第三章 LTE MAC协议解读随机接入过程.docx

1、第三章 LTE MAC协议解读 随机接入过程第三章LTEMAC协议解读-随机接入过程3.4 MAC 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： o RRC_IDLE状态下的初始接入；o 无线链路出错以后的初始接入；o 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

2、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： o 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；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

3、；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PDCCH order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PDCCH order，那么它就会发起一个随机接入过程，PDCCH order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

4、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:Group B与Group A，分布用于指示发送的MSG3的大小，Group B的前导序列个数由下面的参数推导可得 Group B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Group A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Group B的前导序列，Group A与Group B的前导序列编号如下：o 0

5、sizeOfRA-PreamblesGroupA 1以及sizeOfRA-PreamblesGroupAnumberOfRA-Preambles 1 UE选择Group A还是选择Group B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Group B时，它就会分配多一点资源给UE来发送MSG3 如果存在Group B的前导序列，那么由于Group B对于的MSG3消息比较大，因此必须满足一些额外的要求，messagePowerOffsetGroupB与messageSizeGroup

6、A, 配置的UE发射功率 PCMAX，前导序列与MSG 3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

7、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； MSG3 HARQ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

8、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-

9、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

10、、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ZadoffChu (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

11、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

12、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

13、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MA

14、C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

15、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UE IMSI之类的。提前说一下，在消息4里面

16、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CCCH SDU(例如RRC连接请求消息)，而收到下行PDCCH发送给临时C-RNTI： 如果MAC PDU解码成功： o 停止竞争消除定时器，如果MAC PDU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MAC PDU 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-RNT

17、I，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MAC PDU； 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

18、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WiMA

19、X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：Table 3.4.1-1: Backoff 参数值.索引Backoff 参数值(ms)0011022033044056068071208160924010320114801296013Reserved14Reserved15Reserved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ifelse，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。