LTE 初始随机接入过程1

LTE 初始随机接入过程.

UE 选择合适的小区进行驻留以后, 就可以发起初始的随机接入过程了.

LTE 中, 随机接入是一个基本的功能, UE 只有通过随机接入过程, 与系统的上行同步以后, 才能够被系统调度来进行上行的传输.LTE 中的随机接入分为基于竞争的随机接入和无竞争的随机接入两种形式.

初始的随机接入过程, 是一种基于竞争的接入过程, 可以分为四个步骤, 如下图所示:

(1): MSG1：Random Access Preamble

(2): MSG2：Random Access Response

(3): MSG3 发送 (RRC Connection Request)

(4): 冲突解决消息

.

所谓MSG3, 其实就是第三条消息, 因为在随机接入的过程中，这些消息的内容不固定，有时候可能携带的是RRC 连接请求，有时候可能会带一些控制消息甚至业务数据包，因此简称为MSG3.

第一步:随机接入前导序列传输.

LTE 中, 每个小区有64个随机接入的前导序列（Preamble ）, 分别被用于基于竞争的随机接入 (如初始接入) 和非竞争的随机接入(如切换时的接入). 其中, 用于竞争的随机接入的

前导序列的数目个数为numberofRA-Preambles , 在SIB2系统消息中广播

.

sib2 :

{

radioResourceConfigCommon

{

rach-ConfigCommon

{

preambleInfo

{

numberOfRA-Preambles n52

},

powerRampingParameters

{

powerRampingStep dB4,

preambleInitialReceivedTargetPower dBm-104

},

ra-SupervisionInfo

{

preambleTransMax n10,

ra-ResponseWindowSize sf10,

mac-ContentionResolutionTimer sf48

},

maxHARQ-Msg3Tx 4

用于竞争的随机前导序列, 又被分为GroupA 和GroupB 两组. 其中GroupA 的数目由参数preamblesGroupA 来决定, 如果GroupA 的数目和用于竞争的随机前导序列的总数的数目相等, 就意味着GroupB 不存在.

GroupA 和GroupB 的主要区别在于将要在MSG3中传输的信息的大小, 由参数messageSizeGroupA 表示。在GroupB 存在的情况下, 如果所要传输的信息的长度(加上MAC 头部, MAC控制单元等) 大于 messageSizeGroupA , 并且UE 能够满足发射功率的条件下, UE 就会选择GroupB 中的前导序列.

所谓 UE 满足发射功率指的是:

UE 的路损> PCMAX – preambleInitialReceivedTargetPower – deltaPreambleMsg3 – messagePowerOffsetGroupB

UE 通过选择GroupA 或者GroupB 里面的前导序列, 可以隐式地通知eNodeB 其将要传输的MSG3 的大小. eNodeB可以据此分配相应的上行资源, 从而避免了资源浪费.

eNodeB 通过preambleinitialReceivedTargetPower 通知UE 其 所期待接收到的前导序列功率, UE 根据此目标值和下行的路径损耗, 通过开环功控来设置初始的前导序列发射功率。下行的路径损耗, 可以通过RSRP (Reference Signal Received Power)的平均来得到。 这样可以使得eNodeB 接收到的前导序列功率与路径损耗基本无关, 从而利于NodeB 探测出在相同的时间-频率资源上发送的接入前导序列.

发送了接入前导序列以后, UE 需要监听PDCCH 信道, 是否存在ENODEB 回复的RAR 消息, (Random Access Response), RAR 的时间窗是从UE 发送了前导序列的子帧 + 3个子帧开始, 长度为Ra-ResponseWindowSize 个子帧. 如果在此时间内没有接收到回复给自己的RAR , 就认为此次接入失败。

如果初始接入过程失败，但是还没有达到最大尝试次数preambleTransMax ，那么UE 可以在上次发射功率的基础上, 功率提升powerRampingStep , 来发送此次前导, 从而提高发送成功的机率. 在LTE 系统中, 由于随机前导序列一般与其他的上行传输是正交的, 因此, 相对于WCDMA 系统, 初始前导序列的功率要求相对宽松一些, 初始前导序列成功的可能性也高一些。

步骤二: 随机接入响应 (RAR).

当eNB 检测到UE 发送的前导序列，就会在PDSCH 上发送一个响应，包含：检测到的前导序列的索引号、用于上行同步的时间调整信息、初始的上行资源分配(用于发送随后的

MSG3), 以及一个临时C-RNTI , 此临时的C-RNTI 将在步骤四(冲突解决) 中决定是否转换为永久的C-RNTI.

（RA-RNTI 是随机接入的时候UE 通过PRACH 时频域资源算出来的，流程大概是：

1、网络侧会给定可用的PRACH 信道的时频域资源

2、UE 从网络侧给定的PRACH 信道挑一个出来发送PREAMBLE ，这个给定的PRACH 信道的time domain 是由子帧号（0-9）和一个完整帧内第几个PRACH 信道号（0-5,TDD 规定一个帧下最多有6个PRACH 信道），RA-RNTI 就是由UE 使用的PRACH 信道所在的子帧号和PRACH 信道号算出来的。RA-RNTI=1+子帧号+10*PRACH信道号。具体计算方法在协议36.211中随机接入中描述很清楚。只需要查相应表格就可以计算出来RA-RNTI 。

其中该PRACH 信道资源在：

非竞争随机接入中由网络侧给定，UE 高层会指示物理层使用指定的PRACH 信道资源 竞争随机接入由UE 物理层在可选PRACH 信道资源中随机选取）

UE 需要在PDCCH 上使用RA-RNTI (Random Access RNTI)来监听RAR 消息.

RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id

其中，

t_id， 发送前导的PRACH 的第一个subframe 索引号 (0

f_id，在这个subframe 里的PRACH 索引，也就是频域位置索引，(0 =

RA-RNTI 与UE 发送前导序列的时频位置一一对应. UE和eNodeB 可以分别计算出前导序列对应的RA-RNTI 值。UE 监听PDCCH 信道以RA-RNTI 表征的RAR 消息, 并解码相应的PDSCH 信道, 如果RAR 中前导序列索引与UE 自己发送的前导序列相同, 那么UE 就采用RAR 中的上行时间调整信息, 并启动相应的冲突调整过程。

在RAR 消息中, 还可能存在一个backoff 指示, 指示了UE 重传前导的等待时间范围. 如果UE 在规定的时间范围以内, 没有收到任何RAR 消息, 或者RAR 消息中的前导序列索引与自己的不符, 则认为此次的前导接入失败。UE 需要推迟一段时间, 才能进行下一次的前导接入。推迟的时间范围, 就由backoff indictor 来指示, UE 可以在0到BackoffIndicator 之间随机取值. 这样的设计可以减少UE 在相同时间再次发送前导序列的几率。

步骤三: MSG3 发送 (RRC Connection Request).

UE 接收到RAR 消息, 获得上行的时间同步和上行资源。 但此时并不能确定RAR 消息是发送给UE 自己而不是发送给其他的UE 的. 由于UE 的前导序列是从公共资源中随机选取的, 因此, 存在着不同的UE 在相同的时间-频率资源上发送相同的接入前导序列的可能性, 这样, 他们就会通过相同的RA-RNTI 接收到同样的RAR 。而且UE 也无从知道是否有其他的UE 在使用相同的资源进行随机接入。为此UE 需要通过随后的MSG3 和MSG4消息, 来解决这样的随机接入冲突。

MSG3是第一条基于上行调度, 通过HARQ (Hybrid Automatic Repeat request), 在PUSCH 上传输的消息. 其最大重传次数由maxHARQ-Msg3TX 定义. 在初始的随机接入中, MSG3中传输的是RRCConnectionRequest 。如果不同的UE 接收到相同的RAR 消息, 那么他们就会获得相同的上行资源, 同时发送Msg3消息, 为了区分不同的UE, 在MSG3中会携带一个UE 特定的ID, 用于区分不同的UE 。 在初始接入的情况下, 这个ID 可以是UE 的S-TMSI (如果存在的话) 或者随机生成的一个40位的值(可以认为, 不同UE 随机生成相同的40 位值的可能性非常小) 。（MMEC 明确定义为8位、M －TMSI 是32位的在MME 内UE 的ID ，S-TMSI= MME Code + M-TMSI）

UE 在发完MSg3消息后就要立刻启动竞争消除定时器mac-ContentionResolutionTimer （而随后每一次重传消息3都要重启这个定时器）, UE 需要在此时间内监听eNodeB 返回给自己的冲突解决消息。

步骤四: 冲突解决消息.

如果在mac-ContentionResolutionTimer 时间内,UE 接收到eNodeB 返回的ContentionResolution 消息, 并且其中携带的UE ID与自己在Msg3中上报给eNodeB 的相符, 那么UE 就认为自己赢得了此次的随机接入冲突, 随机接入成功. 并将在RAR 消息中得到的临时C-RNTI 置为自己的C-RNTI.

否则的话, UE 认为此次接入失败, 并按照上面所述的规则进行随机接入的重传过程. 值得注意的是, 冲突解决消息MSG4, 也是基于HARQ 的. 只有赢得冲突的UE 才发送ACK 值, 失去冲突或无法解码Msg4 的UE 不发送任何反馈消息。