1、 随机接入过程详解作 者 彭涛/00294921部 门 GTAC WL LTE eNodeB维护三组版 本 Version 2.0创建时间 2014/10/30修改记录 2014/11/051. 随机接入概述1.1 随机接入目的随机接入（Random Access，简称 RA）过程是 UE 向系统请求接入，收到系统的响应并分配接入信道的过程，一般的数据传输必须在随机接入成功之后进行。 除 PRACH 信道外， UE 发送任何数据都需要网络预先分配上行传输资源，通过随机接入来获取。 数据通过空口传输需要一段时间。UE 发送上行数据时必须提前一段时间发送，使数据在预定的时间点到达网络，即要保持上行
2、同步。通过随机接入，UE 获得上行发送时间提前量 Time Alignment（简称 TA）。1.2 随机接入分类随机接入（Random Access）分为基于竞争的随机接入过程 和基于非竞争的随机接入过程，相应的流程如图 2.1 和 2.2 所示。图 1. 1 基于竞争的随机接入图 1. 2 基于非竞争的随机接入与基于竞争的随机接入过程相比，基于非竞争的接入过程最大差别在于接入前导的分配是由网络侧分配的，而不是由 UE 侧产生的，这样也就 减少了竞争和冲突解决过程。1.3 随机接入场景1) 初始接入场景，是基于竞争的随机入过程，由 UE MAC Layer 发起，多为终端初始入网的时候。2)
3、 RRC 连接重建场景，是基于竞争的随机接入过程，由 UE MAC Layer 发起，多为信号掉线重新进行建立连接。3) 切换场景，通常是非竞争的随机接入过程，但在 eNodeB 侧没有的专用前导可以分配时，发起基于竞争的随机接入过程，由 PDCCH order 发起。4) 连接态时 UE 失去上行同步同时有上行数据到达的场景，是基于 竞争的随机接入过程，由 UE MAC Layer 发起。5) 连接态时 UE 失去上行同步同时有下行数据需要发送 的场景，通常是非竞争的随机接入过程，但在 eNodeB 侧没有的专用前导可以分配时，发起基于竞争的随机接入过程，由 PDCCH order 发起。6
4、) LCS(定位服务)触发非竞争的随机接入。（ 具体场景待确认）1.4 上下行失步的判断失步分为上行失步和下行失步，在 eNB 侧检测到的失步称为上行失步；在 UE 可以同时检测到上行失步及下行失步。eNB 检测上行失步的方法有两种：1、eNB 连续 N 次下发 TA 但是没有收到TA_ACK；2、检测到 ENB L1 基带上行连续 N 次没有上报 TA 值到 L2；两种条件中任意组合连续达到 N 次，就判断为上行失步。UE 的上行失步：是通过 TA 定时器维护的，当 TA 定时器超时后，终端还没有收到eNB 下发的 TA 调整的 MCE，则判断为上行失步。UE 检测下行失步：UE DSP 每
5、 200ms 对时延谱滤波值(z 注：相当于参考信号 RSRP 的检测)进行判断，如果满足某门限，则上报 L3（z 注：RRC 层）失步；L3 在同步状态连续收到 N310 个 L1（PHY 层）上报的 out-of-sync 指示，则认为失步；同时，启动 T310 定时器，在 T310 超时前，若收到 N311 次 in-sync 指示，则认为 UE 恢复同步状态；否则，T310 超时后，UE 会触发重建流程，同时启动 T311 定时器，若超时仍未重建成功，则进入 IDLE 态。UE 下行失步检测的流程图如下：2. 随机接入过程图 2. 1 初始随机接入过程整体 log2.1 MSG1随机接
6、入前导（preamble）的发送随机接入前导为一个脉冲，在时域上，此脉冲包含一个循环前缀（时间长度为 Tcp）和一个前导序列时间长度（Tseq）和一段空余（T GP）；频域上位为 6 个资源块。图 2. 2 机接入时隙结构CP：保证接收机可以进行频域检测（ZC 序列），并抵抗符号间干扰。GP（GT）：由于在发送 RACH 时，还没有建立上行同步，因此，需要在 Preamble 序列之后预留保护时间（GT ：Guard Time），用来避免对其他用户产生干扰。预留的 GT 需要支持传输距离为小区半径的两倍，这是因为在发送 Preamble 时还不知道 eNB 和 UE 之间的距离，GT 的大小必
7、须保证小区边缘的用户获得下行帧定时（小区搜索）后，能够有足够多的时间提前发送。2.1.1 准备工作UE 在 PRACH 上发送随机接入前导。前导一般携带有 6 位信息：5 位标识 RA-RNTI， 1 位表示 msg3 上行调度传输时的传输数据大小。初始随机接入是由 UE MAC sublayer 自己发起的，在进行初始的随机接入过程之前，需要提前通过 SIB2(如图 2.2 所示)获取以下信息：1 PRACH 信道参数：通过 Preamble 配置索引(prach-ConfigIndex) 可以获知 Preamble Format（如表 2.1 所示）以及 PRACH 位于哪个子帧上；PRA
8、CH 频域资源偏移（prach-FreqOffset ），可以确定 PRACH 的频域位置。2随机接入分组及每组可用的随机接入 Preamble；3随机接入响应窗口（UE 通过窗口机制控制 Msg2 的接收，经过ra_ResponseWindowSize 子帧停止 Msg2 的接收）的大小（ra_ResponseWindowSize）；4功率递增因子（powerRampingStep）；5Preamble 初始功率（ preambleInitialReceivedTargetPower）；6Preamble 的最大发送次数（ preambleTransMax）；7. 基于偏移量 DELTA_P
9、REAMBLEDE 的 preamble 格式；8Msg3 最大重传次数（maxHARQ-msg3Tx）；9竞争解决定时器（mac-ContentionResolutionTimer）；表 2. 1 随机接入 preamble 的格式Preamble formatTGP0 839(100us) (12 symbols, 800us)1 839(684us) (12 symbols, 800us)2 839(200us)(24 symbols, 2x800us)3 839(684us)(24 symbols, 2x800us)4(TDD only)139(14.6us)(24 symbols,
10、133.33us)(假设最大 time advanced 时间为 20us)图 2. 3 SIB2 的 log 信息2.1.2 发送 PREAMBLE 功率确定发射功率设置为 PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER= PREAMBLE_INITIAL_RECEIVED_TARGET_POWER + (PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER-1) * POWER_RAMP_STEP2.1.3 PRACH 的选择随机接入信道（RACH）作为上行随机接入信道，仅仅用于传送随机接入前导数据，由于前导数据在 MAC 层就进行处理，因此其没有对应的逻辑信道。物理随
11、机接入信道（PRACH）负责承载 RACH，是 RACH 映射的物理信道，其有固定的时频资源，时频资源的获得通过系统消息中 SIB2 中的公共信道配置参数中获得。PRACH 信道的时域结构由 RA 时隙的长度和周期两个变量来定义。 RA 时隙的长度被确定为子帧长度，即 1ms。RA 时隙所处的子帧位置取决于 RA 时隙的发送周期和 RA 时隙所处的子帧编号。不同的 RA 时隙发送周期可以用于不同负载的网络，对于小带宽的系统，小区负载较小，则可以采用较长的 RA 时隙发送周期；对于大带宽的系统，小区负载较大，则可以采用较短的RA 时隙发送周期。RA 时隙的配置方法如表 2.2 所示。表 2. 2
12、 RA 时隙配置表PRACH configuration System frame number Subframe number 号0 Even 间隔 20ms 发 11 Even 42 Even 73 Any 间隔 10ms 14 Any 45 Any 76 Any 1, 67 Any 2 ,78 Any 3, 89 Any 1, 4, 710 Any 2, 5, 811 Any 3, 6, 912 Any 0, 2, 4, 6, 813 Any 1, 3, 5, 7, 914 Any 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 915 Even 92.1.4 随机接入前导的选择随
13、机接入前导的选择分为两种情况：1. MSG3 消息未被传输过首先判断 Preamble Group B 是否存在；如果 Preamble Group B 存在，并且可用数据与 MAC 头以及 MAC 控制单元之和大于 messageSizeGroupA，并且路损小于PARTITION_PATHLOSS_THRESHOLD (即：Pmax PREAMBLE_ INITIAL_RECEIVED_TARGET_POWER DELTA_PREAMBLE_MSG3 messagePowerOffsetGroupB)，则选择 B 组中的 Preamble，否则选择 A 组的。确定了Preamble 分组之
14、后，随机从中选择一个。通俗的说就是选择分组的依据为 Msg3 的大小和线路质量。如果 Msg3 较大且线路良好，则选 B 组，否则选 A 组。2. MSG3 消息被传输过选择第一次传输 Msg3 时所使用前导序列所在的随机接入前导序列组。虽说把根序列循环移位后共得到 64 个 preamble ID（一般情况下是 64 个 preamble ID，但有些特殊情况比如其他厂商或者更大的小区半径范围， preamble ID 数量可能发生变化），UE 在其中可以随机选一个，但还是要遵循一个规定的范围： 0 到 51 这前 52 个 preamble ID 用于竞争随机接入，其中 GroupA 需要
15、的 Preamble Index 范围是 0 到 27，GroupB 需要的 Preamble Index 范围是 28 到 51。对于基于竞争的 RA，UE 要自己先确定选择 GroupA 还是 GroupB 以便确认 preamble ID 可选范围，然后 UE 再随机选取 Preamble Index 上报给 eNodeB。 52 到 63 用于非竞争随机接入。基站会通过空口消息下发给 UE。2.1.5 随机接入前导与小区半径的关系一个小区需要 64 个 preamble，每个 preamble 都是由 ZC 根序列经过移位得到。由于每个 ZC 根序列每次循环移位的位数是基站根据配置文件
16、中的小区半径计算的，这个根序列可以得到的 preamble 个数是有限的，一个 ZC 根序列经过循环移位可能得不到 64 个 preamble，所以一个小区可能需要多个 ZC 根序列。如果将小区半径改大，Ncs 将变大，导致循环移位次数 Cv（Cv= Nzc/Ncs）的取值个数变小，即：一个根序列可生成的 preamble 的个数，造成小区所需要的 ZC 根序列增多,可能与周边其他小区的根序列相同导致干扰产生。UE 发送的 preamble（例如 format0 需要 64 个 preamble），是基于根序列循环移位运算后得到的。一个根序列长度为 839，每次可以移位的位数等于 Ncs，那么
17、一个根序列可以循环移位的次数为 Cv=839/Ncs，向下取整。系统消息中 zeroCorrelationZoneConfig=2，则 NCS=15表 2. 3 NCS 配置表NCS *TST RTD+max+TAdSchTS 前导序列采样间隔。对于 Preamble 格式 03, TS =800/839(usec)；对于 Preamble 格式 4，T S =133.33/139（usec）TRTD:小区最大 RTD 时延，和小区半径 Radius(Km)的关系为：T RTD=6.67*Radius(usec)max:最大多径时延扩展（usec ），取值 5usec。TAdSch:向前搜索的
18、时间长度，由下行同步误差决定，下行同步误差最大为 2usec2.1.6 发送 MSG1UE 发送 preamble 时，会根据发送 Msg1 的子帧号和频率层计算得到的 RA-RNTI， RA-RNTI= 1+t_id+10*f_id。其实是与 PRACH 信道的时频位置一一对应的。t_id 表示对应 PRACH 的第一个 Subframe 索引(0 t_id 10)； f_id 表示该 Subframe 中的 PRACH索引(0 f_id 6)，PRACH 索引按照频域的递增顺序索引。（ RA-RNTI 是由 PRACH 资源位置计算得到的，不需要协商）。UE 发出 Msg1 后，根据自己发
19、送 Msg1 所使用的 RA-RNTI。经过一段时间（目前实现采用 3ms）后，开始使用 RA-RNTI 监听网络下发的 RA 响应（Msg2），UE 持续监听Msg2 的时间，即 Msg2 等待窗口大小。（Msg2 的等待窗口大小最大不超过 10ms）。eNodeB 接收到 MSG1 后，eNodeB 用 64 个 preamble ID 去逐个与检测到的 preamble 进行相关性峰值计算，也能获得 UE 和 eNodeB 的时延。eNodeB 用某一个 preamble ID 与MSG1 计算得到相关性峰值即认为 UE 发送的就是这个 preamble ID。2.1.7 QXDM 抓取
20、 MSG1 的 log图 2. 4 MSG1 的 log 信息2.2 MSG2随机接入响应的接收UE 使用 RA-RNTI 这个量来标识 UE 在什么时频资源发送 RA preamble；而网络端也有和 UE 相同的参数，因此可以计算出与 UE 相同的 RA-RNTI，因此网络端可以根据 RA-RNTI 知道在什么样的时频资源接收 UE 的 RA preamble。而在 RA response 中，UE 首先会监听 PDCCH，如果收到与自己发送 preamble 时相对应的 RA-RNTI，UE 就会去监听PDSCH，因为有多个 UE 使用相同的 RA-RNTI，并且有相同的 RA preamble ID，因此会有多个 UE 收到相同的 RAR，且这些 UE 都认为 RAR 是成功的。这样就产生了冲突,即多个UE 有相同的 TC-RNTI。2.2.1 MSG2 携带的信息eNodeB 接收到 preamble 后，申请分配 TC-RNTI 并进行上下行调度传输的申请，eNodeB 在 DL-SCH 上发送 RAR 携带的信息由 RA-preamble ID，Timing Alignment information，UL Grant 和 TC-RNTI，在一条 DL-SCH 上可以同时为多个 UE 发送 RAR。
