LTE学习笔记随机接入过程、帧结构

Comment 微微微微1 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 2014 3 4 重点了解的 黄色为自己所批注 一 随机接入过程 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 69 s 最在时间提前量为 63 3 68 233 s 相当电波传输 35KM 的往反时间 从这一点说 GSM 系统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 UE发送随机接入 preamble 随机接入响应 timing UL resource allocation 上行数据 调度的 传输 冲突解决 1 2 3 4 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 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 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 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 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 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 Comment 微微微微2 RNC 是 3G 中的 术语 LTE 中对应的是 eNB 基站 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 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 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 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 0 6 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 Comment 微微微微3 嗯 协议 36 212 第四章就可查阅 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 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