒌拈L度(加上MAC頭部 , MAC控制單元等)大于messageSizeGroupA,并且UE能夠滿足發(fā)射功率

7、的條件下, UE就會選擇GroupB 中的前導序列.UE 通過選擇MSG3的大小GroupA 或者 GroupB 里面的前導序列. eNodeB可以據(jù)此分配相應的上行資源, 可以隱式地通知eNodeB, 從而避免了資源浪費.其將要傳輸?shù)膃NodeB 通過 preambleinitialReceivedTargetPower通知 UE 其所期待接收到的前導序列功率, UE根據(jù)此目標值和下行的路徑損耗, 通過開環(huán)功控來設(shè)置初始的前導序列發(fā)射功率.下行的路徑損耗, 可以通過RSRP (Reference SignalReceived Power) 的平均來得到.這樣可以使得eNodeB 接收到的前導

8、序列功率與路徑損耗基本無關(guān), 從而利于NodeB 探測出在相同的時間-頻率資源上發(fā)送的接入前導序列.發(fā)送了接入前導序列以后, UE 需要監(jiān)聽PDCCH 信道 ,是否存在ENODEB 回復的RAR 消息 ,(Random Access Response), RAR的時間窗是從UE 發(fā)送了前導序列的子幀+ 3 個子幀開始, 長度為Ra-ResponseWindowSize個子幀.如果在此時間內(nèi)沒有接收到回復給自己的RAR, 就認為此次接入失敗.如果初始接入過程失敗，但是還沒有達到最大嘗試次數(shù)preambleTransMax上次發(fā)射功率的基礎(chǔ)上, 功率提升powerRampingStep,來發(fā)送此次

9、前導,的機率 . 在 LTE 系統(tǒng)中 , 由于隨機前導序列一般與其他的上行傳輸是正交的，那么UE 可以在從而提高發(fā)送成功, 因此, 相對于WCDMA 系統(tǒng) , 初始前導序列的功率要求相對寬松一些, 初始前導序列成功的可能性也高一些 .步驟二 : 隨機接入響應(RAR).當 eNB 檢測到UE 發(fā)送的前導序列，就會在DL-SCH 上發(fā)送一個響應，包含：檢測到的前導序列的索引號、用于上行同步的時間調(diào)整信息、初始的上行資源分配(用于發(fā)送隨后的MSG3),以及一個臨時C-RNTI,此臨時的C-RNTI 將在步驟四(沖突解決)中決定是否轉(zhuǎn)換為永久的C-RNTI.UE 需要在PDCCH 上使用RA-RNT

10、I(Random Access RNTI來)監(jiān)聽RAR 消息 .RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id其中，t_id ，發(fā)送前導的PRACH 的第一個subframe索引號(0 = t_id 10)f_id ，在這個subframe里的PRACH 索引，也就是頻域位置索引，(0 = f-id =6),不過對于 FDD 系統(tǒng)來說，只有一個頻域位置，因此f_id 永遠為零.RA-RNTI 與 UE 發(fā)送前導序列的時頻位置一一對應.UE 和 eNodeB 可以分別計算出前導序列對應的RA-RNTI 值 .UE 監(jiān)聽PDCCH 信道以RA-RNTI 表征的RAR 消息 , 并解碼相應的

11、PDSCH信道 , 如果RAR 中前導序列索引與UE 自己發(fā)送的前導序列相同, 那么UE 就采用RAR 中的上行時間調(diào)整信息, 并啟動相應的沖突調(diào)整過程.在 RAR 消息中 , 還可能存在一個backoff 指示 , 指示了UE 重傳前導的等待時間范圍.如果UE 在規(guī)定的時間范圍以內(nèi), 沒有收到任何RAR 消息 , 或者RAR 消息中的前導序列索引與自己的不符, 則認為此次的前導接入失敗. UE需要推遲一段時間, 才能進行下一次的前導接入 . 推遲的時間范圍, 就由backoff indictor來指示 , UE 可以在0 到 BackoffIndicator之間隨機取值.這樣的設(shè)計可以減少U

12、E 在相同時間再次發(fā)送前導序列的幾率.步驟三 : MSG3發(fā)送(RRC Connection Request).UE 接收到RAR 消息 , 獲得上行的時間同步和上行資源. 但此時并不能確定RAR 消息是發(fā)送給 UE 自己而不是發(fā)送給其他的UE 的 . 由于 UE 的前導序列是從公共資源中隨機選取的, 因此 , 存在著不同的UE 在相同的時間-頻率資源上發(fā)送相同的接入前導序列的可能性, 這樣 ,他們就會通過相同的RA-RNTI 接收到同樣的RAR.而且 , UE 也無從知道是否有其他的UE 在使用相同的資源進行隨機接入. 為此UE 需要通過隨后的MSG3 和 MSG4 消息 , 來解決這樣的隨

13、機接入沖突.MSG3 是第一條基于上行調(diào)度,通過 HARQ (Hybrid Automatic Repeat request),在 PUSCH 上傳輸?shù)南? 其最大重傳次數(shù)由maxHARQ-Msg3TX定義 . 在初始的隨機接入中, MSG3 中傳輸?shù)氖?RRCConnectionRequest.如果不同的UE 接收到相同的RAR 消息 , 那么他們就會獲得相同的上行資源, 同時發(fā)送Msg3 消息 , 為了區(qū)分不同的UE, 在 MSG3 中會攜帶一個UE 特定的ID,用于區(qū)分不同的UE.在初始接入的情況下, 這個ID 可以是UE 的 S-TMSI( 如果存在的話)或者隨機生成的一個40 位的

14、值 (可以認為, 不同 UE 隨機生成相同的40位值的可能性非常小).例如：與隨機接入的觸發(fā)事件對應起來，1、如果是初次接入（initial accessmsg3 攜帶的信息如下：），msg3 為在CCCH 上傳輸?shù)腞RC Connection Request，且至少需要攜帶NAS UE標志信息。2、如果是RRC連接重建 （RRCConnection Re-establishment），msg3為CCCH上傳輸?shù)腞RCConnection Re-establishment Request，且不攜帶任何NAS消息。3、如果是切換（handover），msg3為在DCCH上傳輸?shù)慕?jīng)過加密和完整性保

15、護的RRCHandover Confirm，必須包含UE的C-RNTI，且如果可能的話，需要攜帶BSR 。4、對于其它觸發(fā)事件，則至少需要攜帶C-RNTI。C-RNT ：I RRC 連接臨時標識；小區(qū)內(nèi)唯一；由RNC 分配；由MAC 層使用BSR ：是為了讓eNB 知道自己的緩存狀態(tài)，eNB 將此作為自己給該UE 分配資源的參考NAS ：非接入層信令UE 在發(fā)完MSg3 消息后就要立刻啟動競爭消除定時器mac-ContentionResolutionTimer（而隨后每一次重傳消息3 都要重啟這個定時器）, UE需要在此時間內(nèi)監(jiān)聽eNodeB返回給自己的沖突解決消息。步驟四 : 沖突解決消息.

16、如果在mac-ContentionResolutionTimer時間內(nèi) , UE 接收到eNodeB 返回的ContentionResolution消息 , 并且其中攜帶的UE ID 與自己在Msg3 中上報給eNodeB 的相符 ,那么臨時UE 就認為自己贏得了此次的隨機接入沖突C-RNTI 置為自己的C-RNTI., 隨機接入成功.并將在RAR消息中得到的否則的話, UE 認為此次接入失敗, 并按照上面所述的規(guī)則進行隨機接入的重傳過程.值得注意的是, 沖突解決消息失去沖突或無法解碼Msg4的MSG4,也是基于HARQUE 不發(fā)送任何反饋消息的 .只有贏得沖突的UE才發(fā)送ACK值,二、 LT

17、E 幀結(jié)構(gòu)1、在空中接口上， LTE 系統(tǒng)定義了無線偵來進行信號的傳輸，1 個無線幀的長度為10ms 。LTE 支持兩種幀結(jié)構(gòu)FDD 和 TDD 。在 FDD 幀結(jié)構(gòu)中，一個長度為幀由兩個長度為0.5ms 的時隙構(gòu)成。10ms的無線幀由10 個長度為1ms的子幀構(gòu)成，每個子在 TDD 幀結(jié)構(gòu)中，一個長度為10ms 的無線幀由2 個長度為5ms 的半幀構(gòu)成，每個半幀由 5 個長度為1ms 的子幀構(gòu)成，其中包括4 個普通子幀和1 個特殊子幀。普通子幀由兩個0.5ms 的時隙組成，而特殊子幀由3 個特殊時隙（DwPTS 、 GP 和 UpPTS ）組成。作為系統(tǒng)的一個特點，時間資源在上下行方向上進行

18、分配，幀結(jié)構(gòu)支持7 種不同的上下行時間比例分配（配置業(yè)務(wù)。這7 種配置中包括4 種06 ），可以根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的特性進行配置，支持非對稱5ms 周期和3 種 10ms 周期?！?D代”表此子幀用于下行傳輸，“ U” 代表此子幀用于上行傳輸，“ S”是由 DwPTS 、 GP和 UpPTS 組成的特殊子幀。特殊子幀中DwPTS 和 UpPTS 的長度是可配置的，滿足DwPTS 、 GP 和 UpPTS 總長度為 1ms。圖 1-1圖 1-2例：規(guī)范要求幀結(jié)構(gòu)上行/ 下行配置為1 ，則查圖1-1 可知TDD-LTE 無線幀結(jié)構(gòu)為（ DSUUDDSUUD ） .已知常規(guī)長度C P，特殊子幀配置7,

19、則查圖1-2 可知DwPTS:GP:UpPTS=10:2:2.對于5ms 的上下行切換周期，每個半幀都有DwPTS ，只在第和子幀2 用作上行，子幀子幀0、5 、DwPTS 一定走下行。1 個半幀內(nèi)有GP 和 UpPTS ，第和 9 用作下行。2對于10ms 上下行切換周期，個半幀的DwPTS 長度為1ms。2. FDD( 頻分雙工 )與 TDD （時分雙工）區(qū)別FDD道。 FDD是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送，必須采用成對的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，用保護頻段來分離接收和發(fā)送信其單方向的資源在時間上是連續(xù)的。 FDD 在支持對稱業(yè)務(wù)時，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱

20、業(yè)務(wù)時，頻譜利用率將大大降低。TDD 用時間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD 方式的移動通信系統(tǒng)中, 接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載, 其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的，時間資源在兩個方向上進行了分配。某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺，另外的時間由移動臺發(fā)送信號給基站，基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。圖 2-1由上圖2-1 觀察得出頻分雙工技術(shù)在上下行使用對稱的頻率區(qū)分，時域上上下行可以同時傳輸，即可以同時進行收發(fā)。時分雙工在頻域上進行了復用，節(jié)約了頻域資源，但是上下行使用不同的時間來區(qū)別，故不能同時進行收發(fā)。3、TDD 雙工方式的工作特點使TDD 具有如下優(yōu)勢：（

21、 1 ）能夠靈活配置頻率，使用FDD 系統(tǒng)不易使用的零散頻段；（ 2）可以通過調(diào)整上下行時隙轉(zhuǎn)換點，提高下行時隙比例，能夠很好的支持非對稱業(yè)務(wù)；（ 3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低了設(shè)備成本；（ 4）接收上下行數(shù)據(jù)時，不需要收發(fā)隔離器，只需要一個開關(guān)即可，降低了設(shè)備的復雜度；（ 5）具有上下行信道互惠性，能夠更好的采用傳輸預處理技術(shù)，如預RAKE 技術(shù)、聯(lián)合傳輸 (JT) 技術(shù)、智能天線技術(shù)等, 能有效地降低移動終端的處理復雜性。但是， TDD 雙工方式相較于FDD ，也存在明顯的不足：（ 1 ）由于TDD 方式的時間資源分別分給了上行和下行，因此TDD 方式的發(fā)射時間大約只有FDD 的一半，如果TDD 要發(fā)送和FDD 同樣多的數(shù)據(jù)，就要增大TDD 的發(fā)送功率；（ 2） TDD 系統(tǒng)上行受限，因此TDD 基站的覆蓋范圍明顯小于FDD 基站；（ 3） TDD 系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進行干擾隔離，系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間存在干擾；（ 4）為了避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD 需要預