极好的LTERACH过程以及随机接入详解

1、设备故障修复时什么最难？我的经验是 “若问题是在进行过程中出现的， 那么寻找原因并修 复相对来说比较容易 （也许比起我这样动嘴皮子还是要难一点）；而如果是在开始时就出的问题，那才让人头疼。 ”比如说，你在网络模拟器处，为一个 UE 的接入设好了所有参数，然 后你打开了这个 UE 。几秒钟后， UE 开始启动，几秒钟后你看到 UE 屏幕上方的小天线图 标然后再过几秒钟，你看到屏幕上显示SOS或“无服务”，而不是本应显示的运营商名及标识信号正常的天线图标。上面说的就是指“在进行过程中出现的问题”。在这种情况下，只要你查查 UE和设备的log,你就至少能准备地定位到问题出现的地方，并从那里入 手深入

2、分析原因。 但是， 如若你遭遇了这样的事情呢？你设好网络模拟器的所有参数然后打 开 UE, UE 启动, 显示“搜索网络 ,然后就挂在这了。 没有信号格图标, 甚至也没有 SOS, 只是显示“无服务”。查看UE和网络模拟器的log，发现没有信令消息。这种情况才让人头 疼。举例来说, 你打开 WCDMA UE去卩看不到” RRC Connection Request ”时怎么办？ 你打开GSM UE却看不到” Channel Request ”时怎么办？你打开LTE UE,却看不到” RACH Preamble”时怎么办？你需要做的第一件事是， 理解这个过程的所有细节， 理解高层信令和物理层的处

3、理方式。 你 还需要利用合适的， 能显示这些过程细节的设备。 如果你的设备无法记录 log 信息或是只能 记录高层信令 log ，那么故障排解依然会非常困难。若你已有了合适的设备，接下来要做的 就是理解这些过程的细节知识。 没有知识，再好的设备也毫无用处。所以呢，马上进入的是 LTE的第一个信令过程：随机接入。（可能有人会说其实 RACH之前还有其它步骤，如频率同步，时间同步， MIB/SIB 解码等，不过这些过程更多的是基带处理，所以我跳过了。）RACH过程是什么时候发生？在协议中 （36.300 10.1.5） ，RACH 过程在这些时候发生：以RRC_IDLE状态作为起始的初始接入； R

4、RC 连接重建立过程； 切换；RRC_CONNECTE状态下，下行数据到达，需要启动随机接入的；如 当上行同步状态为“ 失步时；RRC_CONNECTE状态下，上行数据到达，需要启动随机接入的；如当上行同步状态为“失步”时，或没有可承载SR消息的PUCCH源时；RRC_CONNECTE状态下，进行定位，需要启动随机接入的；如 为UE定位需要获取当前时间提前 （TA）时；Scell上进行的随机接入过程，还可用来为相应的TA组进行时间对齐。两类RACH过程：竞争与非竞争当 UE 发送 PRACH preamble 时,它用特定的标识来发。每个 LTE 小区中都有 64 个不同的 标识, UE 每次

5、接入时随机地从中选择一个。这是否意味着可能同时有多个 UE 发送相同的标识？是的。这种可能性完全存在。其含义是不同 UE 所发的相同的 PRACH preamble 同时到达网络侧。这种PRACH冲突的情形称作“竞争”，允许这种竞争存在的 RACH过程称作“基于竞争的” RACH过程。在基于竞争的PACH过程中，网络通过后续的附加过程来解决冲突问题，这个附加过程叫做“竞争解决”步骤。而在某些情况下，出于某种原因(如时延限制)这种竞争是不能被容忍，必须避免的。通常在这种情况下，网络提前告诉每个UE何时，用哪个preamble来发起随机接入。当然，这种情况下，网络所分配的preamble是不会产生

6、冲突的。这种RACH过程叫作“无竞争的” RACH 过程。进行无竞争 RACH的UE,在RACH前应已处于连接态，如切换场景。典型的基于竞争的 RACH流程如下：i) UE - NW : RACH Preamble (RA-RNTI, i ndicati on for L2/L3 message size)ii) UE NW : L2/L3 messageiv) Message for early conten ti on resoluti on当第一步发生了竞争冲突时，如两个UE同时发PRACH时，它们会在第二步收到相同的T_C-RNTI及分配的资源。然后，在第三步中两个UE在同一个分配的资

7、源内(时/频位置)发L2/L3消息。两个UE在同样的时频资源处发相同信息会导致什么后果？ 一种可能是这两个 信号彼此干扰，网络都无法解出。这种情况下，所有UE都不会收到网络下发的回复(HARQACK)，它们会认为本次 RACH失败，回到第一步重新发起 RACH过程。另一种可能是网络 成功地解出了一个 UE的消息，而没能解出另一个的。这时，网络成功解出L2/L3消息的那个UE就可收到回复的 ACK。这个对Msg 3的ACK消息发送称为竞争解决过程。典型的非基于竞争 RACH流程为：i) UE NW : RACH Preamble (RA-RNTI, i ndicatio n for L2/L3

8、message size)iii) UE 6,7.9452Arty*9140AnyG, 1r2.3,4,6f 6, 7. 8,rjiArj.AN.A15flEven9斗丁2Even3161Even1433Even1171Even4493Even4101Even7典3Eveir191Aft/1JAnyi201Any4E21Any4511Any7&3SAny7221Any1,4543An/1231Any2 J5JAny2|7241Any站B&6*Any3f B251Any1.4.7W3Any1. ac-Barr ggo ac BarrinijForBMrgncy ic Barr lnFoiW.Cl

9、gEul ling ae*Bxrrii9ForM)-Data.im Ti wt aAndCoM t aiwt 0 CrtqJnfQ ul-CarrlrFrtq uXBanteld5dd It idealrusfini土gLtx fn-Sbf r MeCont 1 gLi .t e ImAI IgnmarnTlrC? :n1UB Tkwr aAndCcrwzaAl:,. SVBKZ ARFOI VLwtBUny DMOMATTD (M. n】、 n3S. nSO. tAdd! t locx*lCprt rxadb&ls* 1 onXB FWCabfruwONnf IgLlatTImAI lame

10、nt TlMr,/1lgO3ralBi| : .4 KATU- Ccof lCamcn?1becfe-CoafiaBCUI C8“bpcch-Ccmigiff.prach &( 19(心e Conrfitb.pdseh - Coot IjCoononKOi-COOS 1 CCSSKK3tpuxb - Cotxf lCoononPVCCM*Coef 1 gC:on.pcch CqcU iTConmrocOi - CQct; gCoonoQ.ouaUnglS . UL-C8 figCoamccScandlngKS-igCoaK.up 1 inliomrmt ro lCbaBoaUpllaLtowr

11、OootfolCoaBoaul 6c】 tePrfLxLftgthUL-Cyeli ePrtf lxLAajth.OPTIOMKL O?TIQL.R$. nl00OPTIOKKL.AooifTArrPltXCn.Coefigni “ rooceu4ex precb-CoaXLglnCoIpimcn-OMfia ii root CequncXi4ex prach-Coaf 1.9X0 fo IPKAH*Ox：g：: nfopraeB-CeefMghfpMdFlag xroCom lac loaZomConf 切 prach-Frpt1 :， ： 一; ： 1OKxmcs .zfrrxon(0IO

12、CmOKKL- Aonrro?P/Mt/Con阿 Heid Oescnpoorw rooiSep uerK”d3 1p nifliblfl InltlJ IEm*. vdfT珂鼻 t Zcwr ES-HZRJkTnj f dte-13.dfe L1Cri dBB-114 Ifim 111.松八&札 dfiM-iM dbHckftB 10JFcfta-ldQ., dfeo-M. 込X.dn-naSUQrCS f QPXKRJiTEXin) v a4ri nv n(* nt* nlttd nJ0ri nlOrinl地屛盹人E3USU7TO !1.Bf4. !. S. !?.numberOfRA-P

13、reambles :每个UE理论上可从 64个随机接入preamble中随机选择一个。但 通常每个小区都会预留一部分 preamble用作非竞争随机接入，而作普通 （竞争）随机接入的RA preambleUE就要从剩下的preamble中选择。这个参数的含义就是可用做竞争随机接入的 数。PRACH信号结构下图展示了 PRACH preamble信号结构与普通上行子帧信号的不同。值得指出的是：Preamble的频域长度为上行子帧的6个RB带宽，即1.08MHz。PRACH preamble中每个子载波宽度为 1.25kHz，而普通上行子帧中每个子载波宽为15kHz。这意味着preamble的12

14、个子载波相当于上行子帧的1个子载波。1.0MITz1 sub caiiEr = 1.25 KhzISsuboQirere =Guard S EcsrrierPRACH=b 1 sub carier = 15 Khzryarat |! 3 subtarerE OmicI CLbtariei右? J 弗Mb carie-rsREmmR3-1 DO Mhs怎样生成RACH信号？如果你不是专门做 LTE物理层的DSP或FPGA工程师，你其实无需了解细节。从LTE系统的一般视角看来，我们只需知道PRACH是由ZaddOff Chu序列，根据下式生成的。M (M+l)其中 u =物理根序列索引（physi

15、cal rootseque nee in dex)每个小区可为 UE提供最多64个preamble，因此驻留在小区内的UE需要能够等概率地生成这 64 个 preamble o你可以用将序列作循环移位的方式生成64个preamble，但仅做到这一点还不够。所有的preamble都必须彼此正交，否则同一小区内多个 UE同时发送的不同preamble就会发生干扰。 因此我们必须用一个特别设计的值来生成序列，这个值称为CV（Cyclic Shift Value,循环移位值），其定义如下。（个人觉得CV的确定是PRACH preamble生成过程里最复杂的一步，它 牵涉到大量参数。）v = 0.1 龙

16、;/|-LjVcj # 0 for iwestiicted 号出 = 0N怙二 0forAn卜/爲皿隘）s丄益礦爲十隘一1for restricted sets首先，你应注意到针对“非受限集合”与“受限集合”，其CV的计算过程是不同的。而这个区分是由SIB2中的Highspeedflag IE来指示的。若 Highspeedflag置为TRUE，则用受限集合的计算式，若 Highspeedflag置为FALSE，则用非受限集合的计算式。N_cs则由 SIB2 中的 zeroCorrelationZoneConfig IE 来决定，如下图所示，很明显，N_cs对于受限集合和非受限集合取值也是不同

17、的。ItllHuwuI IBp*h - SEiEEE igluf o PEjUS-Oenflg 干；卜.1 AdbnptfaA-CMJ1 if inf eS1QDDCX iirmra (o. ,8j7i, PflAQZ- Con Lg tnf a弓坯UE3CB ILima&R .U7h PMCff CenfiglftKoLNILUJUI i. Ik%ACI3；-Cnt LglfhCfii 11 joeb.cLi litJle Tcxniat4/ra1250 HZrsoo hzTable 7+3-1: Randcin access basband parsmeier.0- 34PRACH生成的完

18、整过程，请参见 TS36.211的5.7.2/5.7.3节。网络究竟何时何处发送 RACH响应我们都知道网络在收到 UE发上来的RACH preamble后应返回RACH响应，但具体在哪个 子帧里返回这个响应？这个问题在TS 36.321 5.1.4节里能够找到答案。不考虑测量间隔(measurement gap),当UE发送了 RA preamble后，它须监测PDCCH，以获 取随机接入响应(Random Access Response, RAR)，这个响应的标识是 RA-RNTI。RA响应窗 起始于上行preamble发送终止的那个子帧号加3对应的子帧，其长度为 ra-ResponseW

19、indowSize 个子帧。这意味着网络能够发送RAR的最早时刻为接收到相应RACH preamble后的第4个子帧。那么它是否也是网络发送RAR的最晚时刻？这要由 ra-ResponseWindowSize来决定。这个窗口的值为0到10，单位为子帧，其含义为从RACH preamble的结束到RAR发送间的最大时长间隔为12个子帧(即12ms)，是一个很严格的时延要求。PRACH参数及其物理意义总结ssocran: (ISTTSEHQ 叭丄mil. 民 I射 i nt口p r*cikk -亡Em, lqf atof A EMIAHIFT*-*yyFFr*A烏祸AnMf站咼站*”An細N/vM

20、rg幅就*T4oHlTslHfasN丹Msuctfiumuf f, iMrrrrTTrF*T.cf, AI1A1!-zzzAIlMAIIAIlMAIIAiiJblAIIMMM.!i 5 t 7- I fcr I 勺鼻 J -&T d d t, f if 1-1 1 7-l%a F-2 ?wd?allTM H pnMflM* 0ifit*Mli UmnMt tofti ”讣 *Unm*M Mt fbMTdvd MEEOOraCI mm it.37i.SMCQ-Cf 岂口日rQQJtFquMK 1 Ate*-Cbftf 1Q1AEOPRACH-OMf If IffeCcraAK-CenigfiB

21、R . rotfl Fb qpMTW*il MdM：INTK3UNACR-Cefllf iglflf 4ixajbcn Cent ig 11 *- aof 11 LECb41)13il2HHn!f划州ntll阪松11411manPRjh3l-Cf ltnEIalEM 1 Tunroa ig jdTTHrTTrnrrnTs;可nW叶anIWlWNJTbV尊 PM MdthM IWHfsW 1Tble S.7.2-4: Root Zdoff-Chu Sequence crcfer for Cremble formats 0-1-414Mu刚 l-TIk1l5UM1M-1P叫曲M*U/w-wHIM5

22、5Mi-WiF mMW 辑* 匕*mt）TVM检林TMk m K 佩幅豺1|啊帼施税糾* 恥幅*h nt丄絆mm rw j. m i 祸1LK4. Fl, M, VHLfVdM.M Hk1 L MiJMI- 2LtU. 13 0Min a. ELI rn. J4.i*ti.mrti翼 也 n W. 41FH. K. m M HS. M. *l蚀 744, m. tl?, 1W, 4t_ Hurl, M. IIF,册此 125, T1 !Sf SHat- g iMrn.i4iMr.ifi.nr.kmrivo. m.v% 环m 恥啊l7li Mi71%aiMi imii.nfi. 34.H1 Vr

23、iv, m 耐ificmi. vxE,m BW! ia. i?i r.+iK 1? fu. ic-i. h*-. i , m.ht, jii41. ih.4K1K. W,他 ML +H F维阿.0 他詹瞅豺IW. 60 兀 141 饋人 1M m. 13L m,! Ml MB, 1. 4J7r 1JS, MX I llu 1ML4tlrtS4. 4TSL 1iJTMl Fl 樽L 沖.MW”舛孑4TIRL14界帕愛 7. Mtifci ni5 6M aw. 11* ?r. ir? 5, in. Tji. iw.rMl r.*w. iia, w7.112.幅乱 BF.WL 1MLflOL311.

24、L4MLtt!k1. FHl l. M.SJT. IllM lil 134. Mfru& ti 皿 料 in. il ?m. m. 1 托 th. w m in.munit. FZL IW.tiFT.m. BH.14r.秆占L W.5T2.HL M.理hHFFT . E 弘腫 热U,Ji. 11 m 5x im,似删.刃,ti r. 4i. ne, a, w： m 览 . m k m , m r?w,施 mLid 皿.,Ji im m, us, ci. im. -jb. m. oo. joc 皿 ntWiL 1M.IM i泡 Vi. narMiRk -m m M. in. w. M vi i辄

25、 w.Hi.iKb. im hl hi. m. ?if w m au. ? mIM. Mr9 ,5i ML Hl HL 3ML * iK 1R iW. 513. m.ill.Mk刚.UL MJIL 号H 1M4M MLULiNLUukl% Xl&t M, 411 M. U|. 3flL 4 M】狎SL ：!怩 3 3口 U$ ktt M1: 31L IM. JJ?.190. DLS4M. l怕裁蠶 $1 螯 W 冊UM.鹹站I. IM,亦 5U 聲 M KL 3*L 5?. MlJU. W. JM.Mft J?1 MJ.jy. M5 E Ww-mTVUT79-Ki汕町旳 4M.M4 W（3.年

26、 3F75,阿 朴魚 1 ? 5K 1 417 JJ?科* 3*1. M M Wl -K$. Ml Fw.杯郸 .料 q氛 riB 斗林 m砒h吗u卅韶感X*砂域q IX Ww.Mi.mMiAfi. wim wtw.nr. jtl槪 z*n祕他 m.441. W|、1人撇丸 旳缶 乂氣/th M? 319 曲 444 in. 5/1, 31,曲昭 sti. w. 1tIMi. 433. D JS1r m, we. iU, jm. HQ M. 4JS. 3TL Jl. JT4. 4AL 4I5lJffl.w mmm.W.W Pl. Ml.訐 14隔 迅 财甌 1% W.坤 W* M4 ML 5L

27、 Mt 53札 54til. J14l 5JHl 沁.沁 疽切仏甘人9M J4札解W WF. ?fB&, ）SJ. W_ 510If,血 307.刃丄 ZM 551, Jf匸 Sf, Hfig 羽人 ni. 57BJH.enKM33K. lML 413血kKM/M* mw.4）m.4Mk W.曲潮W刚畑刚g阳HfiW. ggW91L #丄 J4k S4LjP14M.JfllL4. 2Ji. !4lL Ul JMM. Ml.yi /M 甘D初始接入阶段的 RACH过程一一RACH过程概述下图是初始接入阶段 RACH过程的示例。若你是一名协议栈研发或测试开发工程师，你应 对这个过程非常熟悉。IJE

28、UE sends RACH Preamble arry r)gRA- RNTI andeNB de code tine p ream bit and ptRA-RNURRC: PRACH Preamble RA-RNTI RBC; PRACH Response-Resource Bl ode As si gnment -T-CRNTIeNB sends FIACH Resp onte wilhRA-RNTI ltdeo&dedftoin th# pra mble.UE decode the RACH Response and gets RB Assignment and IV1CS canfi

29、guranon and with this inform ad on it confi gures itself to receive PRC Connection Request wa FormateUE RRC Connection Re quest uing T-RNTlit Eotfrom RACK ResponseRRC： RRCConnection RequestR.RC: RRCConnction $越up-咖71f UE receives RRC tonnectionSetup usirig T-CRNTI itgot frort HACH Reep onse,r,.Thi5

30、RRC 匚annection Setup1 m电土刃鑒 carries CRNTIFromthisp&int. UEarid NWcHtTianee messages with the CFNT1/这里重申，作为研发者，我们必须掌握所有每一步中的所有细节， 就的事。所以，让我们先从最重要的部分开始吧，我认为这应是 显示的是5MHz带宽上发RAR的示例。我们无需记住参数细节, 理解这个比特串中每一部分的含义。但显然这不是能够一蹴而RACH响应的部分。下图 但需要熟悉数据格式，并String： 4 丄 000$ DC CK 21 2F 00 00410008 D C 0 C 212 FOJDO 0

31、00110000 0000 OOOflKLOOO 11011100 OOCOllOD (CJOIOOOOI0010 11 in0 0 0 000000000 0000 0000RAPIDTiming Advance CommandUL GrantTemporar C-RhFI若你解码了资源分配的UL grant,为 msg3(即UL grant部分，你将得到如下结果。你会注意到这里所携带的信息与携带上行 DCI format 0是极相似的。这个信息就是RAR消息中的RRCConnectionRequest）指示所分配的资源。注意：这里是系统带宽为5MHz时的示例。若系统带宽为其它，则在 Sta

32、rt_RB和N_RB不变时应有不同的 RIV值；或在RIV值相同时有 不同的 Start_RB 和 N_RB。8 D C 0 C1000 11011100 0000 1100 Hopping Hag (1 brti Fixed Size Resou rce Block A ssignment (10 brts)口 QQ010 11Truncated Modulation and coding scheme (4 bit引TPC common d for scheduled P US CH (3 bit s)0 UL Dday 1 bit)O CQJ Requ est (1 hrt；i0000

33、= 0 (djI0001101110 = 110 (4 -HIV (ResoldIndication Value) descirbed l 36.213-8.1I CRBs = Floor(l 10/25) 1-5 + L CR& (number of conttguousallocated blocks) rb_rtart JJO mods 10让我们再用人话来阐述一遍这个流程。i）UE在随机接入信道（RACH）上发起随机接入过程。（RACH的时频位置之前已通过广播信道下发至UE。）随机接入信息包含 6bit，其中主要部分为随机生成的5bit标识。ii） 网络在PDSCH上的时频grid上回

34、复随机接入响应（RAR）消息。（RAR消息在PDSCH 中的具体时频位置，由 RA消息发送的时频位置决定。RAR消息中包含UE随机生成的标识，一个用作后续带宽分配用的小区无线网络临时ID，即T_C-RNTI，及初始上行带宽分配。）iii)接下来，UE用所分配的初始上行资源，发送一个简短的（约80bit）RRC连接请求消息，这条消息中包含了对应核心网中存储的永久性用户信息。其中，仅仅第i）步物理层过程是 RA所特有的，后续流程实际上都是一般上下行数据传输过 程的重用。如何获得RA-RNTI?TS 36.321 中第 5.1.4 节 Random Access Response reception

35、中，对 RA-RNTI 的计算方式有 如下陈述：RA-RNTI与发送RA preamble所在的PRACH资源间有这样的对应关系:RA-RNTI = 1 + t_id + 10 * f_id其中t_id是PRACH的首个子帧在帧内的索引 （0=t_id10），而f_id是在PRACH在频域以 升序排列时，在所在子帧内的索引（序号）（0=f_id6）。对于FDD ,f_id固定为0o （Note:在由于TDD中上行需和下行分占时隙，因此上行资源少，为了有足够的随机接入机会，在一个FDD子帧内只有一个 PRACH，而在一个 TDD子帧内可以至多有6个PRACH o f_id是指这个PRACH是在同

36、一子帧中的第几个 PRACH。）因此，RA-RNTI是由UE通过选择发送preamble所用的PRACH所在的资源位置而决定的。一个完整的RACH过程示例 下面是一个由一部商用 LTE终端和LTE网络模拟器组成的示例。我不再多解释，自己看看 能不能独立看懂吧。如果懂了，那么祝贺你把上面所讲的都理解了。OF OBOO 000000 00 00RRC: PHACH* RA-PNTl(t_id +XQf_id) ?ficvSuUFriniiL- PraitiblgCciunter Rcrpqijencylndei 胃代edf80o000()00RRC: PRACH Response Resource

37、 Bl ode AssiETiiment * -FCRNB4F00 01 F& 1C FF IF2-RAPIDRR.C: RRC匚onn电ttion RequestRR.C: RRC Conn ection Setup-CRNTITRAPJDLs-Tr nortHoppinsjRwTructefl-Mas7FCVL-DflisyT-CRNTlooooooomo25 D9 tl 10FfFIUEUEeNBRRC: PRACH Preamble RA-RNTI (t_id + 10f_id)RRC: PRACH Respoase5301 EOE6D3D6|x 、ucCo n n ecb onReq

38、ue st- r8 T ue-ldEntityrndomValue establishmentCjuse pare-Resource Block Assignment -T-CRNTIRRC : RRC Connedioni RequestRRC: RRC Connection Setup-CRNTIrandomValue001100000001111Q000011100110110100111101mgSigalling5301 E0E6D3D6HE ID far Contention Resolution12 9B 3E86OF B5 79 68 96 6C 30 64 99C058 FOrrcCon ne cbonS elu p- rS* ra(j iqRes pu re e C c nligDedicaled* srb-ToAddLlodUst drtkToAddModUst drb-ToReleaseList* mac-MainConfig sps-Conligt physic alConhgDe die aled noncrtuc aiEjftfltbor)1001011VxpN