LTE學(xué)習(xí)筆記 隨機(jī)接入過程、幀結(jié)構(gòu).docx

2014-3-4:重點(diǎn)了解的：（黃色為自己所批注）一、隨機(jī)接入過程：1.1、UE可以通過隨機(jī)接入過程實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能：取得與eNB之間的上行同步：申請(qǐng)上行資源。1.2、隨機(jī)接入過程應(yīng)用于以下6種場(chǎng)景：從RRC_IDLE狀態(tài)初始接入，即RRC連接建立；無線鏈路失敗后初始隨機(jī)接入，即RRC連接重建；切換下行數(shù)據(jù)到達(dá)且UE空口處于上行失步狀態(tài)；上行數(shù)據(jù)到達(dá)且UE空口處于上行失步狀態(tài)，或者雖未失步但需要通過隨機(jī)接入申請(qǐng)上行資源；輔助定位，網(wǎng)絡(luò)利用隨機(jī)接入獲取時(shí)間提前量（TA，timing Advance）（TA（Timing Advance），包含6位二進(jìn)制，數(shù)值為0-63，單位為一個(gè)傳輸碼元，即3.69s。最在時(shí)間提前量為63*3.68=233s,相當(dāng)電波傳輸35KM的往反時(shí)間。從這一點(diǎn)說，GSM系統(tǒng)遇到不懂的查閱資料時(shí)候要查與LTE相關(guān)的，LTE中的TA定義，不要找錯(cuò)到其他網(wǎng)去。的小區(qū)覆蓋最大半徑為35KM。）1.3、根據(jù)UE發(fā)起preamble碼時(shí)是否存在碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，隨機(jī)接入過程可分為競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入和非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入。1、基于競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入： 1、RRC_IDLE狀態(tài)下的初始接入； 2、無線鏈路出錯(cuò)以后的初始接入； 3、RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當(dāng)有上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，例如在上行失步后“non-synchronised”，或者沒有PUCCH資源用于發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求消息，也就是說在這個(gè)時(shí)候除了通過隨機(jī)接入的方式外，沒有其它途徑告訴eNB，UE存在上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送（上行數(shù)據(jù)到達(dá)且UE空口處于上行失步狀態(tài)）2、基于非競(jìng)爭(zhēng)模式的隨機(jī)接入（preamble序列是預(yù)先知道的，無碰撞風(fēng)險(xiǎn)）：1、RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當(dāng)下行有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，這時(shí)上行失步“non-synchronised”，因?yàn)閿?shù)據(jù)的傳輸除了接收外，還需要確認(rèn)，如果上行失步的話，eNB無法保證能夠收到UE的確認(rèn)信息，因?yàn)檫@時(shí)下行還是同步的，因此可以通過下行消息告訴UE發(fā)起隨機(jī)接入需要使用的資源，比如前導(dǎo)序列以及發(fā)送時(shí)機(jī)等，因?yàn)檫@些資源都是雙方已知的，因此不需要通過競(jìng)爭(zhēng)的方式接入系統(tǒng)（下行數(shù)據(jù)到達(dá)且UE空口處于上行失步狀態(tài)；）2、切換過程中的隨機(jī)接入，在切換的過程中，目標(biāo)eNB可以通過服務(wù)eNB來告訴UE它可以使用的資源； 3、輔助定位，網(wǎng)絡(luò)利用隨機(jī)接入獲取時(shí)間提前量（TA，timing Advance）是否基于競(jìng)爭(zhēng)在于在當(dāng)時(shí)終端能否監(jiān)聽到eNB傳遞的下行控制信道，以便獲得特定的資源用于傳輸上行前導(dǎo)，當(dāng)然這個(gè)判斷是由eNB作出的，而不是UE自己來決定的。圖5.11 隨機(jī)接入過程1.4、基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入流程如上圖所示，主要分為四個(gè)步驟：(1): 前導(dǎo)序列傳輸(2): 隨機(jī)接入響應(yīng)(3): MSG3 發(fā)送 (RRC Connection Request).（非競(jìng)爭(zhēng)接入的沒有）(4): 沖突解決消息.（非競(jìng)爭(zhēng)接入的沒有）所謂MSG3, 其實(shí)就是第三條消息, 因?yàn)樵陔S機(jī)接入的過程中，這些消息的內(nèi)容不固定，有時(shí)候可能攜帶的是RRC連接請(qǐng)求，有時(shí)候可能會(huì)帶一些控制消息甚至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，因此簡(jiǎn)稱為MSG3.第一步:隨機(jī)接入前導(dǎo)序列傳輸.LTE中, 每個(gè)小區(qū)有64個(gè)隨機(jī)接入的前導(dǎo)序列, 分別被用于基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入 (如初始接入)和非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入(如切換時(shí)的接入).其中, 用于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入的前導(dǎo)序列的數(shù)目個(gè)數(shù)為numberofRA-Preambles,在SIB2系統(tǒng)消息中廣播。用于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)前導(dǎo)序列, 又被分為GroupA和GroupB兩組. 其中GroupA的數(shù)目由參數(shù)preamblesGroupA來決定, 如果GroupA的數(shù)目和用于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)前導(dǎo)序列的總數(shù)的數(shù)目相等, 就意味著GroupB不存在.GroupA和GroupB的主要區(qū)別在于將要在MSG3中傳輸?shù)男畔⒌拇笮? 由參數(shù)messageSizeGroupA表示。在GroupB存在的情況下, 如果所要傳輸?shù)男畔⒌拈L(zhǎng)度(加上MAC頭部, MAC控制單元等)大于messageSizeGroupA,并且UE能夠滿足發(fā)射功率的條件下, UE就會(huì)選擇GroupB中的前導(dǎo)序列.UE通過選擇GroupA或者GroupB里面的前導(dǎo)序列, 可以隱式地通知eNodeB其將要傳輸?shù)腗SG3 的大小. eNodeB可以據(jù)此分配相應(yīng)的上行資源, 從而避免了資源浪費(fèi).eNodeB通過preambleinitialReceivedTargetPower通知UE其所期待接收到的前導(dǎo)序列功率, UE 根據(jù)此目標(biāo)值和下行的路徑損耗, 通過開環(huán)功控來設(shè)置初始的前導(dǎo)序列發(fā)射功率. 下行的路徑損耗, 可以通過RSRP (Reference Signal Received Power)的平均來得到. 這樣可以使得eNodeB接收到的前導(dǎo)序列功率與路徑損耗基本無關(guān), 從而利于NodeB探測(cè)出在相同的時(shí)間-頻率資源上發(fā)送的接入前導(dǎo)序列.發(fā)送了接入前導(dǎo)序列以后, UE需要監(jiān)聽PDCCH信道,是否存在ENODEB回復(fù)的RAR消息, (Random Access Response), RAR的時(shí)間窗是從UE發(fā)送了前導(dǎo)序列的子幀 + 3個(gè)子幀開始, 長(zhǎng)度為Ra-ResponseWindowSize個(gè)子幀. 如果在此時(shí)間內(nèi)沒有接收到回復(fù)給自己的RAR, 就認(rèn)為此次接入失敗.如果初始接入過程失敗，但是還沒有達(dá)到最大嘗試次數(shù)preambleTransMax，那么UE可以在上次發(fā)射功率的基礎(chǔ)上, 功率提升powerRampingStep, 來發(fā)送此次前導(dǎo), 從而提高發(fā)送成功的機(jī)率. 在LTE系統(tǒng)中, 由于隨機(jī)前導(dǎo)序列一般與其他的上行傳輸是正交的, 因此, 相對(duì)于WCDMA系統(tǒng), 初始前導(dǎo)序列的功率要求相對(duì)寬松一些, 初始前導(dǎo)序列成功的可能性也高一些. 步驟二: 隨機(jī)接入響應(yīng) (RAR). 當(dāng)eNB檢測(cè)到UE發(fā)送的前導(dǎo)序列，就會(huì)在DL-SCH上發(fā)送一個(gè)響應(yīng)，包含：檢測(cè)到的前導(dǎo)序列的索引號(hào)、用于上行同步的時(shí)間調(diào)整信息、初始的上行資源分配(用于發(fā)送隨后的MSG3), 以及一個(gè)臨時(shí)C-RNTI, 此臨時(shí)的C-RNTI將在步驟四(沖突解決)中決定是否轉(zhuǎn)換為永久的C-RNTI.UE需要在PDCCH上使用RA-RNTI(Random Access RNTI)來監(jiān)聽RAR消息. RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id其中， t_id，發(fā)送前導(dǎo)的PRACH的第一個(gè)subframe索引號(hào) (0 = t_id 10) f_id，在這個(gè)subframe里的PRACH索引，也就是頻域位置索引，(0 = f-id =6), 不過對(duì)于FDD系統(tǒng)來說，只有一個(gè)頻域位置，因此f_id永遠(yuǎn)為零.RA-RNTI與UE發(fā)送前導(dǎo)序列的時(shí)頻位置一一對(duì)應(yīng). UE和eNodeB可以分別計(jì)算出前導(dǎo)序列對(duì)應(yīng)的RA-RNTI值. UE監(jiān)聽PDCCH信道以RA-RNTI表征的RAR消息, 并解碼相應(yīng)的PDSCH信道, 如果RAR中前導(dǎo)序列索引與UE自己發(fā)送的前導(dǎo)序列相同, 那么UE就采用RAR中的上行時(shí)間調(diào)整信息, 并啟動(dòng)相應(yīng)的沖突調(diào)整過程. 在RAR消息中, 還可能存在一個(gè)backoff指示, 指示了UE重傳前導(dǎo)的等待時(shí)間范圍. 如果UE在規(guī)定的時(shí)間范圍以內(nèi), 沒有收到任何RAR消息, 或者RAR消息中的前導(dǎo)序列索引與自己的不符, 則認(rèn)為此次的前導(dǎo)接入失敗. UE 需要推遲一段時(shí)間, 才能進(jìn)行下一次的前導(dǎo)接入. 推遲的時(shí)間范圍, 就由backoff indictor來指示, UE可以在0 到BackoffIndicator之間隨機(jī)取值. 這樣的設(shè)計(jì)可以減少UE在相同時(shí)間再次發(fā)送前導(dǎo)序列的幾率.步驟三: MSG3 發(fā)送 (RRC Connection Request).UE接收到RAR消息, 獲得上行的時(shí)間同步和上行資源. 但此時(shí)并不能確定RAR消息是發(fā)送給UE自己而不是發(fā)送給其他的UE的. 由于UE的前導(dǎo)序列是從公共資源中隨機(jī)選取的, 因此, 存在著不同的UE在相同的時(shí)間-頻率資源上發(fā)送相同的接入前導(dǎo)序列的可能性, 這樣, 他們就會(huì)通過相同的RA-RNTI接收到同樣的RAR. 而且, UE也無從知道是否有其他的UE在使用相同的資源進(jìn)行隨機(jī)接入. 為此UE需要通過隨后的MSG3 和MSG4消息, 來解決這樣的隨機(jī)接入沖突.MSG3是第一條基于上行調(diào)度,通過HARQ (Hybrid Automatic Repeat request), 在PUSCH上傳輸?shù)南? 其最大重傳次數(shù)由maxHARQ-Msg3TX定義. 在初始的隨機(jī)接入中, MSG3中傳輸?shù)氖荝RCConnectionRequest. 如果不同的UE接收到相同的RAR消息, 那么他們就會(huì)獲得相同的上行資源, 同時(shí)發(fā)送Msg3消息, 為了區(qū)分不同的UE, 在MSG3中會(huì)攜帶一個(gè)UE特定的ID, 用于區(qū)分不同的UE. 在初始接入的情況下, 這個(gè)ID可以是UE的S-TMSI(如果存在的話)或者隨機(jī)生成的一個(gè)40 位的值(可以認(rèn)為, 不同UE隨機(jī)生成相同的40 位值的可能性非常小).例如：與隨機(jī)接入的觸發(fā)事件對(duì)應(yīng)起來，msg3攜帶的信息如下：1、如果是初次接入（initial access），msg3為在CCCH上傳輸?shù)腞RC Connection Request，且至少需要攜帶NAS UE標(biāo)志信息。2、如果是RRC連接重建（RRCConnection Re-establishment），msg3為CCCH上傳輸?shù)腞RC Connection Re-establishment Request，且不攜帶任何NAS消息。3、如果是切換（handover），msg3為在DCCH上傳輸?shù)慕?jīng)過加密和完整性保護(hù)的RRC Handover Confirm，必須包含UE的C-RNTI，且如果可能的話，需要攜帶BSR。4、對(duì)于其它觸發(fā)事件，則至少需要攜帶C-RNTI。C-RNTI：RRC連接臨時(shí)標(biāo)識(shí)；小區(qū)內(nèi)唯一；由RNCRNC是3G中的術(shù)語，LTE中對(duì)應(yīng)的是eNB基站分配；由MAC層使用BSR：是為了讓eNB知道自己的緩存狀態(tài)，eNB將此作為自己給該UE分配資源的參考NAS：非接入層信令UE在發(fā)完MSg3消息后就要立刻啟動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)消除定時(shí)器mac-ContentionResolutionTimer（而隨后每一次重傳消息3都要重啟這個(gè)定時(shí)器）, UE需要在此時(shí)間內(nèi)監(jiān)聽eNodeB返回給自己的沖突解決消息。步驟四: 沖突解決消息.如果在mac-ContentionResolutionTimer時(shí)間內(nèi), UE接收到eNodeB返回的ContentionResolution消息, 并且其中攜帶的UE ID與自己在Msg3中上報(bào)給eNodeB的相符,那么UE就認(rèn)為自己贏得了此次的隨機(jī)接入沖突, 隨機(jī)接入成功. 并將在RAR消息中得到的臨時(shí)C-RNTI置為自己的C-RNTI.否則的話, UE認(rèn)為此次接入失敗, 并按照上面所述的規(guī)則進(jìn)行隨機(jī)接入的重傳過程.值得注意的是, 沖突解決消息MSG4, 也是基于HARQ的. 只有贏得沖突的UE才發(fā)送ACK值, 失去沖突或無法解碼Msg4 的UE不發(fā)送任何反饋消息.二、LTE幀結(jié)構(gòu)1、在空中接口上，LTE系統(tǒng)定義了無線偵來進(jìn)行信號(hào)的傳輸，1個(gè)無線幀的長(zhǎng)度為10ms。LTE支持兩種幀結(jié)構(gòu)FDD和TDD。 在FDD幀結(jié)構(gòu)中，一個(gè)長(zhǎng)度為10ms的無線幀由10個(gè)長(zhǎng)度為1ms的子幀構(gòu)成，每個(gè)子幀由兩個(gè)長(zhǎng)度為0.5ms的時(shí)隙構(gòu)成。 在TDD幀結(jié)構(gòu)中，一個(gè)長(zhǎng)度為10ms的無線幀由2個(gè)長(zhǎng)度為5ms的半幀構(gòu)成，每個(gè)半幀由5個(gè)長(zhǎng)度為1ms的子幀構(gòu)成，其中包括4個(gè)普通子幀和1個(gè)特殊子幀。普通子幀由兩個(gè)0.5ms的時(shí)隙組成，而特殊子幀由3個(gè)特殊時(shí)隙（DwPTS、GP和UpPTS）組成。 作為TDD系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)，時(shí)間資源在上下行方向上進(jìn)行分配，TDD幀結(jié)構(gòu)支持7種不同的上下行時(shí)間比例分配（配置06），可以根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)量的特性進(jìn)行配置，支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)。這7種配置中包括4種5ms周期和3種10ms周期。n “D”代表此子幀用于下行傳輸，“U” 代表此子幀用于上行傳輸，“S”是由DwPTS、GP和UpPTS組成的特殊子幀。n 特殊子幀中DwPTS和UpPTS的長(zhǎng)度是可配置的，滿足DwPTS、GP和UpPTS總長(zhǎng)度為1ms 。圖1-1圖1-2例嗯，協(xié)議36.212第四章就可查閱。：規(guī)范要求幀結(jié)構(gòu)上行/下行配置為1，則查圖1-1可知TDD-LTE無線幀結(jié)構(gòu)為（DSUUDDSUUD）.已知常規(guī)長(zhǎng)度CP，特殊子幀配置7,則查圖1-2可知DwPTS:GP:UpPTS=10:2:2.對(duì)于5ms的上下行切換周期，子幀0、5、DwPTS一定走下行。對(duì)于10ms上下行切換周期，每個(gè)半幀都有DwPTS，只在第1個(gè)半幀內(nèi)有GP和UpPTS，第2個(gè)半幀的DwPTS長(zhǎng)度為1ms。UpPTS和子幀2用作上行，子幀7和9用作下行。2. FDD(頻分雙工)與TDD（時(shí)分雙工）區(qū)別FDD是在分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護(hù)頻段來分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對(duì)的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的。FDD在支持對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，頻譜利用率將大大降低。TDD用時(shí)間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD 方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中, 接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載, 其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。某個(gè)時(shí)間段由基站發(fā)送信號(hào)給移動(dòng)臺(tái)，另外的時(shí)間由移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)給基站，基站和移動(dòng)臺(tái)之間必須協(xié)同一致才能順利工作。圖2-1由上圖2-1觀察得出頻分雙工技術(shù)在上下行使用對(duì)稱的頻率區(qū)分，時(shí)域上上下行可以同時(shí)傳輸，即可以同時(shí)進(jìn)行收發(fā)。時(shí)分雙工在頻域上進(jìn)行了復(fù)用，節(jié)約了頻域資源，但是上下行使用不同的時(shí)間來區(qū)別，故不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)。3、 TDD 雙工方式的工作特點(diǎn)使TDD具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）能夠靈活配置頻率，使用FDD 系統(tǒng)不易使用的零散頻段；（2）可以通過調(diào)整上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)，提高下行時(shí)隙比例，能夠很好的支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低了設(shè)備成本；（4）接收上下行數(shù)據(jù)時(shí)，不需要收發(fā)隔離器，只需要一個(gè)開關(guān)即可，降低了設(shè)備的復(fù)雜度；（5）具有上下行信道互惠性，能夠更好的采用傳輸預(yù)處理技術(shù)，如預(yù)RAKE 技術(shù)、聯(lián)合傳輸(JT)技術(shù)、智能天線技術(shù)等, 能有效地降低移動(dòng)終端的處理復(fù)雜性。但是，TDD雙工方式相較于FDD，也存在明顯的不足：（1）由于TDD方式的時(shí)間資源分別分給了上行和下行，因此TDD方式的發(fā)射時(shí)間大約只有FDD的一半，如果TDD要發(fā)送和FDD同樣多的數(shù)據(jù)，就要增大TDD的發(fā)送功率；（2）TDD系統(tǒng)上行受限，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；（3）TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進(jìn)行干擾隔離，系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間存在干擾；（4）為了避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD