随机接入过程.docx

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随机接入过程

一、随机接入过程简介

      UE通过随机接入过程（RandomAccessProcedure）与cell建立连接并取得上行同步。

只有取得上行同步，UE才能进行上行传输。

      随机接入的主要目的：

1）获得上行同步；2）为UE分配一个唯一的标识C-RNTI。

    随机接入过程通常由以下6类事件之一触发：

（见36.300的10.1.5节）

      1） 初始接入时建立无线连接（UE从RRC_IDLE态到RRC_CONNECTED态）；

      2）RRC连接重建过程（RRCConnectionRe-establishmentprocedure）；

      3） 切换（handover）；

      4）RRC_CONNECTED态下，下行数据到达（此时需要回复ACK/NACK）时，上行处于“不同步”状态；

      5）RRC_CONNECTED态下，上行数据到达（例：

需要上报测量报告或发送用户数据）时，上行处于“不同步”状态或没有可用的PUCCH资源用于SR传输（此时允许上行同步的UE使用RACH来替代SR）；

      6）RRC_CONNECTED态下，为了定位UE，需要timingadvance。

      随机接入过程还有一个特殊的用途：

如果PUCCH上没有配置专用的SR资源时，随机接入还可作为一个SR来使用。

    随机接入过程有两种不同的方式：

（1） 基于竞争（Contentionbased）：

应用于之前介绍的前5种事件；

（2） 基于非竞争（Non-Contentionbased或Contention-Freebased）：

只应用于之前介绍的 （3）、（4） 、（6）三种事件。

二、preamble介绍

      随机接入过程的步骤一是传输randomaccesspreamble。

Preamble的主要作用是告诉eNodeB有一个随机接入请求，并使得eNodeB能估计其与UE之间的传输时延，以便eNodeB校准uplinktiming并将校准信息通过timingadvancecommand告知UE。

      Preamble在PRACH上传输。

eNodeB会通过广播系统信息SIB-2来通知所有的UE，允许在哪些时频资源上传输preamble。

（由prach-ConfigIndex和prach-FreqOffset字段决定，详见36.211的5.7节）

      每个小区有64个可用的preamble序列，UE会选择其中一个（或由eNodeB指定）在PRACH上传输。

这些序列可以分成两部分，一部分用于基于竞争的随机接入，另一部分用于基于非竞争的随机接入。

用于基于竞争的随机接入的preamble序列又可分为两组：

groupA和groupB（groupB可能不存在）。

这些配置eNodeB是通过RACH-ConfigCommon（SIB-2）下发的。

图：

randomaccesspreambles

      分组groupA和groupB的原因是为了加入一定的先验信息，以便eNodeB在RAR中给Msg3分配适当的上行资源。

如果UE接入时估计后续的Msg3可能比较大（大于messageSizeGroupA），并且路径损耗pathloss小于

  – preambleInitialReceivedTargetPower – deltaPreambleMsg3 –messagePowerOffsetGroupB，则使用groupB中的preamble；否则使用groupA中的preamble。

这样eNodeB就能够根据收到的preamble知道该preamble所属的group，从而了解Msg3的大致资源需求。

如果不分组，就应采用较高的grant配置，可能损失一些上行效率。

（关于preamble的选择：

详见36.321的5.1.2节）

      GroupA/B中的preamble序列本身并没有太大区别，只有它们的划分才是有意义的，用于告诉eNodeB后续的资源需求。

      如果UE进行的是基于非竞争的随机接入（例如非竞争下的handover），使用的preamble是由eNodeB直接指定的（见36.331的RACH-ConfigDedicated）。

为了避免冲突，此时使用的preamble是除groupA和groupB外的预留preamble。

      简单地说：

eNodeB通过广播SIB-2发送RACH-ConfigCommon，告诉UEpreamble的分组、Msg3大小的阈值、功率配置等。

UE发起随机接入时，根据可能的Msg3大小以及pathloss等，选择合适的preamble。

三、PRACH时频资源介绍

      在LTE中，提到信道的时频资源时，通常都会涉及时域（systemframe、subframe、slot、symbol、周期）、频域（起始RB、所占的RB数，是否跳频）、循环移位（cyclicshift）等。

      PRACH用于传输randomaccesspreamble。

通常eNodeB不会在预留给随机接入的RB上调度其它上行数据。

      某小区可用的PRACH时频资源是由SIB-2的prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset字段决定的。

一旦这两个字段决定了，对接入该小区的所有UE而言，preamble的格式（format）和可选的PRACH时频资源就固定了。

图：

指定PRACH时频资源的RRC信令

      每个preamble在频域上占用6个连续RB的带宽，这正好等于LTE支持的最小上行带宽。

因此，不管小区的传输带宽有多大，都可以使用相同的RApreamble结构。

      小结：

频域上占6个连续的RB。

      preamble在时域上的长度取决于配置。

（如下表所示，见36.211的5.7.1节）

图：

不同的preamble格式

      从上图可以看出，不同格式的preamble在时域上所占的连续子帧数是不一样的，format0占1个子帧，format1和format2占2个子帧，format3占3个子帧。

      不同的preamble可能有不同CP（cyclicprefix，循环前缀）。

CP越大，对延迟的容忍度就越大，相应的，小区就可以支持更大的覆盖范围。

上行timing的不确定性正比于小区半径，每1km有大约6.7μs的传输延迟（6.7μs/km）。

以preambleformat0为例，CP长度为0.1ms，因此允许的最大小区半径为15km（0.1*1000  /6.7 ≈ 15km ）。

      对于TDD，还支持额外的preamble配置：

format4。

该配置只用于特殊子帧的UpPTS字段，且只支持长度为

或

的UpPTS字段（见36.211的Table4.2-1）。

由于CP的长度明显小于前面介绍的format0~3，format4只支持覆盖范围很小的小区。

      小结：

时域上占的连续的subframe数：

1、2、3、UpPTS；占据子帧内的所有slot和所有symbol。

配置时需要考虑小区的覆盖范围以及资源的使用（preamble越大，可用于传输上行数据的资源就越少）。

      前面已经介绍了preamble在时域和频域上所占的资源大小，接下来我们来讨论preamble在时域和频域上的位置。

      对FDD而言，只支持preambleformat0~3，且每个子帧至多有一个PRACH资源，即多个RA请求只在时域上存在复用。

36.211的Table5.7.1-2指定了format以及允许传输preamble的子帧配置，这是通过prach-ConfigIndex来指定的。

假如UE接收到的prach-ConfigIndex配置为12，则该UE可以选择任意（any）系统帧的（0,2,4,6,8）这5个子帧中的某一个来传输format0的preamble。

假如UE接收到的prach-ConfigIndex配置为18，则该UE只能选择在偶数（even）系统帧的子帧 7来传输format1的preamble。

      对FDD而言，preamble在频域上的起始RB（

 ）等于prach-FrequencyOffset指定的值（用

表示，且满足条件

）。

      对TDD而言，每个子帧可以有多个PRACH资源，这是因为TDD中每个系统帧的上行子帧数更少，从而要求每个子帧发送更多的RA请求。

在TDD中，每个10ms的系统帧内至多可发送6个RA请求。

（见36.211的5.7.1-3的

）

      对TDD而言，preamble在时域上的配置也是通过prach-ConfigIndex来指定的，且对应的表为36.211的Table5.7.1-3和Table5.7.1-4。

其中

表示UE在一个10ms的系统帧内有多少次随机接入的机会。

在协议中没有介绍，在网上也看到过说这个字段没有用处的，但其出处应该是ZTE的提案《Time&FrequencyLocationMappingforTDDPRACH》，有兴趣的大家可以去研究一下，顺便也能够了解36.211的Table5.7.1-3和Table5.7.1-4是如何通过计算得来的。

      对TDD而言，Table5.7.1-4指定了preamble的时频位置。

四元组

唯一指定一个特定的随机接入资源。

指定了preamble可以选择在哪些系统帧上发送（0：

所有帧；1：

偶数帧；2：

奇数帧）。

指定preamble是位于前半帧还是后半帧（0：

前半帧；1：

后半帧）。

指定preamble起始的上行子帧号，该子帧号位于两个连续的downlink-to-uplinkswitchpoint之间，且从0开始计数（见下图）。

format4是个例外，其

标记为（*）。

图：

PRACH的时域资源配置（preambleformat0~3、TDDConfiguration1）

      对于format4而言，其起始子帧是特殊帧，无

配置。

      这样，通过prach-ConfigIndex指定的PRACHconfigurationindex，UE就得到了可能的

 、 

 、 

 配置，从而知道可以在哪些子帧上传输preamble。

      对于TDD而言，preamble在频域上的起始RB是由prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset确定的。

通过prach-ConfigIndex查表Table5.7.1-4得到

（频域的偏移，单位是6个RB），通过prach-FrequencyOffset可以得到

，再通过如下公式，可以得到format0~3的preamble在频域上的起始RB：

      从上面的公式可以看出，为了保证单载波的频域资源连续性，PRACH的资源分布在上行带宽的两端上（“低高频位置交错”）。

起始位置由

确定，一般紧挨着PUCCH资源的位置。

公式中的数字6是为了保证preamble在频域占6个连续的RB。

      对于format4而言，起始RB的计算公式如下：

      其中

是系统帧号，

是该系统帧内DLtoULswitchpoint的个数。

      小结：

对于FDD而言，通过prach-ConfigIndex查表Table5.7.1-2得到preambleformat以及可以用于传输preamble的系统帧和子帧号，从而确定可选的时域资源。

通过prach-FrequencyOffset得到在频域上的起始RB，从而确定频域资源（FDD在某个子帧上只有一个频域资源，因此是固定的）。

    对于TDD而言，通过prach-ConfigIndex查表Table5.7.1-3和Table5.7.1-4得到preambleformat以及可以用于四元组

，其中

 、

、

确定时域上可用于传输preamble的系统帧和子帧号，从而确定可选的时域资源。

通过prach-FrequencyOffset得到

，并与

共同确定了可选的频域资源（TDD在某个子帧上可能存在多个频域资源，所以是可选择的）。

      UE选择这些时频资源中的哪一个，是由UE的实现决定的。

对于第一次发起随机接入（而不是因为接入失败而发起的preamble重发），个人觉得可以选用时域上最接近的子帧，而频域上随机选择一个资源进行传输preamble。

对于由接入失败而发起的preamble重发，其时域资源（timing）的选择有点特殊，这会在后续的博客中予以介绍。

      简单地说：

eNodeB通过广播SIB-2发送prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset，从而确定该小区可用于传输preamble的时频资源集合。

UE发起随机接入时，从中选择一个资源发送preamble。

因为eNodeB不知道UE会在哪个时频资源上发送preamble，所以会在指示的所有preamble时频资源上检测并接收preamble。

四、随机接入过程

      本章节主要介绍随机接入过程的4个步骤。

而在下一章节中，我会以信令流程图的方式将之前介绍过的6种触发随机接入过程的事件与这4个步骤结合起来。

      言归正传，先奉上几幅图，然后介绍随机接入过程的4个步骤：

图：

基于竞争的随机接入过程

图：

基于非竞争的随机接入过程

图：

RACH-ConfigCommon

      步骤一：

UE发送preamble

      UE发送randomaccesspreamble给eNodeB，以告诉eNodeB有一个随机接入请求，同时使得eNodeB能估计其与UE之间的传输时延并以此校准uplinktiming。

      触发随机接入过程的方式有以下3种（具体会在下一章节介绍）：

      1）PDCCHorder触发：

eNodeB通过特殊的DCIformat1A 告诉UE需要重新发起随机接入，并告诉UE应该使用的PreambleIndex和PRACHMaskIndex；

      2）MACsublayer触发：

UE自己选择preamble发起接入；

      3）上层触发：

如初始接入，RRC连接重建，handover等。

      UE要成功发送preamble，需要：

1）选择preambleindex；2）选择用于发送preamble的PRACH资源；3）确定对应的RA-RNTI； 4）确定目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。

      1、选择preambleindex

      与基于非竞争的随机接入中的preambleindex由eNodeB指定不同，基于竞争的随机接入，其preambleindex是由UE随机选择的。

      UE首先要确定选择的是groupA还是groupB中的preamble。

如果存在preamblegroupB，且msg3的大小大于messageSizeGroupA，且pathloss小于

 –preambleInitialReceivedTargetPower  - deltaPreambleMsg3 –messagePowerOffsetGroupB，则选择groupB；否则选择groupA。

      如果之前发送过msg3且接入失败，则再次接入尝试时使用的preamble应该与第一次发送msg3时对应的preamble属于相同的group。

      确定了group之后，UE从该group中随机选择一个preamble并将PRACHMaskIndex设置为0。

      而对于基于非竞争的随机接入而言，eNodeB通过为UE分配一个专用的preambleindex来避免冲突的发生并指定一个PRACHMaskIndex。

      eNodeB分配preambleindex和PRACHMaskIndex的方式有两种：

1）通过RACH-ConfigDedicated的ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex字段设置（Handover过程）；2）在PDCCHorder触发的随机接入中，通过DCIformat1A的PreambleIndex和PRACHMaskIndex字段来设置（下行数据到达或定位）。

      按理说，既然要使用基于非竞争的随机接入过程，eNodeB分配的preambleindex就不应该为0（0是用于基于竞争的随机接入的。

个人认为此时不应使用groupA和groupB的任一preamble，但协议中只针对0做了特别说明）。

但如果eNodeB分配了0值，则实际的preambleindex交由UE按照基于竞争的随机接入方式选择preamble（个人认为这种情况主要针对eNodeB已经没有可用的非竞争preamble，或eNodeB配置时根本没有为非竞争的随机接入预留preamble的场景）。

      2、选择用于发送preamble的PRACH资源

      基于prach-ConfigIndex、PRACHMaskIndex以及物理层的timing限制，UE会先确定下一个包含PRACH的可用子帧。

      prach-ConfigIndex指定了时域上可用的PRACH资源。

      PRACHMaskIndex定义了某个UE可以在系统帧内的哪些PRACH上发送preamble（见36.321的Table7.3-1，值为0表示所有可用的PRACH资源）。

在基于非竞争的随机接入中，eNodeB可以通过该mask直接指定UE在某个特定的PRACH上发送preamble，从而保证不会与其它UE发生冲突。

      以ra-PRACH-MaskIndex =3为例，查36.321的Table7.3.1可知，对应PRACHResourceIndex2，即preamble应该在系统帧内的第三个PRACH资源发送。

PRACHResourceIndex是一个系统帧内的PRACH资源的编号，从0开始并以PRACH资源在36.211的Table5.7.1-2和Table5.7.1-4中出现的先后来排序。

（以prach-ConfigIndex =12为例，如果是FDD，查36.211的Table5.7.1-2可知，只在子帧0,2,4,6,8上存在PRACH资源，则PRACHResourceIndex2对应子帧4上的PARCH资源；如果是TDD，且UL/DLconfiguration为1，查36.211的Table5.7.1-4可知， PRACHResourceIndex2对应四元组（0,0,1,0）上的PARCH资源）

      PRACHMaskIndex可以为0，这说明eNodeB只为UE分配了preamble，但PRACH资源还需UE自己选择。

      物理层的timing限制在36.213的6.1.1中定义：

      如果UE在子帧n接收到一个RARMACPDU，但对应TB中没有一个响应与其发送的preamble对应，则UE应该准备好在不迟于子帧n+5的时间内重新发送preamble。

      如果UE在子帧n没有接收到一个RARMACPDU，其中子帧n为RAR窗口的最后一个子帧，则UE应该准备好在不迟于子帧n+4的时间内重新发送preamble。

      如果随机接入过程是由PDCCHorder在子帧n触发，则UE将在子帧n+ 

算起，第一个有可用PRACH的子帧中发送，其中

 ≧ 6。

      至此，已经选定PRACH所在的子帧，接下来，我们开始选择频域上的位置。

      在TDD模式且PRACHMaskIndex为0的情况下：

如果eNodeB指定了ra-PreambleIndex且其值不为0，则在之前确定的子帧上随机选择一个PRACH；否则在之前确定的子帧及其后续的两个子帧（共3个子帧）内随机选择一个PRACH。

      如果是FDD模式或PRACHMaskIndex不为0，则根据PRACHMaskIndex选择一个PRACH。

      3、确定对应的RA-RNTI

      preamble的时频位置决定了RA-RNTI的值，UE发送了preamble之后，会在RAR时间窗内根据这个RA-RNTI值来监听对应的PDCCH。

RA-RNTI的计算会在步骤二中介绍。

      4、确定目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER

      preamble的目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER通过下面的公式计算（见36.321的5.1.3节）：

preambleInitialReceivedTargetPower +DELTA_PREAMBLE+（PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER–1）* powerRampingStep

      其中preambleInitialReceivedTargetPower是eNodeB期待接收到的preamble的初始功率。

DELTA_PREAMBLE与preambleformat相关，其值见36.321的的Table7.6-1。

而powerRampingStep是每次接入失败后，下次接入时提升的发射功率。

      而preamble的实际发射功率

的计算公式为

      其中，

 是UE在PCell的子帧i上所配置的最大输出功率，

是UE通过测量PCell的Cell-specific参考信号得到的下行路径损耗。

      步骤二：

eNodeB发送RandomAccessResponse

      UE发送了preamble之后，将在RAR时间窗（RAResponsewindow）内监听PDCCH，以接收对应RA-RNTI的RAR。

如果在此RAR时间窗内没有接收到eNodeB回复的RAR，则认为此次随机接入过程失败。

      RAR时间窗起始于发送preamble的子帧（如果preamble在时域上跨多个子帧，则以最后一个子帧计算） +3个子帧，并持续ra-ResponseWindowSize个子帧。

图：

RAresponsewindow

      与preamble相关联的RA-RNTI通过如下公式计算：

       RA-RNTI=1+t_id+10*f_id

      其中，t_id是发送preamble的PRACH所在的第一个子帧号（0 ≦ t_id ＜10），f_id是在该子帧发送preamble的PRACH在频域上的索引（0 ≦ f_id ＜ 6）。

对于FDD而言，每个子帧只有一个PRACH资源，因此f_id固定为0。

（RA-RNTI的计算见36.321的5.1.4节）

      某个UE发送的preamble时频位置是固定的，eNodeB在解码preamble时，也获得了该preamble时频位置，进而知道了RAR中需要使用的RA