隨機接入過程

3.4MAC過程3.4.1隨機接入過程341.1概述隨機接入是蜂窩系統(tǒng)一個最基本的功能，它使終端與網(wǎng)絡建立連接成為可能，誠如其名,這樣的接入的發(fā)起以及采用的資源具有隨機性，當然接入成功也具有隨機性，那么在什么情況下需要發(fā)起隨機接入的過程呢？隨機的接入場景如下：基于競爭模式的隨機接入：RRC_IDLE狀態(tài)下的初始接入；無線鏈路出錯以后的初始接入；RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當有上行數(shù)據(jù)傳輸時，例如在上行失步后，non-synchronised”,或者沒有PUCCH資源用于發(fā)送調(diào)度請求消息，也就是說在這個時候除了通過隨機接入的方式外，沒有其它途徑告訴eNB，UE存在上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送基于非競爭模式的隨機接入：RRC_CONNECTED狀態(tài)下，當下行有數(shù)據(jù)傳輸時，這時上行失步"non-synchronised"，因為數(shù)據(jù)的傳輸除了接收外，還需要確認，如果上行失步的話，eNB無法保證能夠收到UE的確認信息，因為這時下行還是同步的，因此可以通過下行消息告訴UE發(fā)起隨機接入需要使用的資源，比如前導序列以及發(fā)送時機等，因為這些資源都是雙方已知的，因此不需要通過競爭的方式接入系統(tǒng)；切換過程中的隨機接入，在切換的過程中，目標eNB可以通過服務eNB來告訴UE它可以使用的資源；是否基于競爭在于在當時終端能否監(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，當然這個判斷是由eNB作出的，而不是UE自己來決定的。3.4.1.2 隨機接入過程初始化隨機接入過程可以由PDCCHorder或者MAC子層自己來觸發(fā)，如果UE收到一個發(fā)給它的PDCCH傳輸含有一個PDCCHorder，那么它就會發(fā)起一個隨機接入過程，PDCCHorder或者是RRC消息會指示ra-PreambleIndex與ra-PRACH-MaskIndex信息以告訴UE它可以使用的前導序列以及發(fā)送機會。在發(fā)起隨機接入過程之前，下面的信息必須已經(jīng)具備了：?用于發(fā)送隨機接入前導的PRACH資源以及準備好了，由prach-ConfigIndex指示；有可用的隨機接入前導，在MAC層有可能設置兩組隨機接入前導:GroupB與GroupA,分布用于指示發(fā)送的MSG3的大小，GroupB的前導序列個數(shù)由下面的參數(shù)推導可得GroupB前導序列個數(shù)=numberOfRA-Preambles-sizeOfRA-PreamblesGroupAo在SIB2里面定義的PRACH的無線資源里面會提供上面的兩個參數(shù)，從上面可以知道如果GroupA的前導序列跟總的隨機接入前導序列相等，那么UE就知道不存在GroupB的前導序列，GroupA與GroupB的前導序列編號如下：o[0sizeOfRA-PreamblesGroupA一1]以及[sizeOfRA-PreamblesGroupAnumberOfRA-Preambles—1]UE選擇GroupA還是選擇GroupB就看是否有這個需要以及滿足一定的條件，比如UE希望在發(fā)送MSG3里面攜帶VblP的包，那么自然需要的資源就要大一些，那么當eNB收到UE發(fā)送的前導序列屬于GroupB時，它就會分配多一點資源給UE來發(fā)送MSG3如果存在GroupB的前導序列，那么由于GroupB對于的MSG3消息比較大，因此必須滿足一些額外的要求，messagePowerOffsetGroupB與messageSizeGroupA,配置的UE發(fā)射功率PCMAX前導序列與MSG3的功率偏移量，這些值跟當前的UE功率情況決定了最終選擇GroupA還是B的前導序列獲得了接收隨機接入響應的窗口大小參數(shù)ra-ResponseWindowSize，UE會在這個窗口期監(jiān)聽eNB是否給它回了響應，這個響應有eNB分配給UE的資源用于發(fā)送MSG3的。因此這個窗口大小就是UE等待的時間了，如果沒有收到響應，那么UE就認為它發(fā)的前導沒有被eNB收到，那么就要開始后面的處理了；?功率提升步長powerRampingStep.假如在前面發(fā)起的接入過程失敗了，但是還沒有達到最大嘗試次數(shù)，那么UE就會提升功率發(fā)送下一次前導以提供發(fā)送成功的機會；可以嘗試發(fā)送的次數(shù)preambleTransMax,一般超過這個次數(shù)就認為UE無法接入了，至少可以認為這次的接入是失敗的，會報告給上層協(xié)議層；?eNB期待接收到的前導序列目標功率preamblelnitialReceivedTargetPower,這個值太高了，會造成干擾，太低了可能無法收到前導序列；?前導序列格式對應的功率偏移量，我們知道有5種前導序列，每一種格式都對應一個基準選擇發(fā)射功率；?MSG3HARQ重傳最大次數(shù)maxHARQ-Msg3Tx.?競爭消除定時器mac-ContentionResolutionTimer.注：在某一時刻只能有一個隨機接入過程，如果這個UE在處于一個隨機接入過程，但是同時又收到新的隨機接入的請求，這取決于UE的實現(xiàn)，是繼續(xù)當前的過程，還是取消當前過程，然后根據(jù)新的請求發(fā)起一個新的過程3.4.1.3初始隨機接入這里我們對這種最初需要使用的接入模式進行詳細的介紹，這個過程一般分成四步，UE cNB 隧?機接入菲導 ?四 隨機接入響應 消總｝ *■w -盤爭消除 如前一頁圖所示：圖341-1競爭隨機接入過程步驟一、在發(fā)送上行接入前導序列之前，終端應該已經(jīng)和系統(tǒng)下行同步好了，下行同步意味著UE獲得了幀同步以及系統(tǒng)廣播消息，但是上行并沒有同步。通過前導序列，讓eNB知道存在一個終端試圖跟基站建立連接；根據(jù)確認的前導分配相應的資源用于發(fā)送消息3（MSG3）；步驟二、eNB通過時隙調(diào)整確保上行同步，也就是發(fā)送time-advance消息實現(xiàn)；同時分配上行資源，這些內(nèi)容就是由隨機接入響應消息攜帶；步驟三、在已經(jīng)分配的資源上發(fā)送用戶ID，以及相應的UL-SCH信息用于發(fā)送用戶ID以及RRC連接請求之類的等基本信息，也就是所謂的消息3了（MSG3），具體內(nèi)容跟用戶所處的狀態(tài)相關；步驟四、通過DL-SCH發(fā)送沖突解決消息到終端。

只有第一步是純粹的物理層過層，后面三個步驟跟普通的數(shù)據(jù)傳輸過程沒有區(qū)別，看MAC協(xié)議經(jīng)?？吹組SG3或者MSG4等等，因為在隨機接入的過程中，這些消息的內(nèi)容不是固定，有時候可能攜帶的是RRC連接請求，有時候可能會帶一些控制消息甚至業(yè)務數(shù)據(jù)包，因此簡稱為消息3之類，其意思就是第三條消息。步驟一、發(fā)送隨機接入前導■■-----■■-----圖341-2隨機接入資源預留的資源帶寬為6個RB,那么對于LTE支持的所有帶寬都是可以滿足的，這樣可以非常方便的實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，在物理層設計都會基于這樣的考慮的，比如同步信道以及物理廣播信道都是如此?？紤]到在發(fā)送前導序列時，上行并沒有同步，需要防止對其他非接入資源的干擾，因此前導的序列長度大約，留下作為保護時間，前導序列基于ZadoffChu(ZC)，通過特定的移位獲得，這種序列有一些很好的特性，比如具有很好的自相關性，恒定幅度等，具體的前導序列設計與檢測原理看本系列的物理信道設計部分，使用什么樣的前導，終端通過廣播消息獲得，然后從某一范圍的序列隨機選取一前導序列。步驟二、隨機接入響應當eNB檢測到這個前導序列，則在DL-SCH上發(fā)送一個響應，包含：該序列索引號、時間調(diào)整信息、資源調(diào)度信息(也就是分配給該用戶的上行資源)以及臨時RNTI，用于接下來的交互過程中讓UE監(jiān)聽相應的PDCCH信道所有發(fā)送前導序列的終端則使用一個預留給隨機接入響應使用的ID(RA-RNTI)監(jiān)聽來L1/L2控制信道用于解碼DL-SCH,從而獲得上面的的信息:RA-RNTI=1+t_id+10*f_id其中，t_id,指定PRACH的第一個subframe索引號(0<=t_id<10)f_id,在這個subframe里的PRACH索引，也就是頻域位置索引，不過對于FDD系統(tǒng)來說，只有一個頻域位置，因此f_id永遠為零，但是對于TDD就不一樣了，由于本文不涉及TDD系統(tǒng)，因此不再延伸來講。監(jiān)聽時間從發(fā)送前導后的三個子幀開始，并持續(xù)ra-ResponseWindowSiz個子幀數(shù)，該窗口大小通過讀取系統(tǒng)廣播消息(SIB2)獲得，在前面有說明。這個值最大可設為10,因為大于10的話，有可能造成誤解，因為在下一個無線幀里也有發(fā)生隨機接入的機會，因此為了防止這種情況，這個窗口最大設為10,大家可以去查看里面這個參數(shù)范圍就知道，具體原理如F圖所示:紅色為發(fā)送RA的地方，綠色部分為UE最大可監(jiān)聽隨機接入響應的窗口范圍，點格子是窗口之外的地方。如果在同一時間，多個終端選擇同一個前導，這些終端都可能獲得這些信息，那么就會導致沖突，而沖突的解決消除需要在后面兩個步驟里面來消除，接收響應的過程如下：1當終端成功接收RA響應，終端調(diào)節(jié)上行發(fā)送時間，保存從這個響應里面獲得臨時C-RNTI用于隨后的通信，知道獲得最終的C-RNTI，最后發(fā)送前導序列的功率信息；2如果沒有成功接收到響應；計數(shù)器PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加一a.如果計數(shù)器等于PREAMBLE_TRANS_MAX+1,以及達到最大發(fā)送次數(shù)了：向上層報告隨機接入出錯了。b.如果RA前導是由MAC選擇的，那么從0到backoff時間之間隨機選擇一個值，然后延遲上面所選擇值的時間，重新開始一個RA過程。c.否則，重選RA資源，例如功率，前導，相應的PRACH,發(fā)起新的隨機接入過程。為了避免完全翻譯協(xié)議，中間一些過程省略了，具體過程請大家看協(xié)議。步驟三、終端識別通過前面兩步，終端已經(jīng)獲得上行同步，以及隨后通信的必要信息，但是要能夠實現(xiàn)上行數(shù)據(jù)傳輸，則必須獲得唯一的C-RNTI，根據(jù)不同的用戶狀態(tài)，這個過程會有不同的消息交互；如果需要消除競爭，那么還有可能發(fā)送競爭消除ID以備在第四步的時候用做競爭消除確認操作。因為多個UE可能選擇了相同的前導序列，因此在第二步他們獲得的資源是一樣的，那么發(fā)送消息3時，就會在相同的地方選擇相同的方式發(fā)送，那么自然就會有沖突，這就相當于大家都要競爭接入了。也許大家會問，大家使用相同的資源發(fā)送，不是會沖突么，為什么還要做競爭消除呢？那是因為雖然有沖突，但是eNB還是有可能解出某個UE發(fā)送的MSG3,那么通過第四步的競爭消除消息，就可以讓這個UE成功接入了。例如某一個UE離基站比較遠，信號比較弱，而另外一個UE里基站近，信號比較強，較遠的UE可能造成的干擾并不是很大，那么eNB還是可以解出較近的那個UE的消息3了。另外在消息3，還會攜帶競爭消除ID,這個ID是唯一的，不會跟其他UE重復的，因此最好就是這個UEIMSI之類的。提前說一下，在消息4里面會把這個ID帶上，發(fā)給UE,那么UE自然知道它已經(jīng)成功接入了。步驟四、競爭消除我們知道消息3是有可能沖突的，在發(fā)完消息后就要立刻啟動競爭消除定時器（而隨后每一次重傳消息3都要重啟這個定時器）。對于初始接入來說，如果在第三步上行消息包含CCCHSDU（例如RRC連接請求消息），而收到下行PDCCH發(fā)送給臨時C-RNTI：如果MACPDU解碼成功：停止競爭消除定時器，如果MACPDU包含UE競爭消除ID的控制消息單元并且這個ID跟上行發(fā)送的競爭消除ID匹配，則認為競爭消除成功，并對這個MACPDU解復用并提取里面的內(nèi)容，把臨時C-RNTI設置為C-RNTI，同時丟棄臨時C-RNTI，然后確認隨機接入成功;否則,丟棄臨時C-RNTI,UE會認為隨機接入失敗并丟棄這個MACPDU；如果競爭消除定時器超時，則認為接入失??；失敗后，會按照后退機制重新開始隨機接入過程知道嘗試次數(shù)超過門限值，那是則會向上層報告接入失敗。注：值得注意的是，消息四是沒有重傳機制的，我們設想一下，如果消息四采用重傳，由于