LTE学习笔记随机接入过程帧结构

1、2014-3-4:重点了解的：（黄色为自己所批注）一、随机接入过程：1.1、UE可以通过随机接入过程实现两个基本功能：取得与eNB之间的上行同步：申请上行资源。1.2、随机接入过程应用于以下6种场景：从RRC_IDLE状态初始接入，即RRC连接建立；无线链路失败后初始随机接入，即RRC连接重建；切换下行数据到达且UE空口处于上行失步状态；上行数据到达且UE空口处于上行失步状态，或者虽未失步但需要通过随机接入申请上行资源；辅助定位，网络利用随机接入获取时间提前量（TA，timing Advance）（TA（Timing Advance），包含6位二进制，数值为0-63，单位为一个传输码元，即3.

2、69µs。最在时间提前量为63*3.68=233µs,相当电波传输35KM的往反时间。从这一点说，GSM系统遇到不懂的查阅资料时候要查与LTE相关的，LTE中的TA定义，不要找错到其他网去。的小区覆盖最大半径为35KM。）1.3、根据UE发起preamble码时是否存在碰撞的风险，随机接入过程可分为竞争随机接入和非竞争随机接入。1、基于竞争模式的随机接入： 1、RRC_IDLE状态下的初始接入； 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

3、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

4、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导，当然这个判断是由eNB作出的，而不是UE自己来决定的。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)

5、: 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

6、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

7、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 (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

8、道,是否存在ENODEB回复的RAR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,

9、 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(Random Access RNTI)来监听RAR消息.     

10、;        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

11、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

12、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).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

13、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 Repeat 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

14、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（initial access），msg3为

15、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RRC Connection 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RRC Handover

16、Confirm，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-RNTI：RRC连接临时标识；小区内唯一；由RNCRNC是3G中的术语，LTE中对应的是eNB基站分配；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

17、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

18、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

19、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。n “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。n 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

20、。图1-1图1-2例嗯，协议36.212第四章就可查阅。：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

21、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

22、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L