LTE随机接入过程情况总结(完美)

1、-/随机接入过程PRACH1. PRACH的类型表 1： PRACH类型Preamble formatTCPTSEQ03168 Ts24576 Ts121024 Ts24576 Ts26240 Ts2 24576 Ts321024 Ts2 24576 Ts4*448 Ts4096 Ts从表 1 可以看出， Preamble 的类型一共有 4 种，而对于 FDD 系统之支持 0、1、 2、3 这 4 类 Preamble 。对于 Preamble format 0 ，在时间上占用一个完整的子帧；对 于 Preamble format 1 和 2 ，在时间上占用两个完整的子帧； 对于 Preamb

2、le format 3 ， 在时间上占用三个完整的子帧。在频域上，Preamble format 03 均占用一个 PRB，即 180KHZ的频带，区别是 Preamble format 03 的子载波间隔是 1.25KHZ，并占用 864 个子载波， 由于 ZC序列的长度是 839，因此 Preamble format 03 真正占用中间 的 839 个子载波传输 Preamble，而剩余的 25 个子载波作为两边的保护带宽。不同类型的 Preamble 有长度不一样的 CP和保护间隔，小区的覆盖范围和保护 间隔 GT 有关，具体可参考如下公式：R = GT * C / 2 其中， R为小区

3、半径、 GT为保护间隔、 C表示光速。至于不同类型的 Preamble 对应的小区半径可参考如下：Preamble 格式0：持续时间1ms，可支持半径约14km；Preamble 格式1：持续时间2ms，可支持半径约77km；Preamble 格式2：持续时间2ms，可支持半径约29km；Preamble 格式3：持续时间3ms，可支持半径约107km；2. PRACH的时频位置首先给出 PRACH 的时域位置，协议中由参数 prach-ConfigIndex 给出，每个 prach-ConfigIndex 给出了 Preamble 的类型、 System frame number(Even/

4、Any) 、 Subframe number 。具体如表 2 所示：而对于 PRACH 的频域位置，协议中由参数nPRRABoffset 确定，它的取值范围是0 nPRBoffsetNRB 6 。表 2： random access configuration for preamble formats 03PRACHConfigurationIndexPreambleFormatSystem frame numberSubframe numberPRACHConfigurationIndexPreambleFormatSystem frame numberSubframe number00Ev

5、en1322Even110Even4332Even420Even7342Even730Any1352Any140Any4362Any450Any7372Any760Any1, 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,

6、 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

7、/A291Any1, 3, 5, 7,961N/AN/AN/A30N/AN/AN/A62N/AN/AN/A311Even9633Even93. Prach在协议中的配置（ 331 协议）4. PRACH baseband signal generationPRACH的时域波形通过下面的公式生成：st PRACHk 0 n 0NZC 1N ZC 1xu,v (n) e2 nk jN ZCej2 kK k0 12fRA t TCP其中 xu,v(n)是 Preamble 序列。而 Theuthroot Zadoff -Chu sequence 被定义为un(n 1) j NZC如下式：xu n e

8、0 n NZC 1 如上所述，对于 Preamble format 03 的序列长度 NZC为 839，而对于 u 的取值 请参看协议 36.211 的 Table 5.7.2-4。xu,v(n) 实际上是通过 xu n 做循环移位生成的，如下式：xu,v(n) xu(n Cv) mod N ZC )而Cv 的计算方式如下式：vNCSCv 0RAdstart v nshiftv 0,1,., NZC NCS1,NCSNCS0RA RA RA RA(v mod nshift )NCS v 0,1,., nshift ngroup nshift 10 for unrestricted setsfo

9、r unrestricted setsfor restricted setsunrestricted sets 和 restricted sets，这是由协议中的 zeroCorrelationZoneConfig 和 36.211 Table5.7.2 -2。还有一些其它参从中可以看出，涉及到High-Speed-flag 确定的，而参数 NCS 是由协议参数High-Speed-flag 共同确定的，具体可参考协议 数，按照下述的一些公式计算：dupNZC0 p N ZC 2 otherwise当 NCS du NZC 3 ，则：RA n shiftd start nRA ngroupRA

10、 n shiftdu NCSRA2du nshift NCS N ZC dstartmax (N ZC 2dun groupd start ) NCS ,0RA RAmin max (du ngroup d start ) NCS ,0 , nshift当 NZC 3 du (NZCRA nshiftdstart nRA ngroupRA nshiftNCS) 2，则：(NZC 2du) NCSRANZC 2du nshift NCS du d startPreamble 序列，UE 会选择其中一个在 PRACH上传输。5. Preamble resource group 每个小区有 64 个

11、可用的这些序列可以分成两部分，一部分用于基于竞争的随机接入，另一部分用于基于非 竞争的随机接入。用于基于竞争的随机接入的 Preamble 又分为 GroupA 和 GroupB， 这些都是由 SIB2 中的 Rach-ConfigCommon 中下发的。具体可参考图 1：图 1： Preamble 分类分组 GroupA 和 GroupB 的原因是为了增加一定的先验知识，从而方便 ENB 在 RAR中给 MSG3分配适当的上行资源。 如果 UE认为自己的 MSG3 size比较大(bigger than the messageSizeGroupA)，并且路损小于一门限， 则 UE选择 Gro

12、upB 的 Preamble， 否则选择 GroupA 的 Preamble。随机接入触发的原因触发随机接入的事件主要有如下 6 类：1 初始建立无线连接。 (即从 RRC_IDLE态到 RRC_CONNECTE，D或进行 attach )2 RRC链接重建过程。 (RRC CONNECTED R-establishment procedure )3 切 换。(hand over) 注意 ：切换有可 能是非 竞争或 者竞争 随机接 入 ，要 看RRC_Reconfiguration 消息里是否携带了 Preamble index 和 Prach MaskIndex。4 RRC_CONNECTE

13、D态时，上行不同步，此时下行数据到来。5 RRC_CONNECTED态时，上行数据到达，但上行不同步或者在PUCCH上没有可用的SR资源。6 RRC_CONNECTED态时，需要 time advance 。随机接入又分为基于竞争的和基于非竞争的， 基于竞争的应用于上述的前 5 类事件， 而基于非竞争的用于第 3、4、 6类事件。三. 随机接入过程首先给出基于竞争的随机接入和非竞争随机接入的基本流程，如下图2图 3：图 2 ：基于竞争随机接入图 3 ：基于非竞争的随机接入面详述随机接入的过程： 1 UE 发送 Preamble，即 MSG1UE要发送 Preamble，需要：1）选择 Prea

14、mble Index ；2）选择用于发送 Preamble 的 Prach 资源； 3）确定 RA-RNTI； 4）确定目标接收功率。1）确定 Preamble IndexUE会根据 Msg3 size 和路损综合选择用 GroupA 还是 GroupB 的 Preamble index ，如果之前发生过接入失败，则再次接入时应选择和第一次发送的 Preamble 相同的 Group 。对于非竞争接入， ENB 通过 RACH-ConfigDedicated 中的 ra-PreambleIndex 字段或者 DCI format 1A 的 PDCCH的 Preamble Index字段来设置

15、UE 所使用的 Preamble。需要说明的是， 在某些基于非竞争的随 机接入中，如果 ENB将Preamble Index配置为 0，则 UE按照基于竞争的随 机接入，自我选择 Preamble Index 。2) PRACH资源选择首先， prach-ConfigIndex 确定了在一个无线帧内， 哪些个子帧可以用于 send Prach 。而 prach Mask Index 指定了此 UE 具体用哪个资源，对于 prach Mask Index 可以参考表 3：表 3： Prach Mask Index对于非竞争的随机接入， ENB 会通过 RACH-ConfigDedicated 中

16、的 ra-Prach-MaskIndex 字段或者 DCI format 1A 的 PDCCH的 Prach Mask Index 字 段来设置 UE的 MaskIndex，从而指名了 UE使用哪些 Prach 资源。而对于非 竞争随机接入如何选择 Prach的资源， 协议中没有明确指出。 另外， 还需要 注意，如果非竞争的随机接入配置 MaskIndex 为 0，则 UE 可以任意选择 Prach 的时域资源。物理层的 Prach timing 的机制对于 Prach 时域资源的选择也会有影响， 主要注意如下几类：第一：如果 UE 在子帧 n 接收到 RAR，但是没有一个响应与其发送的pre

17、amble 对应，则 UE 应该在不迟于子帧 n+5 的时间内重新发送 Preamble 。第二：如果 UE 在时间窗内没有检测到属于自己的 RAR，则 UE 应该在 不迟于子帧 n+4 的时间内重新发送 Preamble。第三：如果随机接入是由 PDCCH触发的，则 UE将在子帧 n+k 算起的 第一个可用的 PRACH子帧发送 Preamble ，其中 k=2。而在 Mac 层协议中， 如果 UE 没有收到 RAR，则会选择一定的子帧延迟 发送新的 Preamble ，这个是否和物力层协议中相矛盾呢？此问题和朋朋交流后，认为由高层触发时，采用物理层的机制，而由MAC 层触发的时候采用 MA

18、C 的机制。3) 确定 RA-RNTIRA-RNTI的计算方式如下式：RA-RNTI= 1 + t_id+10*f_id其中， t_id 表示 preamble 发送的第一个子帧 (0=t_id10) ，而 f_id 表示频域位置 (f_id6) 。对于 FDD，每个子帧只有一个频域资源用来发送Preamble，因此 f_id 固定为 0。4) Prach 发射功率的确定面的公式取定了 Prach的发射功率，为 UE在子帧 i 上允许的最大发射功率，而 则是 UE 通过小区参考信号测量出的路损，而PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POW(E具R 体请参看 36.321 协议)表

19、示 ENB 接收 Preamble 时的期望到达功率。2 UE 接收 RARUE发送 Preamble 之后，将在 RAR的时间窗内监听携带 RA-RNTI 的 PDCCH，以接收自己的 RAR，如果在时间窗内没有检测到属于自己的RAR，则认为此次随机接入失败。 RAR的时间窗起始于 n+3 子帧，并持续 ra-ResponseWindowSize 个子帧。具 体如图 4：图 4： RAR接收时间窗那么 RAR 中会携带什么呢， 下面结合 RAR的结构详细说明， 如图 5，为 MAC RARPDU的完整结构：图 5：MAC RAR PDU结构从上图可以看出， 该 MAC PDU由一个 MAC

20、头(MAC header)+ 0个或多个 MACRAR( MAC Random Access Response) + 可能存在的 padding 组成。从 MAC PDU的结构可以看出，如果 eNodeB 同一时间内检测到来自多个 UE的 随机接入请求， 则使用一个 MAC PDU 就可以对这些接入请求进行响应， 每个随机接 入请求的响应对应一个 MAC RAR。如果多个 UE 在同一 PRACH 资源(时频位置相同，使用同一RA-RNTI)发送preamble ，则对应的 RAR复用在同一 MAC PDU中。MAC PDU在 DL-SCH上传输，并用以 RA-RNTI 加扰的 PDCCH。前

21、面已经介绍过， 使用相同时频位置发送 preamble 的所有 UE 都监听相同的 RA-RNTI指示的 PDCCH。MAC header 由一个或多个 MAC subheader 组成。除了 Backoff Indicator subheader 外，每个 subheader 对应一个 MAC RAR。如果包含 Backoff Indicator subheader ，则该 subheader 只出现一次，且位于 MAC header 的第一个 subheader 处。Backoff Indicator subheader 的结构如图 6：图 6： Backoff Indicator sub

22、headerBI（ Backoff Indicator ）指定了 UE 重发 preamble 前需要等待的时间范围（取值 范围见 36.321 的 7.2 节）。如果 UE 在 RAR时间窗内没有接收到 RAR，或接收到的 RAR 中没有一个 preamble 与自己的相符合，则认为此次 RAR接收失败。此时 UE 需要等 待一段时间后，再发起随机接入。等待的时间为在0至 BI 指定的等待时间区间内选取一个随机值。 （注：如果在步骤四中，冲突解决失败，也会有这样的后退机制）RAR subheader 结构如图 7：图 7： RAR subheaderRAPID为 Random Access

23、Preamble IDentifier 的简称，为 eNodeB 在检测 preamble 时得到的 preamble index 。如果 UE 发现该值与自己发送 preamble 时使用的索引相同， 则认为成功接收到对应的 RAR。RAR的结构如图 8：图 8： RARTC-RNTI用于 UE和 eNodeB 的后续传输。冲突解决后，该值可能变成C-RNIT。11-bit 的 Timing advance command 用于指定 UE 上行同步所需要的时间调整量。 具体可以参考 36.213 协议。20bit UL grant 指定了分配给 msg3 的上行资源。当有上行数据传输时，例如

24、需要解决冲突， eNodeB 在 RAR中分配的 grant 不能小于 56bit 。 Gant 的结构如图 9：图 9： Grant 结构UE 随机选择一个 preamble 用于随机接入，就可能导致多个 UE 同时选择同一 PRACH 资源的同一个 preamble ，从而导致冲突的出现（使用相同的RA-RNTI 和preamble ，因此还不确定 RAR是对哪个 UE的响应），这时需要一个冲突解决机制来 解决这个问题。冲突的存在也是 RAR不使用 HARQ的原因之一。如果 UE 使用专用的 preamble 用于随机接入，则不会有冲突，也就不需要后续 的冲突解决处理，随机接入过程也就到此

25、结束了。 （基于非竞争的随机接入）如果接入过程失败（即在 RAR 窗内没有收到 RAR，或者有 RAR但没有属于自己 的 RAR PDU）， UE 需要将 PREAMBLE_TRANSMISSION_C OUNTER 加 1 （如果此时 PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER = preambleTransMax ，+ 1则通知上层随机接入 失败），之后在 0BI值之间随机选择一个 backoff time ，UE延迟 backoff time 后，再 发起随机接入。 对于 Preamble 的发射功率而言， 如果没有达到最大的随机接入尝试 次 数 preambleTra

26、nsMax ， 则 UE 将 在 上 次 发 射 功 率 的 基 础 上 ， 提 升 功 率 powerRampingStep 来发送下次 preamble ，以提高发射成功的概率。3 UE 发送 MSG3基于非竞争的随机接入， preamble 是某个 UE 专用的，所以不存在冲突，又因 为该 UE已经拥有在接入小区内的唯一标志C-RNTI，所以也不需要 eNodeB 给它分配C-RNTI。因此，只有基于竞争的随机接入才需要步骤三和步骤四。之所以称为 msg3 而不是某一条具体消息的原因在于，根据 UE 状态的不同和 应用场景的不同，这条消息也可能不同，因此统称为msg3，即第 3 条消息。

27、如果 UE在子帧 n 成功地接收了自己的 RAR，则 UE 应该在 n+k 的第一个可用的 上行子帧发送 msg3，而对于 FDD系统 k 为 6。需要注意的是，在 RAR中 UL grant 包 含 1bit 的字段 UL delay，如果 delay 为 0，则 UE 会在 n+k 发送 msg3，如果为 1，则 UE 会在 n+k 后的下一个子帧发送 msg3。msg3 在 UL-SCH上传输，使用 HARQ，且 RAR中带的 UL grant 指定的用于 msg3 的 TB 大小至少为 80 比特。msg3 中需要包含一个重要信息： 每个 UE唯一的标志。 该标志将用于步骤四的 冲突解

28、决。对于处于 RRC_CONNECTED态的 UE 来说，其唯一标志是 C-RNTI。 UE 会通过 C-RNTI MAC control element 将自己的 C-RNTI告诉 eNodeB，eNodeB 在步骤四中使用 这个 C-RNTI来解决冲突。 C-RNTI MAC control element 如图 10：对于非 RRC_CONNECTED态的 UE来说，将使用一个来自核心网的唯一的 UE 标 志（ S-TMSI或一个随机数）作为其标志。此时eNodeB 需要先与核心网通信，才能响应 msg3。对于 msg 能携带的消息主要有两类， 一类主要是 UE要带给 ENB或者 EPC

29、端的 一些信令， 如 RRC ConnectionRequest、handover 相关等； 另一类是用于冲突解决的， 比如处于连接态时需要携带 C-RNTI，而处于非连接态时需要携带 S-TMSI 或者一个由 UE 产生的随机数。注意：此时 ENB要用 TC-RNTI加扰的 PDCCH调度 UE。最后，需要注意的是，在 MSG3 阶段，协议设计了一个 定时器 Mac-ContentionResolutionTimer ，当 Mac-ContentionResolutionTimer 超时并且还没有 收到 MSG4 时，则认为本次随机接入失败，并择机重新发送Preamble ，而当 MSG3出

30、现 HARQ 重传时，此定时器需要复位并重启。最后再总结一下 MSG3 可能会携带的东西，主要包括： C-RNTI MAC Control Element 、BSR MAC Control Element 、 PHR MAC Control Element 、还有一些 RRC消息4 冲突解决（ ENB 发送 MSG4） 关于这个问题，我认为只要关注如下：如果在 MSG3 中携带了 UE 的 C-RNTI，此时 UE 只要检测到了用 C-RNTI加扰的 PDCCH，即可以认为冲突解决。而对于 MSG3 中携带的是 UE 的一 个标识，此时 UE 需要 检测 到 UE Contention Res

31、olution Identity MAC Control Element ，并且里面携带的信息要和 MSG3 中 的 一 下 才 可 以 认 为 冲 突 解 决 ， 此 时 TC-RNTI 升 级 为 C-RNTI 。 UE Contention Resolution Identity MAC Control Element 如图 11：图 11： UEContention Resolution Identity MAC Control Element 如果冲突解决失败， UE需要将 PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTE加R 1（如果 此时 PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER = preambleTransMax +， 则1 通知上层随机 接入失败），之后在 0BI值之间随机选择一个 backoff time ，UE延迟 backoff time 后， 再发起随机接入。四. 各种可以触发随机接入事件的信令流程触发随机接入过程的事件有 6