隨機接入詳述(華為)

1、隨機接入過程詳解作者彭濤/00294921部門GTAC WL LTE eNodeB維護三組版本Version 2.0創(chuàng)建時間2014/10/30修改記錄2014/11/051.隨機接入概述1.1隨機接入目的隨機接入（Random Access，簡稱RA）過程是UE向系統(tǒng)請求接入，收到系統(tǒng)的響應并分配接入信道的過程，一般的數據傳輸必須在隨機接入成功之后進行。除PRACH信道外，UE發(fā)送任何數據都需要網絡預先分配上行傳輸資源，通過隨機接入來獲取。數據通過空口傳輸需要一段時間。UE發(fā)送上行數據時必須提前一段時間發(fā)送，使數據在預定的時間點到達網絡，即要保持上行同步。通過隨機接入，UE獲得上行發(fā)送時間提

2、前量Time Alignment（簡稱TA）。1.2隨機接入分類隨機接入（Random Access）分為基于競爭的隨機接入過程和基于非競爭的隨機接入過程，相應的流程如圖2.1和2.2所示。圖1.1基于競爭的隨機接入圖1.2基于非競爭的隨機接入與基于競爭的隨機接入過程相比，基于非競爭的接入過程最大差別在于接入前導的分配是由網絡側分配的，而不是由UE側產生的，這樣也就減少了競爭和沖突解決過程。1.3隨機接入場景1)初始接入場景，是基于競爭的隨機入過程，由UE MAC Layer發(fā)起，多為終端初始入網的時候。2)RRC連接重建場景，是基于競爭的隨機接入過程，由UE MAC Layer發(fā)起，多為信號

3、掉線重新進行建立連接。3)切換場景，通常是非競爭的隨機接入過程，但在eNodeB側沒有的專用前導可以分配時，發(fā)起基于競爭的隨機接入過程，由PDCCH order發(fā)起。4)連接態(tài)時UE失去上行同步同時有上行數據到達的場景，是基于競爭的隨機接入過程，由UE MAC Layer發(fā)起。5)連接態(tài)時UE失去上行同步同時有下行數據需要發(fā)送的場景，通常是非競爭的隨機接入過程，但在eNodeB側沒有的專用前導可以分配時，發(fā)起基于競爭的隨機接入過程，由PDCCH order發(fā)起。6)LCS(定位服務)觸發(fā)非競爭的隨機接入。（具體場景待確認）1.4上下行失步的判斷失步分為上行失步和下行失步，在eNB側檢測到的失步

4、稱為上行失步；在UE可以同時檢測到上行失步及下行失步。eNB檢測上行失步的方法有兩種：1、eNB連續(xù)N次下發(fā)TA但是沒有收到TA_ACK；2、檢測到ENB L1基帶上行連續(xù)N次沒有上報TA值到L2；兩種條件中任意組合連續(xù)達到N次，就判斷為上行失步。UE的上行失步：是通過TA定時器維護的，當TA定時器超時后，終端還沒有收到eNB下發(fā)的TA調整的MCE，則判斷為上行失步。UE檢測下行失步：UE DSP每200ms對時延譜濾波值(z注：相當于參考信號RSRP的檢測)進行判斷，如果滿足某門限，則上報L3（z注：RRC層）失步；L3在同步狀態(tài)連續(xù)收到N310個L1（PHY層）上報的out-of-sync

5、指示，則認為失步；同時，啟動T310定時器，在T310超時前，若收到N311次in-sync指示，則認為UE恢復同步狀態(tài)；否則，T310超時后，UE會觸發(fā)重建流程，同時啟動T311定時器，若超時仍未重建成功，則進入IDLE態(tài)。UE下行失步檢測的流程圖如下：2.隨機接入過程圖2.1初始隨機接入過程整體log2.1MSG1隨機接入前導（preamble）的發(fā)送隨機接入前導為一個脈沖，在時域上，此脈沖包含一個循環(huán)前綴（時間長度為Tcp）和一個前導序列時間長度（Tseq）和一段空余（TGP）；頻域上位為6個資源塊。圖2.2機接入時隙結構CP：保證接收機可以進行頻域檢測（ZC序列），并抵抗符號間干擾。G

6、P（GT）：由于在發(fā)送RACH時，還沒有建立上行同步，因此，需要在Preamble序列之后預留保護時間（GT：Guard Time），用來避免對其他用戶產生干擾。預留的GT需要支持傳輸距離為小區(qū)半徑的兩倍，這是因為在發(fā)送Preamble時還不知道eNB和UE之間的距離，GT的大小必須保證小區(qū)邊緣的用戶獲得下行幀定時（小區(qū)搜索）后，能夠有足夠多的時間提前發(fā)送。2.1.1準備工作UE在PRACH上發(fā)送隨機接入前導。前導一般攜帶有6位信息：5位標識RA-RNTI，1位表示msg3上行調度傳輸時的傳輸數據大小。初始隨機接入是由UE MAC sublayer自己發(fā)起的，在進行初始的隨機接入過程之前，需要

7、提前通過SIB2(如圖2.2所示)獲取以下信息：1PRACH信道參數：通過Preamble配置索引(prach-ConfigIndex)可以獲知Preamble Format（如表2.1所示）以及PRACH位于哪個子幀上；PRACH頻域資源偏移（prach-FreqOffset），可以確定PRACH的頻域位置。 2隨機接入分組及每組可用的隨機接入Preamble； 3隨機接入響應窗口（UE通過窗口機制控制Msg2的接收，經過ra_ResponseWindowSize子幀停止Msg2的接收）的大?。╮a_ResponseWindowSize）； 4功率遞增因子（powerRampingStep）

8、； 5Preamble初始功率（preambleInitialReceivedTargetPower）； 6Preamble的最大發(fā)送次數（preambleTransMax）；7.基于偏移量DELTA_PREAMBLEDE的preamble格式； 8Msg3最大重傳次數（maxHARQ-msg3Tx）； 9競爭解決定時器（mac-ContentionResolutionTimer）；表2.1隨機接入preamble的格式Preamble formatTGP0839(100us)(12 symbols, 800us)1839(684us)(12 symbols, 800us)2839(200us

9、)(24 symbols, 2x800us)3839(684us)(24 symbols, 2x800us)4(TDD only)139(14.6us)(24 symbols, 133.33us)(假設最大time advanced時間為20us)圖2.3SIB2的log信息2.1.2發(fā)送PREAMBLE功率確定發(fā)射功率設置為PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER= PREAMBLE_INITIAL_RECEIVED_TARGET_POWER + (PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER-1) * POWER_RAMP_STEP2.1.3PRACH的選

10、擇隨機接入信道（RACH）作為上行隨機接入信道，僅僅用于傳送隨機接入前導數據，由于前導數據在MAC層就進行處理，因此其沒有對應的邏輯信道。物理隨機接入信道（PRACH）負責承載RACH，是RACH映射的物理信道，其有固定的時頻資源，時頻資源的獲得通過系統(tǒng)消息中SIB2中的公共信道配置參數中獲得。PRACH信道的時域結構由RA時隙的長度和周期兩個變量來定義。RA時隙的長度被確定為子幀長度，即1ms。RA時隙所處的子幀位置取決于RA時隙的發(fā)送周期和RA時隙所處的子幀編號。不同的RA時隙發(fā)送周期可以用于不同負載的網絡，對于小帶寬的系統(tǒng)，小區(qū)負載較小，則可以采用較長的RA時隙發(fā)送周期；對于大帶寬的系統(tǒng)

11、，小區(qū)負載較大，則可以采用較短的RA時隙發(fā)送周期。RA時隙的配置方法如表2.2所示。表2.2RA時隙配置表PRACH configurationSystem frame numberSubframe number號0Even間隔20ms發(fā)11Even42Even73Any間隔10ms14Any45Any76Any1, 67Any2 ,78Any3, 89Any1, 4, 710Any2, 5, 811Any3, 6, 912Any0, 2, 4, 6, 813Any1, 3, 5, 7, 914Any0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 915Even92.1.4隨機接入前導的

12、選擇隨機接入前導的選擇分為兩種情況：1.MSG3消息未被傳輸過首先判斷Preamble Group B是否存在；如果Preamble Group B存在，并且可用數據與MAC頭以及MAC控制單元之和大于messageSizeGroupA，并且路損小于PARTITION_PATHLOSS_THRESHOLD (即：Pmax PREAMBLE_ INITIAL_RECEIVED_TARGET_POWER DELTA_PREAMBLE_MSG3 messagePowerOffsetGroupB)，則選擇B組中的Preamble，否則選擇A組的。確定了Preamble分組之后，隨機從中選擇一個。通俗的

13、說就是選擇分組的依據為Msg3的大小和線路質量。如果Msg3較大且線路良好，則選B組，否則選A組。2.MSG3消息被傳輸過選擇第一次傳輸Msg3時所使用前導序列所在的隨機接入前導序列組。雖說把根序列循環(huán)移位后共得到64個preamble ID（一般情況下是64個preamble ID，但有些特殊情況比如其他廠商或者更大的小區(qū)半徑范圍，preamble ID數量可能發(fā)生變化），UE在其中可以隨機選一個，但還是要遵循一個規(guī)定的范圍：0到51這前52個preamble ID用于競爭隨機接入，其中GroupA需要的Preamble Index范圍是0到27，GroupB需要的Preamble Inde

14、x范圍是28到51。對于基于競爭的RA，UE要自己先確定選擇GroupA還是GroupB以便確認preamble ID可選范圍，然后UE再隨機選取Preamble Index上報給eNodeB。52到63用于非競爭隨機接入。基站會通過空口消息下發(fā)給UE。2.1.5隨機接入前導與小區(qū)半徑的關系一個小區(qū)需要64個preamble，每個preamble都是由ZC根序列經過移位得到。由于每個ZC根序列每次循環(huán)移位的位數是基站根據配置文件中的小區(qū)半徑計算的，這個根序列可以得到的preamble個數是有限的，一個ZC根序列經過循環(huán)移位可能得不到64個preamble，所以一個小區(qū)可能需要多個ZC根序列。如

15、果將小區(qū)半徑改大，Ncs將變大，導致循環(huán)移位次數Cv（Cv= Nzc/Ncs）的取值個數變小，即：一個根序列可生成的preamble的個數，造成小區(qū)所需要的ZC根序列增多,可能與周邊其他小區(qū)的根序列相同導致干擾產生。UE發(fā)送的preamble（例如format0需要64個preamble），是基于根序列循環(huán)移位運算后得到的。一個根序列長度為839，每次可以移位的位數等于Ncs，那么一個根序列可以循環(huán)移位的次數為Cv=839/Ncs，向下取整。系統(tǒng)消息中zeroCorrelationZoneConfig=2，則NCS=15表2.3NCS配置表NCS*TSTRTD+max+TAdSchTS前導序列

16、采樣間隔。對于Preamble格式03,TS=800/839(usec)；對于Preamble格式4，TS=133.33/139（usec）TRTD:小區(qū)最大RTD時延，和小區(qū)半徑Radius(Km)的關系為：TRTD=6.67*Radius(usec)max:最大多徑時延擴展（usec），取值5usec。TAdSch:向前搜索的時間長度，由下行同步誤差決定，下行同步誤差最大為2usec2.1.6發(fā)送MSG1UE發(fā)送preamble時，會根據發(fā)送Msg1的子幀號和頻率層計算得到的RA-RNTI，RA-RNTI= 1+t_id+10*f_id。其實是與PRACH信道的時頻位置一一對應的。t_id

17、表示對應PRACH的第一個Subframe索引(0 t_id 10)；f_id表示該Subframe中的PRACH索引(0 f_id 6)，PRACH索引按照頻域的遞增順序索引。（RA-RNTI是由PRACH資源位置計算得到的，不需要協(xié)商）。UE發(fā)出Msg1后，根據自己發(fā)送Msg1所使用的RA-RNTI。經過一段時間（目前實現(xiàn)采用3ms）后，開始使用RA-RNTI監(jiān)聽網絡下發(fā)的RA響應（Msg2），UE持續(xù)監(jiān)聽Msg2的時間，即Msg2等待窗口大小。（Msg2的等待窗口大小最大不超過10ms）。eNodeB接收到MSG1后，eNodeB用64個preamble ID去逐個與檢測到的preamb

18、le進行相關性峰值計算，也能獲得UE和eNodeB的時延。eNodeB用某一個preamble ID與MSG1計算得到相關性峰值即認為UE發(fā)送的就是這個preamble ID。2.1.7QXDM抓取MSG1的log圖2.4MSG1的log信息2.2MSG2隨機接入響應的接收UE使用RA-RNTI這個量來標識UE在什么時頻資源發(fā)送RA preamble；而網絡端也有和UE相同的參數，因此可以計算出與UE相同的RA-RNTI，因此網絡端可以根據RA-RNTI知道在什么樣的時頻資源接收UE的RA preamble。而在RA response中，UE首先會監(jiān)聽PDCCH，如果收到與自己發(fā)送preamb

19、le時相對應的RA-RNTI，UE就會去監(jiān)聽PDSCH，因為有多個UE使用相同的RA-RNTI，并且有相同的RA preamble ID，因此會有多個UE收到相同的RAR，且這些UE都認為RAR是成功的。這樣就產生了沖突,即多個UE有相同的TC-RNTI。2.2.1MSG2攜帶的信息eNodeB接收到preamble后，申請分配TC-RNTI并進行上下行調度傳輸的申請，eNodeB在DL-SCH上發(fā)送RAR攜帶的信息由RA-preamble ID，Timing Alignment information，UL Grant和TC-RNTI，在一條DL-SCH上可以同時為多個UE發(fā)送RAR。2.2

20、.2UE在時間窗內收到RAR若響應中包含有過載指示符，則更新UE中的backoff值。否則設置backoff為0。若收到的RA-preamble identifier與先前發(fā)送的id一致，則UE認為響應成功，進行下一步動作：處理收到的TA值若收到消息中包含UL grant值，則處理該值若UE沒有C-RNTI,則使用從響應消息中收到的T-CRNTI若UE處于連接態(tài)下（非RLF），則上行傳輸的MAC PDU控制元素必須包含有C-RNTI若UE位于空閑態(tài)或RLF下，則MAC層將會通知上層成功信息。2.2.3Backoff含義短時間內可能有多個UE使用同一個前導同時發(fā)起競爭隨機接入，將造成前導碰撞。這

21、些UE中只能有一個UE正?？焖偻瓿呻S機接入，而其他UE將在后續(xù)時刻同一個PRACH上重新發(fā)送前導嘗試接入，那么PRACH上發(fā)生碰撞的概率仍然較大，UE再次無法接入，從而接入時延增加。為此，3GPP協(xié)議提供BackOff機制，令UE在指定的BackOff時間內自己選擇一個隨機時刻再次發(fā)送隨機接入前導。通過BackOff自適應特性，eNodeB根據小區(qū)當前競爭接入的負載，設定合適的BackOff值，從而降低UE再次發(fā)生碰撞的概率，提升接入時延。簡單來說就是：在時間上打散UE再次接入的時刻）。Backoff參數值如表2.3所示。表2.4Backoff參數值IndexBackoff Parameter

22、 value (ms)0011022033044056068071208160924010320114801296013Reserved14Reserved15Reserved2.2.4UE在時間窗內未收到RAR若在整個TTI窗口中UE都沒有收到響應信息，或接收響應信息失敗，則UE認為接收響應失敗，并進行以下動作：1，若PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER= PREAMBLE_TRANS_MAX，則如果UE位于空閑態(tài)，標識隨機接入流程失敗。至于后續(xù)UE是否要發(fā)起隨機接入，要看UE高層的指示。2.2.5RAR MAC PDU構成RAR MAC PDU的組成如圖2.2所示。一

23、個MAC PDU header有一個或多個sub-header組成（如圖2.3所示），也就是可能包含多個UE的RAR，每個sub-header對應著一個RAR，用于指示OVERLOAD的sub-header（如圖2.4所示）例外。每個UE首先從MAC PDU的sub-header中獲得自己的RAR的信息，然后再從MAC負載中解析出MAC RAR（如圖2.5所示）。圖2.5RAR MAC PDU結構圖2.6sub-header結構（不包含指示OVERLOADsub-header）圖2.7指示OVERLOAD的sub-header結構圖2.8MAC RAR組成2.2.6QXDM抓取MSG2的log

24、圖2.9MSG2的log信息2.3MSG3調度傳輸Msg3中主要包含RRC連接請求、跟蹤區(qū)域更新、調度請求或RRC連接重建請求等，在空閑模式下還包含TC-RNTI和6字節(jié)(48bit)的競爭解決標識，而在連接模式下包含C-RNTI，這些都會在以后的競爭解決的情況下用到。MSG3通過UL-SCH信道傳輸，傳輸塊由Step2中UL grant value指定，但不小于80bits；不同的場景MSG3消息有所不同。初始接入以TM模式在CCCH信道上發(fā)送攜帶NAS UE標識的RRC_CONNECTION_REQUEST消息，不包含NAS消息；攜帶的是TC-RNTI。重建以RLC TM模式在CCCH信道

25、上發(fā)送RRC_CONNECTION_REESTABLISHMENT_REQUEST，不包含NAS消息；攜帶的是C-RNTI。切換HO在DCCH傳輸加密和完整性保護的RRC_HANDOVER_CONFIRM消息，必要時還包括BSR；攜帶的是C-RNTI。其他情況發(fā)起的隨機接入包含C-RNTI。2.3.1建立RRC連接的原因分類建立RRC連接的原因主要包括Mo-Data、Mo-Sig、mt-Access、highPriorityAccess concerns、emergency六類，具體每類標示的意義。Mo-Data即為mobile originating calls，常見場景為終端IDLE態(tài)，由

26、于要發(fā)起業(yè)務重新達到RRC連接態(tài)，于是RRC Connection Request攜帶原因值MoData；Mo-Sig即為mobile originating signalling，常見場景為初始attach及TAU；Mt-Access即為終端作為被叫時發(fā)起RRC連接建立。HighPriorityAccess concernsAC11.AC15高接入等級用戶接入。如119、120等。Emergency緊急呼叫使用；如110等。2.3.2QXDM抓取MSG3的log圖2.10RRC連接建立請求log圖2.11MSG3的log信息2.4MSG4競爭解決eNodeB在MAC層進行競爭決議，并通過在P

27、DCCH上使用C-RNTI或者在DL-SCH上通過UE競爭解決標識指示UE。競爭決議是基于PDCCH上的C-RNTI或在DL-SCH上的競爭決議標識實現(xiàn)的。競爭決議分為以下兩種情況：u基于C-RNTI的競爭決議在成功解碼隨機接入響應之后，UE會在Msg3中包含一個C-RNTI MAC控制元，這時UE會按照隨機接入響應中的UL Grant和C-RNTI將Msg3發(fā)送出去，此時基站就會知道UE的C-RNTI，如果UE收到由此C-RNTI擾碼的PDCCH，則競爭解決成功。u基于競爭解決標識的競爭決議由于此時UE不包含C-RNTI，在成功解碼隨機接入響應之后UE會在Msg3中包含一個競爭解決標識MAC

28、控制元（如圖2.6所示），這時UE會按照隨機接入響應中的UL Grant和TC-RNTI將Msg3發(fā)送出去，此時基站就會知道終端的競爭解決標識，如果UE收到此TC-RNTI擾碼的PDCCH(此時會有多個UE共用一個TC-RNTI，所以也會有多個UE收到有此TC-RNTI擾碼的PDCCH)，且UE正確解碼的MAC PDU中的競爭解決標識與之前Msg3中的一致，則競爭解決成功。將TC-RNTI的值設為C-RNTI。初始隨機接入過程中的競爭解決就是根據TC-RNTI和UE競爭解決標識來解決的。圖2.12UE競爭解決標識MAC控制單元2.4.1QXDM抓取MSG4的log圖2.13MSG4的log信息

29、3.隨機接入中幾種RNTIPDCCH中承載的是DCI（Downlink Control Information），包含一個或多個UE上的資源分配和其他的控制信息。每個PDCCH中，包含16bit的CRC校驗，UE用來驗證接收到的PDCCH是否正確，并且CRC使用和UE相關的Identity進行擾碼，使得UE能夠確定哪些PDCCH是自己需要接收的，哪些是發(fā)送給其他UE的。隨機接入過程中，UE首先通過SI-RNTI解析系統(tǒng)消息，獲取PRACH和RACH相關配置信息，在PRACH發(fā)送MSG1。然后在MSG2等待窗內，UE使用計算的RA-RNTI解析獲取MSG2。如果等待窗超時沒有收到MSG2，抬升功率重新發(fā)送MSG1。收到MSG2之后，獲取到TC-RNTI和MSG3的UL Grant，在UL Grant指定時頻位置發(fā)送MSG3，并使用TC-RNTI檢測MSG4。如果收到MSG4，競爭成功，隨機接入結束，TC-RNTI變?yōu)镃-RNTI，UE在該小區(qū)后續(xù)上下行調度都使用該C-RNTI。如果未收到MSG4，競爭失敗，