LTE学习笔记随机接入过程帧结构文档格式.docx

1、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

2、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，timing Advance ）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

3、导，当然这个判断是由 eNB 作出的，而不是 UE自己来决定的。1UE 发送随机接入 preamble2随机接入响应（timing, UL resource allocation, .）3上行数据（调度的）传输4冲突解决UE E-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 （RRC Connection Request）.（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，

4、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

5、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

6、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 （Reference Signal Received Power）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 R

7、AR消息,（Random Access Response）, 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

8、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（Random Access RNTI来） 监听 RAR消息.RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id其中，t_id ，发送前导的 PRA

9、CH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

10、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 backoff indictor 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 （RRC Connection Request

11、）.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 （Hybrid Automatic Repe

12、at request）, 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

13、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（ initial access），msg3 为在 CCCH上传输的 RRC Connection Request，且至少需要携带 NAS UE标志信息。2、如果是 RRC连接重建 （RRC Connection Re-establishment），msg3 为 CCCH上传输的 RRCConnection Re-establishment Request ，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 RRCHandover Confirm ，必

14、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：I RRC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-Cont

15、entionResolutionTimer 时间内 , UE接收到 eNodeB 返回的ContentionResolution 消息, 并且其中携带的 UE ID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

16、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

17、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 06），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（DSUUDDSUU

18、D）.已知常规长度 C P，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

19、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

20、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 FD

21、D，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。 LTE FDD

22、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

23、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）。LTE TDD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。