LTE隨機(jī)接入過程總結(jié)歸納

隨機(jī)接入過程PRACHPRACH的類型表1：PRACH類型Preambleformat01234*

從表1可以看出，Preamble的類型一共有4種，而對于FDD系統(tǒng)之支持0、1、2、3這4類Preamble。對于Preambleformat0，在時間上占用一個完整的子幀；對于Preambleformat1和2，在時間上占用兩個完整的子幀；對于Preambleformat3，在時間上占用三個完整的子幀。在頻域上，Preambleformat0~3均占用一個PRB，即180KHZ的頻帶，區(qū)別是Preambleformat0~3的子載波間隔是1.25KHZ，并占用864個子載波，由于ZC序列的長度是839，因此Preambleformat0~3真正占用中間的839個子載波傳輸Preamble，而剩余的25個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對應(yīng)的小區(qū)半徑可參考如下：Preamble格式0：持續(xù)時間1ms，可支持半徑約14km；Preamble格式1：持續(xù)時間2ms，可支持半徑約77km；Preamble格式2：持續(xù)時間2ms，可支持半徑約29km；Preamble格式3：持續(xù)時間3ms，可支持半徑約107km；PRACH的時頻位置首先給出PRACH的時域位置，協(xié)議中由參數(shù)prach-ConfigIndex給出，每個prach-ConfigIndex給出了Preamble的類型、Systemframenumber(Even/Any)、Subframenumber。具體如表2所示：而對于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：randomaccessconfigurationforpreambleformats0~3PRACHConfigurationIndexPreamble

FormatSystemframenumberSubframenumberPRACHConfigurationIndexPreamble

FormatSystemframenumberSubframenumber00Even1322Even110Even4332Even420Even7342Even730Any1352Any140Any4362Any450Any7372Any760Any1,6382Any1,670Any2,7392Any2,780Any3,8402Any3,890Any1,4,7412Any1,4,7100Any2,5,8422Any2,5,8110Any3,6,9432Any3,6,9120Any0,2,4,6,8442Any0,2,4,6,8130Any1,3,5,7,9452Any1,3,5,7,9140Any0,1,2,3,4,5,6,7,8,946N/AN/AN/A150Even9472Even9161Even1483Even1171Even4493Even4181Even7503Even7191Any1513Any1201Any4523Any4211Any7533Any7221Any1,6543Any1,6231Any2,7553Any2,7241Any3,8563Any3,8251Any1,4,7573Any1,4,7261Any2,5,8583Any2,5,8271Any3,6,9593Any3,6,9281Any0,2,4,6,860N/AN/AN/A291Any1,3,5,7,961N/AN/AN/A30N/AN/AN/A62N/AN/AN/A311Even9633Even9Prach在協(xié)議中的配置（331協(xié)議）PRACHbasebandsignalgenerationPRACH的時域波形通過下面的公式生成：其中是Preamble序列。而TherootZadoff-Chusequence被定義為如下式：如上所述，對于Preambleformat0~3的序列長度為839，而對于u的取值請參看協(xié)議36.211的。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unrestrictedsets和restrictedsets，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。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：Preambleresourcegroup每個小區(qū)有64個可用的Preamble序列，UE會選擇其中一個在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，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MSG3size比較大（biggerthanthemessageSizeGroupA），并且路損小于一門限，則UE選擇GroupB的Preamble，否則選擇GroupA的Preamble。 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：初始建立無線連接。（即從RRC_IDLE態(tài)到RRC_CONNECTED，或進(jìn)行attach）RRC鏈接重建過程。（RRCCONNECTEDRe-establishmentprocedure）切換。（handover）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Preambleindex和PrachMaskIndex。RRC_CONNECTED態(tài)時，上行不同步，此時下行數(shù)據(jù)到來。RRC_CONNECTED態(tài)時，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。RRC_CONNECTED態(tài)時，需要timeadvance。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。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：UE發(fā)送Preamble，即MSG1UE要發(fā)送Preamble，需要：1）選擇PreambleIndex；2）選擇用于發(fā)送Preamble的Prach資源；3）確定RA-RNTI；4）確定目標(biāo)接收功率。確定PreambleIndexUE會根據(jù)Msg3size和路損綜合選擇用GroupA還是GroupB的Preambleindex，如果之前發(fā)生過接入失敗，則再次接入時應(yīng)選擇和第一次發(fā)送的Preamble相同的Group。對于非競爭接入，ENB通過RACH-ConfigDedicated中的ra-PreambleIndex字段或者DCIformat1A的PDCCH的PreambleIndex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PreambleIndex配置為0，則UE按照基于競爭的隨機(jī)接入，自我選擇PreambleIndex。PRACH資源選擇首先，prach-ConfigIndex確定了在一個無線幀內(nèi)，哪些個子幀可以用于sendPrach。而prachMaskIndex指定了此UE具體用哪個資源，對于prachMaskIndex可以參考表3：表3：PrachMaskIndex對于非競爭的隨機(jī)接入，ENB會通過RACH-ConfigDedicated中的ra-Prach-MaskIndex字段或者DCIformat1A的PDCCH的PrachMaskIndex字段來設(shè)置UE的MaskIndex，從而指名了UE使用哪些Prach資源。而對于非競爭隨機(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的時域資源。物理層的Prachtiming的機(jī)制對于Prach時域資源的選擇也會有影響，主要注意如下幾類：第一：如果UE在子幀n接收到RAR，但是沒有一個響應(yīng)與其發(fā)送的preamble對應(yīng)，則UE應(yīng)該在不遲于子幀n+5的時間內(nèi)重新發(fā)送Preamble。第二：如果UE在時間窗內(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的時間內(nèi)重新發(fā)送Preamble。第三：如果隨機(jī)接入是由PDCCH觸發(fā)的，則UE將在子幀n+k算起的第一個可用的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，則會選擇一定的子幀延遲發(fā)送新的Preamble，這個是否和物力層協(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，采用物理層的機(jī)制，而由MAC層觸發(fā)的時候采用MAC的機(jī)制。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)送的第一個子幀(0<=t_id<10)，而f_id表示頻域位置(f_id<6)。對于FDD，每個子幀只有一個頻域資源用來發(fā)送Preamble，因此f_id固定為0。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)參考信號測量出的路損，而PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER（具體請參看36.321協(xié)議）表示ENB接收Preamble時的期望到達(dá)功率。UE接收RARUE發(fā)送Preamble之后，將在RAR的時間窗內(nèi)監(jiān)聽攜帶RA-RNTI的PDCCH，以接收自己的RAR，如果在時間窗內(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的時間窗起始于n+3子幀，并持續(xù)ra-ResponseWindowSize個子幀。具體如圖4：圖4：RAR接收時間窗那么RAR中會攜帶什么呢，下面結(jié)合RAR的結(jié)構(gòu)詳細(xì)說明，如圖5，為MACRARPDU的完整結(jié)構(gòu)：圖5：MACRARPDU結(jié)構(gòu)從上圖可以看出，該MACPDU由一個MAC頭（MACheader）+0個或多個MACRAR（MACRandomAccessResponse）+可能存在的padding組成。從MACPDU的結(jié)構(gòu)可以看出，如果eNodeB同一時間內(nèi)檢測到來自多個UE的隨機(jī)接入請求，則使用一個MACPDU就可以對這些接入請求進(jìn)行響應(yīng)，每個隨機(jī)接入請求的響應(yīng)對應(yīng)一個MACRAR。如果多個UE在同一PRACH資源（時頻位置相同，使用同一RA-RNTI）發(fā)送preamble，則對應(yīng)的RAR復(fù)用在同一MACPDU中。MACPDU在DL-SCH上傳輸，并用以RA-RNTI加擾的PDCCH。前面已經(jīng)介紹過，使用相同時頻位置發(fā)送preamble的所有UE都監(jiān)聽相同的RA-RNTI指示的PDCCH。MACheader由一個或多個MACsubheader組成。除了BackoffIndicatorsubheader外，每個subheader對應(yīng)一個MACRAR。如果包含BackoffIndicatorsubheader，則該subheader只出現(xiàn)一次，且位于MACheader的第一個subheader處。BackoffIndicatorsubheader的結(jié)構(gòu)如圖6：圖6：BackoffIndicatorsubheaderBI（BackoffIndicator）指定了UE重發(fā)preamble前需要等待的時間范圍（取值范圍見36.321的7.2節(jié)）。如果UE在RAR時間窗內(nèi)沒有接收到RAR，或接收到的RAR中沒有一個preamble與自己的相符合，則認(rèn)為此次RAR接收失敗。此時UE需要等待一段時間后，再發(fā)起隨機(jī)接入。等待的時間為在0至BI指定的等待時間區(qū)間內(nèi)選取一個隨機(jī)值。（注：如果在步驟四中，沖突解決失敗，也會有這樣的后退機(jī)制）RARsubheader結(jié)構(gòu)如圖7：圖7：RARsubheaderRAPID為RandomAccessPreambleIDentifier的簡稱，為eNodeB在檢測preamble時得到的preambleindex。如果UE發(fā)現(xiàn)該值與自己發(fā)送preamble時使用的索引相同，則認(rèn)為成功接收到對應(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Timingadvancecommand用于指定UE上行同步所需要的時間調(diào)整量。具體可以參考36.213協(xié)議。20bitULgrant指定了分配給msg3的上行資源。當(dāng)有上行數(shù)據(jù)傳輸時，例如需要解決沖突，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preamble用于隨機(jī)接入，就可能導(dǎo)致多個UE同時選擇同一PRACH資源的同一個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是對哪個UE的響應(yīng)），這時需要一個沖突解決機(jī)制來解決這個問題。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)沒有收到RAR，或者有RAR但沒有屬于自己的RARPDU），UE需要將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1（如果此時PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER=preambleTransMax+1，則通知上層隨機(jī)接入失?。笤?~BI值之間隨機(jī)選擇一個backofftime，UE延遲backofftime后，再發(fā)起隨機(jī)接入。對于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，以提高發(fā)射成功的概率。UE發(fā)送MSG3基于非競爭的隨機(jī)接入，preamble是某個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的第一個可用的上行子幀發(fā)送msg3，而對于FDD系統(tǒng)k為6。需要注意的是，在RAR中ULgrant包含1bit的字段ULdelay，如果delay為0，則UE會在n+k發(fā)送msg3，如果為1，則UE會在n+k后的下一個子幀發(fā)送msg3。 msg3在UL-SCH上傳輸，使用HARQ，且RAR中帶的ULgrant指定的用于msg3的TB大小至少為80比特。msg3中需要包含一個重要信息：每個UE唯一的標(biāo)志。該標(biāo)志將用于步驟四的沖突解決。對于處于RRC_CONNECTED態(tài)的UE來說，其唯一標(biāo)志是C-RNTI。UE會通過C-RNTIMACcontrolelement將自己的C-RNTI告訴eNodeB，eNodeB在步驟四中使用這個C-RNTI來解決沖突。C-RNTIMACcontrolelement如圖10：圖10：C-RNTIMACcontrolelement對于非RRC_CONNECTED態(tài)的UE來說，將使用一個來自核心網(wǎng)的唯一的UE標(biāo)志（S-TMSI或一個隨機(jī)數(shù)）作為其標(biāo)志。此時eNodeB需要先與核心網(wǎng)通信，才能響應(yīng)msg3。對于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RRCConnectionRequest、handover相關(guān)等；另一類是用于沖突解決的，比如處于連接態(tài)時需要攜帶C-RNTI，而處于非連接態(tài)時需要攜帶S-TMSI或者一個由UE產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。注意：此時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，協(xié)議設(shè)計(jì)了一個定時器Mac-ContentionResolutionTimer，當(dāng)Mac-ContentionResolutionTimer超時并且還沒有收到MSG4時，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，此定時器需要復(fù)位并重啟。最后再總結(jié)一下MSG3可能會攜帶的東西，主要包括：C-RNTIMACControlElement、BSRMACControlElement、PHRMACControlElement、還有一些RRC消息等。沖突解決（ENB發(fā)送MSG4）關(guān)于這個問題，我認(rèn)為只要關(guān)注如下：如果在MSG3中攜帶了UE的C-RNTI，此時UE只要檢測到了用C-RNTI加擾的PDCCH，即可以認(rèn)為沖突解決。而對于MSG3中攜帶的是UE的一個標(biāo)識，此時UE需要檢測到UE?Contention?Resolution?IdentityMACControlElement，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TC-RNTI升級為C-RNTI。UE?Contention?Resolution?IdentityMACControlElement如圖11：圖11：UE?Contention?Resolution?IdentityMACControlElement如果沖突解決失敗，UE需要將PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1（如果此時PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER=preambleTransMax+1，則通知上層隨機(jī)接入失敗），之后在0~BI值之間隨機(jī)選擇一個backofftime，UE延遲backofftime后，再發(fā)起隨機(jī)接入。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）PDCCHorder觸發(fā)；2）MACsublayer觸發(fā)；3）上層觸發(fā)。由PDCCHorder發(fā)起的初始隨機(jī)接入