LTE-TDD隨機接入過程(1)-目的和分類

1、1.隨機接入的目的隨機接入是UE和網絡之間建立無線鏈路的必經過程，只有在隨機接入完成之后，eNB和UE之間才能正常進行數(shù)據(jù)互操作（Normal DL/UL transmission can take place after the random access procedure）。UE可以通過隨機接入實現(xiàn)兩個基本的功能：（1）取得與eNB之間的上行同步（TA）。一旦上行失步，UE只能在PRACH中傳輸數(shù)據(jù)。（as long as the L1 is non-synchronised, uplink transmission can only take place on PRACH.）（2）申請

2、上行資源（UL_GRANT）。2.隨機接入的種類根據(jù)業(yè)務觸發(fā)方式的不同，可以將隨機接入分為基于競爭的隨機接入（Contention based random access procedure）和基于非競爭的隨機接入（Non-Contention based random access procedure）。所謂“競爭”，就是說可能存在這么一種情況，UE-A/B/C/D多個終端，在同個子幀、使用同樣的PRACH資源，向eNB發(fā)送了同樣的前導碼序列，希望得到eNB的資源授權，但此時eNB無法知道這個請求是哪個UE發(fā)出的，因此后續(xù)各UE需要通過發(fā)送一條只與自己本UE相關的、獨一無二的消息（MSG3）

3、，以及eNB收到這條消息后的回傳（MSG4）到UE，來確認當前接入成功的UE是哪一個。這種機制就是競爭解決機制。類似GSM系統(tǒng)的SABM/UA幀的握手機制。2.1.競爭隨機接入的場景當eNB不知道UE的業(yè)務或者狀態(tài)，而UE又必須申請上行資源或上行TA同步的時候，UE就需要發(fā)起競爭隨機接入。這種情況下，eNB沒有為UE分配專用的Preamble碼，而是由UE在指定范圍內（以后博文會具體介紹這個范圍）隨機選擇Preamble碼并發(fā)起隨機接入過程。發(fā)生競爭接入的具體場景有（36300-10.1.5）：（1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此時RRC層的狀態(tài)

4、為RRC_IDLE，UE需要CONNECTION REQUEST，而eNB無法知道，因此需要UE執(zhí)行競爭接入過程。（2）UE的重建（RRC Connection Re-establishment procedure）。重建的原因有多種，比如UE側的RLC上行重傳達到最大次數(shù)，就會觸發(fā)重建，此時eNB也不知道UE的重建狀態(tài)，也需要UE執(zhí)行競爭接入過程。（3）UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測到上行失步（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedurewhen UL synchronisation status i

5、s non-synchronised）。這個情況與初始接入類似，eNB無法知道UE什么時候有上行業(yè)務要做，因此需要UE執(zhí)行競爭接入過程。（4）UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，但沒有SR資源（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure whenthere are no PUCCH resources for SR available）。一般的，如果沒有UL_GRANT用于發(fā)送BSR，UE會通過SR發(fā)送上行資源申請，但如果也沒有SR資源，則只能通過競爭接入過程申請UL_GRANT。此時，eNB顯然也不知道UE是否

6、有上行數(shù)據(jù)發(fā)送。（5）如果非競爭接入過程中，eNB發(fā)現(xiàn)沒有了非競爭資源，此時也會轉到競爭接入過程（定位過程除外）。（非競爭接入過程的具體定義和消息交互過程見后文描述）包括：（5.1）切換（Handover）。切換是由eNB側發(fā)起的，因此優(yōu)先執(zhí)行非競爭接入過程。（5.2）eNB有下行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測到上行失步（DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedurewhen UL synchronisation status is “non-synchronised”）。eNB側可以由MAC和RRC配合處理，優(yōu)先

7、執(zhí)行非競爭接入過程。（5.3）RRC連接態(tài)下需要執(zhí)行定位過程但UE此時并沒有TA（For positioning purpose during RRC_CONNECTED requiring random access procedurewhen timing advance is needed for UE positioning）。本過程只能進行非競爭接入。2.2.非競爭隨機接入的場景非競爭隨機接入是UE根據(jù)eNB的指示，在指定的PRACH信道資源上使用指定的Preamble碼發(fā)起的隨機接入，適用于（1）切換（Handover）。（2）eNB有下行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測到上行失步（DL data

8、 arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedurewhen UL synchronisation status is “non-synchronised”）。（3）定位過程。等場景。3.競爭隨機接入的主要流程本文僅描述主要流程，一些細節(jié)內容以后會分不同的主題再描述。下圖是36300給出的競爭隨機接入的四步過程，包括Random Access Preamble（MSG1）和Random Access Response（MSG2）、Scheduled Transmission（MSG3）和Contention Resolu

9、tion（MSG4）。A.UE向eNB發(fā)送前導碼(Random Access Preamble on RACH in uplink)。隨機接入前導序列碼集合是由物理層生成的最大數(shù)目為64個Zadoff-Chu序列及其移位序列組成。eNB側的RRC分配部分或全部Preamble序列的索引值用于競爭隨機接入，并通過系統(tǒng)信息SIB2廣播到UE。UE隨機接入需要的PRACH物理信道資源如PRACH個數(shù)和時頻位置等也由RRC通過系統(tǒng)消息SIB2廣播到UE。UE側的RRC收到SIB2后，解析出其中的Preamble信息并配置到MAC，由MAC根據(jù)路損等信息在Preamble集合中隨機選擇一個Preambl

10、e索引配置給物理層，物理層根據(jù)MAC的Preamble索引，通過查表/公式生成有效的Preamble ZC序列并發(fā)送到eNB。關于前導碼時頻位置更詳細的內容，請參考我的另一篇文章LTE-TDD隨機接入過程（2）-前導碼Preamble的格式與時頻位置。每個小區(qū)可用的Preamble碼總數(shù)不超過64個，在所有用于競爭隨機接入的Preamble碼中，eNB側的RRC可以選擇性的將其分為2組：Group A和Group B。UE觸發(fā)隨機接入的時候，需要根據(jù)待發(fā)的MSG3大小和路損大小確定Preamble碼集合(If both groups are configured the size of mes

11、sage 3 and the pathloss are used to determine which group a preamble is selected from)。其中，Group B用于MSG3較大而路損較小的場景，Group A用于其它不適合Group B的場合。那么如何衡量MSG3和路損是大還是小，這些值衡量的門限參數(shù)是由eNB在SIB2信息中通知給UE的。UE確定Preamble碼使用集合A或B后，從該集合中隨機選擇一個Preamble碼發(fā)送。關于前導碼分組的更詳細內容，請參考我的另一篇文章LTE-TDD隨機接入過程（4）-RIV的解析和Preamble資源的選擇。如果eNB

12、將小區(qū)內所有的Preamble碼都劃歸為Group A（即SIB2中配置的總SIZE=Group A SIZE），則UE直接從Group A中隨機選擇一個Preamble碼發(fā)送。eNB側RRC配置的Group A SIZE和Group total SIZE一般可以由管理工具配置，不需要RRC代碼靜態(tài)分配，UE側RRC根據(jù)GroupA SIZE和total SIZE即可計算出Group B的SIZE。UE根據(jù)從SIB2中獲取到的信息，生成隨機接入前導Preamble序列，并在PRACH信道的相應隨機接入資源上發(fā)起隨機接入。 此時UE并不知道eNB與UE之間的距離，為避免對其它用戶干擾，Pream

13、ble序列設計時，后面會有一個GT保護間隔。B.eNB向UE發(fā)送MSG2（Random Access Response generated by MAC on DL-SCH）。eNB會在PRACH中盲檢測前導碼，如果eNB檢測到了隨機接入前導序列碼Radom Access Preamble，則上報給MAC，后續(xù)會在隨機接入響應窗口內，在下行共享信道PDSCH中反饋MAC的隨機接入響應Radom Access Response。解碼PDSCH信道內容，需要UE先通過RA-RNTI解碼出PDCCH資源分配信息，然后繼續(xù)解碼PDSCH信道內容。而RA-RNTI是由承載MSG1的PRACH時頻資源位置

14、確定的，UE和eNB均可以計算出RA-RNTI值，因此空口中并不需要傳輸RA-RNTI。關于RAR的更詳細內容，請參考我的另一篇文章LTE-TDD隨機接入過程（3）-RAR（MSG2）以及MSG1的重傳。隨機接入響應窗口的起點是與MSG1（RA Preamble）間隔3個子幀，長度為2-10ms，由eNB的RRC配置，并通過系統(tǒng)信息SIB2發(fā)送到UE。RA Response（MSG2）消息中包含：MSG1中的RA Preamble（供UE匹配操作）、UE上行定時提前量TA（11位，粗調）、backoff回退參數(shù)（重新發(fā)起Preamble碼應延遲再次接入的時間）、為傳輸MSG3分配的PUSCH上

15、行調度信息UL_Grant（包括是否跳頻、調制編碼率、接入資源和接入時刻等內容）、Temple C-RNTI（供MSG3加擾使用）。RA response（MSG2）是一個獨立的MAC PDU，在DL-SCH中承載。一個MSG2中可以包含多個UE的Preamble，即響應多個UE的隨機接入請求。UE通過檢測MSG2中是否攜帶了其發(fā)送的Preamble碼來標識是否收到了eNB的隨機接入響應，但此時還沒有完成競爭解決，并不表示此次eNB側的應答就是針對本UE的應答。C.UE向eNB發(fā)送MSG3（First scheduled UL transmission on UL-SCH）。UE根據(jù)RA Re

16、sponse中的TA調整量可以獲得上行同步，并在eNB為其分配的上行資源中傳輸MSG3，以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。Msg3的初始傳輸是唯一通過MAC層MSG2消息指示的上行數(shù)據(jù)動態(tài)調度傳輸，當隨機接入過程完成后，其他動態(tài)調度上行初始傳輸都是通過DCI0進行資源分配指示。MSG3消息開始支持HARQ過程，重傳的資源和位置通過Temple C-RNTI加擾的DCI0告訴UE。MSG3可能攜帶RRC建鏈消息（RRC Connection Request），也可能攜帶RRC重建消息（RRC Connection Re-establishment Request）。如果有層3消息，那么MAC需要保存該CC

17、CH SDU信息，因為eNB MAC發(fā)送MSG4的時候需要將UE的這個CCCH SDU信息回發(fā)給UE，當做競爭解決標識（UE Contention Resolution Identity）使用，以便完成最終的競爭解決。D.eNB向UE發(fā)送MSG4（Contention Resolution on DL）。eNB和UE最終通過MSG4完成競爭解決：（1）對于初始接入和重建的情況，MSG4中的MAC PDU會攜帶競爭解決標識（UE Contention Resolution Identity，即MSG3中的CCCH SDU，RRC Connection Request、RRC Connection

18、 Re-establishment Request等消息）。UE在解碼TC-RNTI加擾的PDCCH信道后（The Temporary C-RNTI on PDCCH for initial access and after radio link failure），繼續(xù)在PDSCH信道中獲取MSG4的MAC PDU內容，解碼成功后，與UE之前在MSG3中發(fā)送的CCCH SDU進行比較，二者相同則競爭解決成功（因為不同的UE，其標識不同）。此時MSG3的MAC-CE中不會攜帶CRNTI字段，對于重建而言，CCCH SDU中則會攜帶CRNTI信息，RRC據(jù)此區(qū)分不同的UE。競爭解決后，TCRNTI

19、轉正為CRNTI(The Temporary C-RNTI is promoted to C-RNTI for a UE which detects RA success and does not already have a C-RNTI; it is dropped by others.)（2）對于切換、上/下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)Р降绕渌麍鼍斑M行的競爭隨機接入場景，此時因為UE已經分配了C-RNTI，在MSG3的MAC-CE中會將C-RNTI通知到eNB，因此eNB使用舊的C-RNTI加擾的PDCCH調度MSG4，而不使用TCRNTI加擾MSG4(The C-RNTI on PDCCH for

20、UE in RRC_CONNECTED)。UE解碼出PDCCH調度命令的時候表示完成競爭解決，MSG4中的具體內容已經與競爭解決無關。這時，MSG2中由eNB分配的TC-RNTI失效，后續(xù)由eNB繼續(xù)分配給其它UE使用(A UE which detects RA success and already has a C-RNTI, resumes using its C-RNTI.)。因此，此種場景MSG4中不包括UE競爭解決標識。特殊的，若是上行數(shù)據(jù)到達但TA失步的場景，MSG3中無CCCH SDU信息，eNB收到MSG3后，只需要調度DCI0給UE即可。MSG4消息也支持HARQ過程，UE通過PUCCH指示ACK，eNB PHY