LTE学习笔记随机接入过程、帧结构.doc

1、2014-3-4:重点了解的：（黄色为自己所批注）一、随机接入过程：1.1 、 UE 可以通过随机接入过程实现两个基本功能：取得与eNB 之间的上行同步：申请上行资源。1.2 、随机接入过程应用于以下6 种场景：从 RRC_IDLE 状态初始接入，即RRC连接建立；无线链路失败后初始随机接入，即RRC连接重建；切换下行数据到达且UE 空口处于上行失步状态；上行数据到达且UE 空口处于上行失步状态，或者虽未失步但需要通过随机接入申请上行资源；（ TA ，timing Advance辅助定位，网络利用随机接入获取时间提前量）（），TA （ Timing Advance包含 6 位二进制， 数值为

2、0-63 ，单位为一个传输码元，即 3.69 s 。最在时间提前量为63*3.68=233 s,相当电波传输 35KM 的往反时间。从这一点说，GSM系统的小区覆盖最大半径为35KM 。）1.3 、根据 UE 发起 preamble 码时是否存在碰撞的风险，随机接入过程可分为竞争随机接入和非竞争随机接入。1、基于竞争模式的随机接入：1、 RRC_IDLE 状态下的初始接入；2、无线链路出错以后的初始接入；3、RRC_CONNECTED状态下，当有上行数据传输时，例如在上行失步后“ non-synchronised”，或者没有PUCCH 资源用于发送调度请求消息，也就是说在这个时候除了通过随机接

3、入的方式外，没有其它途径告诉据到达且UE 空口处于上行失步状态）eNB ， UE 存在上行数据需要发送（上行数2、基于非竞争模式的随机接入（preamble序列是预先知道的，无碰撞风险）：1、RRC_CONNECTED状态下， 当下行有数据传输时，这时上行失步“ non-synchronised因为数据的传输除了接收外，还需要确认，如果上行失步的话，eNB 无法保证能够收到”，UE的确认信息，因为这时下行还是同步的，因此可以通过下行消息告诉UE发起随机接入需要使用的资源，比如前导序列以及发送时机等，因为这些资源都是双方已知的，因此不需要通过竞争的方式接入系统（下行数据到达且UE空口处于上行失步

4、状态；）2、切换过程中的随机接入，在切换的过程中，目标eNB可以通过服务eNB来告诉UE它可以使用的资源；3、辅助定位，网络利用随机接入获取时间提前量（TA，timing Advance）是否基于竞争在于在当时终端能否监听到eNB传递的下行控制信道，以便获得特定的资源用于传输上行前导，当然这个判断是由eNB作出的，而不是UE自己来决定的。1UE 发送随机接入preamble随机接入响应2(timing, UL resource allocation, .)3上行数据（调度的）传输4冲突解决UEE-NodeB图 5.11随机接入过程1.4 、基于竞争的随机接入流程如上图所示，主要分为四个步骤：(

5、1):前导序列传输(2):随机接入响应(3): MSG3发送(RRC Connection Request).（非竞争接入的没有）(4):冲突解决消息.（非竞争接入的没有）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, 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 numberofR

6、A-Preambles, 在 SIB2 系统消息中广播。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 GroupBmessageSizeGroupA的主要区别在于将要在表示。在GroupBMSG3 中传输的信息的大小 , 由参数存在的情况下 , 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

7、的条件下, UE就会选择GroupB 中的前导序列.UE 通过选择MSG3的大小GroupA 或者 GroupB 里面的前导序列. eNodeB可以据此分配相应的上行资源, 可以隐式地通知eNodeB, 从而避免了资源浪费.其将要传输的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 SignalReceived Power) 的平均来得到.这样可以使得eNodeB 接收到的前导

8、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上次发射功率的基础上, 功率提升powerRampingStep,来发送此次

9、前导,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，那么UE 可以在从而提高发送成功, 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DL-SCH 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.UE 需要在PDCCH 上使用RA-RNT

10、I(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 = t_id 10)f_id ，在这个subframe里的PRACH 索引，也就是频域位置索引，(0 = f-id =6),不过对于 FDD 系统来说，只有一个频域位置，因此f_id 永远为零.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

11、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U

12、E 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

13、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

14、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).例如：与随机接入的触发事件对应起来，1、如果是初次接入（initial accessmsg3 携带的信息如下：），msg3 为在CCCH 上传输的RRC Connection Request，且至少需要携带NAS UE标志信息。2、如果是RRC连接重建 （RRCConnection Re-establishment），msg3为CCCH上传输的RRCConnection Re-establishment Request，且不携带任何NAS消息。3、如果是切换（handover），msg3为在DCCH上传输的经过加密和完整性保

15、护的RRCHandover Confirm，必须包含UE的C-RNTI，且如果可能的话，需要携带BSR 。4、对于其它触发事件，则至少需要携带C-RNTI。C-RNT ：I RRC 连接临时标识；小区内唯一；由RNC 分配；由MAC 层使用BSR ：是为了让eNB 知道自己的缓存状态，eNB 将此作为自己给该UE 分配资源的参考NAS ：非接入层信令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.

16、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 ,那么临时UE 就认为自己赢得了此次的随机接入冲突C-RNTI 置为自己的C-RNTI., 随机接入成功.并将在RAR消息中得到的否则的话, 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, 冲突解决消息失去冲突或无法解码Msg4的MSG4,也是基于HARQUE 不发送任何反馈消息的 .只有赢得冲突的UE才发送ACK值,二、 LT

17、E 帧结构1、在空中接口上， LTE 系统定义了无线侦来进行信号的传输，1 个无线帧的长度为10ms 。LTE 支持两种帧结构FDD 和 TDD 。在 FDD 帧结构中，一个长度为帧由两个长度为0.5ms 的时隙构成。10ms的无线帧由10 个长度为1ms的子帧构成，每个子在 TDD 帧结构中，一个长度为10ms 的无线帧由2 个长度为5ms 的半帧构成，每个半帧由 5 个长度为1ms 的子帧构成，其中包括4 个普通子帧和1 个特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms 的时隙组成，而特殊子帧由3 个特殊时隙（DwPTS 、 GP 和 UpPTS ）组成。作为系统的一个特点，时间资源在上下行方向上进行

18、分配，帧结构支持7 种不同的上下行时间比例分配（配置业务。这7 种配置中包括4 种06 ），可以根据系统业务量的特性进行配置，支持非对称5ms 周期和3 种 10ms 周期。“ D代”表此子帧用于下行传输，“ U” 代表此子帧用于上行传输，“ S”是由 DwPTS 、 GP和 UpPTS 组成的特殊子帧。特殊子帧中DwPTS 和 UpPTS 的长度是可配置的，满足DwPTS 、 GP 和 UpPTS 总长度为 1ms。图 1-1图 1-2例：规范要求帧结构上行/ 下行配置为1 ，则查图1-1 可知TDD-LTE 无线帧结构为（ DSUUDDSUUD ） .已知常规长度C P，特殊子帧配置7,

19、则查图1-2 可知DwPTS:GP:UpPTS=10:2:2.对于5ms 的上下行切换周期，每个半帧都有DwPTS ，只在第和子帧2 用作上行，子帧子帧0、5 、DwPTS 一定走下行。1 个半帧内有GP 和 UpPTS ，第和 9 用作下行。2对于10ms 上下行切换周期，个半帧的DwPTS 长度为1ms。2. FDD( 频分双工 )与 TDD （时分双工）区别FDD道。 FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，用保护频段来分离接收和发送信其单方向的资源在时间上是连续的。 FDD 在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称

20、业务时，频谱利用率将大大降低。TDD 用时间来分离接收和发送信道。在TDD 方式的移动通信系统中, 接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载, 其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。图 2-1由上图2-1 观察得出频分双工技术在上下行使用对称的频率区分，时域上上下行可以同时传输，即可以同时进行收发。时分双工在频域上进行了复用，节约了频域资源，但是上下行使用不同的时间来区别，故不能同时进行收发。3、TDD 双工方式的工作特点使TDD 具有如下优势：（

21、 1 ）能够灵活配置频率，使用FDD 系统不易使用的零散频段；（ 2）可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙比例，能够很好的支持非对称业务；（ 3）具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成本；（ 4）接收上下行数据时，不需要收发隔离器，只需要一个开关即可，降低了设备的复杂度；（ 5）具有上下行信道互惠性，能够更好的采用传输预处理技术，如预RAKE 技术、联合传输 (JT) 技术、智能天线技术等, 能有效地降低移动终端的处理复杂性。但是， TDD 双工方式相较于FDD ，也存在明显的不足：（ 1 ）由于TDD 方式的时间资源分别分给了上行和下行，因此TDD 方式的发射时间大约只有FDD 的一半，如果TDD 要发送和FDD 同样多的数据，就要增大TDD 的发送功率；（ 2） TDD 系统上行受限，因此TDD 基站的覆盖范围明显小于FDD 基站；（ 3） TDD 系统收发信道同频，无法进行干扰隔离，系统内和系统间存在干扰；（ 4）为了避免与其他无线系统之间的干扰，TDD 需要预