LTE学习笔记随机接入过程帧结构文档格式.docx
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2、无线链路出错以后的初始接入；
3、RRC_CONNECTED状态下，当有上行数据传输时，例如在上行失步后
“non-synchronised”，或者没有PUCCH资源用于发送调度请求消息，也就是说在这个时候
除了通过随机接入的方式外，没有其它途径告诉eNB，UE存在上行数据需要发送（上行数
据到达且UE空口处于上行失步状态）
2、基于非竞争模式的随机接入（preamble序列是预先知道的，无碰撞风险）：
1、RRC_CONNECTED状态下，当下行有数据传输时，这时上行失步“non-synchronised”，
因为数据的传输除了接收外，还需要确认，如果上行失步的话，eNB无法保证能够收到UE
的确认信息，因为这时下行还是同步的，因此可以通过下行消息告诉UE发起随机接入需要
使用的资源，比如前导序列以及发送时机等，因为这些资源都是双方已知的，因此不需要通
过竞争的方式接入系统（下行数据到达且UE空口处于上行失步状态；
）
2、切换过程中的随机接入，在切换的过程中，目标eNB可以通过服务eNB来告诉UE
它可以使用的资源；
3、辅助定位，网络利用随机接入获取时间提前量（TA，timingAdvance）
是否基于竞争在于在当时终端能否监听到eNB传递的下行控制信道，以便获得特定的
资源用于传输上行前导，当然这个判断是由eNB作出的，而不是UE自己来决定的。
1
UE发送随机接入preamble
2
随机接入响应
（timing,ULresourceallocation,...）
3
上行数据（调度的）传输
4
冲突解决
UEE-NodeB
图5.11随机接入过程
1.4、基于竞争的随机接入流程如上图所示，主要分为四个步骤：
（1）:
前导序列传输
（2）:
随机接入响应
（3）:
MSG3发送（RRCConnectionRequest）.（非竞争接入的没有）
（4）:
冲突解决消息.（非竞争接入的没有）
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。
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.
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（ReferenceSignalReceivedPower）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,
（RandomAccessResponse）,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.
UE需要在PDCCH上使用RA-RNTI（RandomAccessRNTI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backoffindictor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（RRCConnectionRequest）.
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（HybridAutomaticRepeatrequest）,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）.
例如：
与随机接入的触发事件对应起来，msg3携带的信息如下：
1、如果是初次接入（initialaccess），msg3为在CCCH上传输的RRCConnectionRequest，
且至少需要携带NASUE标志信息。
2、如果是RRC连接重建（RRCConnectionRe-establishment），msg3为CCCH上传输的RRC
ConnectionRe-establishmentRequest，且不携带任何NAS消息。
3、如果是切换（handover），msg3为在DCCH上传输的经过加密和完整性保护的RRC
HandoverConfirm，必须包含UE的C-RNTI，且如果可能的话，需要携带BSR。
4、对于其它触发事件，则至少需要携带C-RNTI。
C-RNT：
IRRC连接临时标识；
小区内唯一；
由RNC分配；
由MAC层使用
BSR：
是为了让eNB知道自己的缓存状态，eNB将此作为自己给该UE分配资源的参考
NAS：
非接入层信令
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UEID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.
二、LTE帧结构
1、在空中接口上，LTE系统定义了无线侦来进行信号的传输，1个无线帧的长度为10ms。
LTE支持两种帧结构FDD和TDD。
在FDD帧结构中，一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成，每个子
帧由两个长度为0.5ms的时隙构成。
在TDD帧结构中，一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成，每个半帧
由5个长度为1ms的子帧构成，其中包括4个普通子帧和1个特殊子帧。
普通子帧由两个
0.5ms的时隙组成，而特殊子帧由3个特殊时隙（DwPTS、GP和UpPTS）组成。
作为TDD系统的一个特点，时间资源在上下行方向上进行分配，TDD帧结构支持7种不
同的上下行时间比例分配（配置0~6），可以根据系统业务量的特性进行配置，支持非对称
业务。
这7种配置中包括4种5ms周期和3种10ms周期。
“D代”表此子帧用于下行传输，“U”代表此子帧用于上行传输，“S”是由DwPTS、GP
和UpPTS组成的特殊子帧。
特殊子帧中DwPTS和UpPTS的长度是可配置的，满足DwPTS、GP和UpPTS总长度
为1ms。
图1-1
图1-2
例：
规范要求帧结构上行/下行配置为1，则查图1-1可知TDD-LTE无线帧结构为
（DSUUDDSUUD）.已知常规长度CP，特殊子帧配置7,则查图1-2可知
DwPTS:
GP:
UpPTS=10:
2:
2.
对于5ms的上下行切换周期，子帧0、5、DwPTS一定走下行。
对于10ms上下行切换周期，
每个半帧都有DwPTS，只在第1个半帧内有GP和UpPTS，第2个半帧的DwPTS长度为1ms。
UpPTS和子帧2用作上行，子帧7和9用作下行。
2.FDD（频分双工）与TDD（时分双工）区别
FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信
道。
FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连
续的。
FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利
用率将大大降低。
TDD用时间来分离接收和发送信道。
在TDD方式的移动通信系统中,接收和发送使用
同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源
在两个方向上进行了分配。
某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送
信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。
图2-1
由上图2-1观察得出频分双工技术在上下行使用对称的频率区分，时域上上下行可以同
时传输，即可以同时进行收发。
时分双工在频域上进行了复用，节约了频域资源，但是上下
行使用不同的时间来区别，故不能同时进行收发。
3、TDD双工方式的工作特点使TDD具有如下优势：
（1）能够灵活配置频率，使用FDD系统不易使用的零散频段；
（2）可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙比例，能够很好的支持非对称业务；
（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成本；
（4）接收上下行数据时，不需要收发隔离器，只需要一个开关即可，降低了设备的复杂度；
（5）具有上下行信道互惠性，能够更好的采用传输预处理技术，如预RAKE技术、联合传
输（JT）技术、智能天线技术等,能有效地降低移动终端的处理复杂性。
但是，TDD双工方式相较于FDD，也存在明显的不足：
（1）由于TDD方式的时间资源分别分给了上行和下行，因此TDD方式的发射时间大约只有
FDD的一半，如果TDD要发送和FDD同样多的数据，就要增大TDD的发送功率；
（2）TDD系统上行受限，因此TDD基站的覆盖范围明显小于FDD基站；
（3）TDD系统收发信道同频，无法进行干扰隔离，系统内和系统间存在干扰；
（4）为了避免与其他无线系统之间的干扰，TDD需要预留较大的保护带，影响了整体频谱
利用效率。
4、TDD和FDD在LTE中的应用
特殊时隙的应用：
为了节省网络开销，TD-LTE允许利用特殊时隙DwPTS和UpPTS传输
系统控制信息。
LTEFDD中用普通数据子帧传输上行sounding导频，而TDD系统中，上行
sounding导频可以在UpPTS上发送。
另外，DwPTS也可用于传输PCFICH、PDCCH、PHICH、
PDSCH和P-SCH等控制信道和控制信息。
其中，DwPTS时隙中下行控制信道的最大长度为两
个符号，且主同步信道固定位于DwPTS的第三个符号。
多子帧调度/反馈：
和FDD不同，TDD系统不总是存在1:
1的上下行比例。
当下行多于
上行时，存在一个上行子帧反馈多个下行子帧，TD-LTE提出的解决方案有：
multi-ACK/NAK，
ACK/NAK捆绑（bundling）等。
当上行子帧多于下行子帧时，存在一个下行子帧调度多个上
行子帧（多子帧调度）的情况。
同步信号设计：
除了TDD固有的特性之外（上下行转换、特殊时隙等），TDD帧结构与
FDD帧结构的主要区别在于同步信号的设计。
LTE同步信号的周期是5ms，分为主同步信号
（PSS）和辅同步信号（SSS）。
LTETDD和FDD帧结构中，同步信号的位置/相对位置不同，
如图所示。
在TDD帧结构中，PSS位于DwPTS的第三个符号，SSS位于5ms第一个子帧的最
后一个符号；
在FDD帧结构中，主同步信号和辅同步信号位于5ms第一个子帧内前一个时
隙的最后两个符号。
利用主、辅同步信号相对位置的不同，终端可以在小区搜索的初始阶段
识别系统是TDD还是FDD。
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