第三章 LTE MAC协议解读随机接入过程.docx
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第三章LTEMAC协议解读随机接入过程
第三章 LTE MAC协议解读 --- 随机接入过程
3.4MAC过程
3.4.1随机接入过程
3.4.1.1概述
随机接入是蜂窝系统一个最基本的功能，它使终端与网络建立连接成为可能，诚如其名，这样的接入的发起以及采用的资源具有随机性，当然接入成功也具有随机性，那么在什么情况下需要发起随机接入的过程呢？
随机的接入场景如下：
∙基于竞争模式的随机接入：
∙
oRRC_IDLE状态下的初始接入；
o无线链路出错以后的初始接入；
oRRC_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
∙基于非竞争模式的随机接入：
∙
oRRC_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；
o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；
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。
3.4.1.2 随机接入过程初始化
随机接入过程可以由PDCCHorder或者MAC子层自己来触发，如果UE收到一个发给它的PDCCH传输含有一个PDCCHorder，那么它就会发起一个随机接入过程，PDCCHorder或者是RRC消息会指示ra-PreambleIndex与ra-PRACH-MaskIndex信息以告诉UE它可以使用的前导序列以及发送机会。
在发起随机接入过程之前，下面的信息必须已经具备了：
∙用于发送随机接入前导的PRACH资源以及准备好了，由prach-ConfigIndex指示；
∙有可用的随机接入前导，在MAC层有可能设置两组随机接入前导:
GroupB与GroupA，分布用于指示发送的MSG3的大小，GroupB的前导序列个数由下面的参数推导可得
∙GroupB前导序列个数 = numberOfRA-Preambles - sizeOfRA-PreamblesGroupA
∙
o在SIB2里面定义的PRACH的无线资源里面会提供上面的两个参数，从上面可以知道如果GroupA的前导序列跟总的随机接入前导序列相等，那么UE就知道不存在GroupB的前导序列，GroupA与GroupB的前导序列编号如下：
o[0 sizeOfRA-PreamblesGroupA –1]以及[sizeOfRA-PreamblesGroupAnumberOfRA-Preambles –1]
∙UE选择GroupA还是选择GroupB就看是否有这个需要以及满足一定的条件，比如UE希望在发送MSG3里面携带VoIP的包，那么自然需要的资源就要大一些，那么当eNB收到UE发送的前导序列属于GroupB时，它就会分配多一点资源给UE来发送MSG3
∙如果存在GroupB的前导序列，那么由于GroupB对于的MSG3消息比较大，因此必须满足一些额外的要求， messagePowerOffsetGroupB与messageSizeGroupA,配置的UE发射功率PCMAX ，前导序列与MSG3的功率偏移量，这些值跟当前的UE功率情况决定了最终选择GroupA还是B的前导序列
∙获得了接收随机接入响应的窗口大小参数ra-ResponseWindowSize，UE会在这个窗口期监听eNB是否给它回了响应，这个响应有eNB分配给UE的资源用于发送MSG3的。
因此这个窗口大小就是UE等待的时间了，如果没有收到响应，那么UE就认为它发的前导没有被eNB收到，那么就要开始后面的处理了；
∙功率提升步长powerRampingStep.假如在前面发起的接入过程失败了，但是还没有达到最大尝试次数，那么UE就会提升功率发送下一次前导以提供发送成功的机会；
∙可以尝试发送的次数preambleTransMax，一般超过这个次数就认为UE无法接入了，至少可以认为这次的接入是失败的，会报告给上层协议层；
∙eNB期待接收到的前导序列目标功率preambleInitialReceivedTargetPower，这个值太高了，会造成干扰，太低了可能无法收到前导序列；
∙前导序列格式对应的功率偏移量，我们知道有5种前导序列，每一种格式都对应一个基准选择发射功率；
∙MSG3HARQ重传最大次数maxHARQ-Msg3Tx.
∙竞争消除定时器mac-ContentionResolutionTimer.
注：
在某一时刻只能有一个随机接入过程，如果这个UE在处于一个随机接入过程，但是同时又收到新的随机接入的请求，这取决于UE的实现，是继续当前的过程，还是取消当前过程，然后根据新的请求发起一个新的过程
3.4.1.3初始随机接入
这里我们对这种最初需要使用的接入模式进行详细的介绍，这个过程一般分成四步，如前一页图所示：
图3.4.1-1竞争随机接入过程
步骤一、在发送上行接入前导序列之前，终端应该已经和系统下行同步好了，下行同步意味着UE获得了帧同步以及系统广播消息，但是上行并没有同步。
通过前导序列，让eNB知道存在一个终端试图跟基站建立连接；
根据确认的前导分配相应的资源用于发送消息3（MSG3）；
步骤二、eNB通过时隙调整确保上行同步，也就是发送time-advance消息实现；同时分配上行资源，这些内容就是由随机接入响应消息携带；
步骤三、在已经分配的资源上发送用户ID，以及相应的UL-SCH信息用于发送用户ID以及RRC连接请求之类的等基本信息，也就是所谓的消息3了（MSG3），具体内容跟用户所处的状态相关；
步骤四、通过DL-SCH发送冲突解决消息到终端。
只有第一步是纯粹的物理层过层，后面三个步骤跟普通的数据传输过程没有区别，看MAC协议经常看到MSG3或者MSG4等等，因为在随机接入的过程中，这些消息的内容不是固定，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，因此简称为消息3之类，其意思就是第三条消息。
步骤一、发送随机接入前导
图3.4.1-2随机接入资源
预留的资源带宽为6个RB，那么对于LTE支持的所有带宽都是可以满足的，这样可以非常方便的实现系统扩展，在物理层设计都会基于这样的考虑的，比如同步信道以及物理广播信道都是如此。
考虑到在发送前导序列时，上行并没有同步，需要防止对其他非接入资源的干扰，因此前导的序列长度大约0.9ms，留下0.1ms作为保护时间，前导序列基于Zadoff–Chu（ZC），通过特定的移位获得，这种序列有一些很好的特性，比如具有很好的自相关性，恒定幅度等，具体的前导序列设计与检测原理看本系列的物理信道设计部分，使用什么样的前导，终端通过广播消息获得，然后从某一范围的序列随机选取一前导序列。
步骤二、 随机接入响应
当eNB检测到这个前导序列，则在DL-SCH上发送一个响应，包含：
该序列索引号、时间调整信息、资源调度信息（也就是分配给该用户的上行资源）以及临时RNTI，用于接下来的交互过程中让UE监听相应的PDCCH信道
所有发送前导序列的终端则使用一个预留给随机接入响应使用的ID（RA-RNTI）监听来L1/L2控制信道用于解码DL-SCH，从而获得上面的的信息：
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，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，但是对于TDD就不一样了，由于本文不涉及TDD系统，因此不再延伸来讲。
监听时间从发送前导后的三个子帧开始，并持续ra-ResponseWindowSize 个子帧数，该窗口大小通过读取系统广播消息（SIB2）获得，在前面有说明。
这个值最大可设为10，因为大于10的话，有可能造成误解，因为在下一个无线帧里也有发生随机接入的机会，因此为了防止这种情况，这个窗口最大设为10，大家可以去查看36.331里面这个参数范围就知道，具体原理如下图所示：
图3.4.1-3随机接入响应监听示意图
红色为发送RA的地方，绿色部分为UE最大可监听随机接入响应的窗口范围，点格子是窗口之外的地方。
如果在同一时间，多个终端选择同一个前导，这些终端都可能获得这些信息，那么就会导致冲突，而冲突的解决消除需要在后面两个步骤里面来消除，接收响应的过程如下：
1.当终端成功接收RA响应，终端调节上行发送时间，保存从这个响应里面获得临时C-RNTI用于随后的通信，知道获得最终的C-RNTI，最后发送前导序列的功率信息；
2.如果没有成功接收到响应；
计数器PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加一
a.如果计数器等于PREAMBLE_TRANS_MAX+1，以及达到最大发送次数了:
向上层报告随机接入出错了。
b.如果RA前导是由MAC选择的，那么
从0到backoff时间之间随机选择一个值，然后延迟上面所选择值的时间，重新开始一个RA过程。
c.否则，重选RA资源，例如功率，前导，相应的PRACH，发起新的随机接入过程。
为了避免完全翻译协议，中间一些过程省略了，具体过程请大家看协议。
步骤三、终端识别
通过前面两步，终端已经获得上行同步，以及随后通信的必要信息，但是要能够实现上行数据传输，则必须获得唯一的C-RNTI，根据不同的用户状态，这个过程会有不同的消息交互；
如果需要消除竞争，那么还有可能发送竞争消除ID以备在第四步的时候用做竞争消除确认操作。
因为多个UE可能选择了相同的前导序列，因此在第二步他们获得的资源是一样的，那么发送消息3时，就会在相同的地方选择相同的方式发送，那么自然就会有冲突，这就相当于大家都要竞争接入了。
也许大家会问，大家使用相同的资源发送，不是会冲突么，为什么还要做竞争消除呢？
那是因为虽然有冲突，但是eNB还是有可能解出某个UE发送的MSG3，那么通过第四步的竞争消除消息，就可以让这个UE成功接入了。
例如某一个UE离基站比较远，信号比较弱，而另外一个UE里基站近，信号比较强，较远的UE可能造成的干扰并不是很大，那么eNB还是可以解出较近的那个UE的消息3了。
另外在消息3，还会携带竞争消除ID，这个ID是唯一的，不会跟其他UE重复的，因此最好就是这个UEIMSI之类的。
提前说一下，在消息4里面会把这个ID带上，发给UE，那么UE自然知道它已经成功接入了。
步骤四、竞争消除
我们知道消息3是有可能冲突的，在发完消息后就要立刻启动竞争消除定时器（而随后每一次重传消息3都要重启这个定时器）。
对于初始接入来说，如果在第三步上行消息包含CCCHSDU（例如RRC连接请求消息），而收到下行PDCCH发送给临时C-RNTI：
∙如果MACPDU解码成功：
∙
o停止竞争消除定时器，如果MACPDU包含UE竞争消除ID的控制消息单元并且这个ID跟上行发送的竞争消除ID匹配，则认为竞争消除成功，并对这个MACPDU解复用并提取里面的内容，把临时C-RNTI设置为C-RNTI，同时丢弃临时C-RNTI，然后确认随机接入成功；
∙否则，
∙
o丢弃临时C-RNTI，UE会认为随机接入失败并丢弃这个MACPDU；
∙如果竞争消除定时器超时，则认为接入失败；
∙失败后，会按照后退机制重新开始随机接入过程知道尝试次数超过门限值，那是则会向上层报告接入失败。
注：
值得注意的是，消息四是没有重传机制的，我们设想一下，如果消息四采用重传，由于这个时候竞争没有消除，那么如果有些UE解码成功，有些解码失败；或者有些收到有些没有收到，那么就会出现同时ACK/NACK的情况；虽然消息三也会出现类似的情况，但是由于会确认信息的是eNB，它一次只会回一种确认信息，因此不会影响后面的处理。
3.4.1.4后退机制
在系统处于过载的情况下，例如它无法再分配更多的MSG3使用的资源等等，这个时候它自然希望一些UE能够晚一点发，我们也注意到了在接收随机接入响应的时候以及RAR消息格式里面有一个backoff的东西，这就是后退机制的参数了，如果监听RAR消息的UE发现有一个backoff指示，那么它就会把这个值保存起来，在随后需要重新做随机接入的时候，可以随机从0到backoff值里的选一个值作为推迟发前导序列的时间。
在通信系统里面我们碰到很多的后退机制，比如WiMAX系统的截断二进制后退机制，那么这两者的区别是什么呢？
LTE系统里，后退的范围是由基站确定的，基站可以根据系统当前的负载情况来选择一个恰当的值；而在WiMAX里面由UE自己确定，当UE发现没有收到基站响应，就会按照二的指数增加后退窗口的长度，然后在这个窗口里面随机选一个时延来发送前导序列。
两者各有优劣。
下表是backoff取值情况：
Table3.4.1-1:
Backoff参数值.
索引
Backoff参数值（ms）
0
0
1
10
2
20
3
30
4
40
5
60
6
80
7
120
8
160
9
240
10
320
11
480
12
960
13
Reserved
14
Reserved
15
Reserved
站在发送RAR消息的时候，根据负载情况选择backoff值的一个索引发给UE。
由于协议的撰写，每一步都需要考虑所有的情况，因此里面存在大量的if…else，这造成了阅读上的不便，在这里，我建议大家，把不同场景从里面抽取出来。
例如随机接入，那么我们可以先分别出那些是描述初始接入，那些事描述非竞争接入的，比如非竞争接入，我们自然不需要查看竞争消除部分的内容了。
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