初始随机接入过程

wuchengcai

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): 前导序列传输 preamble, msg1

(2): 随机接入响应（PRACH）Random Access Response(PDSCH),msg2

(3): MSG3 发送 (RRC Connection Setup Request). Msg3（PUSCH）

(4): 冲突解决消息.(Contention Resolution+RRC Connection setup)Msg4

(5):RRC Connection setup complete(Service request)Msg5

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 (36.321)

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.

DCI 0如何分配资源

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 <= 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).

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.