LTE随机接入过程总结完美

随机接入过程

.PRACH

1.PRAC的类型

对于Preambleformat1和2,在时间上占用两个完整的了帧；对于Preambleformat

3,在时间上占用三个完整的子帧。在频

域上，Preambleformat03均占用一个

PRB即180KHz勺频带,区别是Preambleformat0~3的子载波间隔是1.25KHZ

并占用864个子载波，由于ZC序列的长度是839,因比Preambleformat0、3真正

占用中间的839个子载波传输Preamble,而剩余的25个子载波作为两边的保护带

宽。

不同类型的Preamble有长度不一样的CP和保护间隔，小区的覆盖范围和保护间隔GT有关，具

体可参考如下公式：

R=GT*C/2

其中，R为小区三径、GT为保护间隔、C表示光速。至

于不同类型的Preamble

1ms可支持半径约14km；

Preamble格式0:持续时间

2ms可支持半径约77km；

Proamb1c格式1:持续时间

2nls可支持半径约29km；

Preamble格式2:持续时间

3ms可支持半径约107km;

Preamble格式3:持续时间

对应的小区半径可参考如下：

2.PRACI的时频位置

首先给出PRACH的时域位置，协议中由参数prach-Configlnde给出，每个"ach-

Configindex给出了Preamble的类型、Systemframenumber(Even/Any)Suoframe

numbero具体如表2所示:

而对于PRACH的频域位置，协议中由参数

nPRRABoflscl确定,它的取值范围是

RAIL

◎

.-PRBoffset^RB.

表2:random

accessProjblSubframePre_<iblSubframe

eSystemeSystem

configuration

numberPRACHnumber

forpreamble

frame

formats03frame

FormatConfigurationFormat

PRACH

numbe

nu

Configurationmbe

Tndex

rr

Index

00Even1322Even1

10Even4332Even4

20Even7342Even7

30Any1352Any1

40Any4362Any4

50Any7372Any7

60Any1,6382Any1,6

70Any2,7392Any2,7

80Any3,8402Any3,8

90Any1,4,7412Any1,4,7

100Any2,5,8422Any2,5,8

110Any3,6,9432Any3,6,9

0,2,4,0,2,4,

120Any442Any

6,86,8

1,3,5,1,3,5,

130Any452Any

7,97,9

14Any46N/AN/AN/A

00,1,2,

3,4,5,

6,7,8,

150Even9472Even9

161Even1483Even1

171Even4493Even4

181Even7503Even7

191Any1513Any1

201Any4523Any4

211Any7533Any7

221Any1,6543Any1,6

231Any2,7553Any2,7

241Any3,8563Any3,8

251Any1,4,7573Any1,4,7

261Any2,5,8583Any2,5,8

271Any3,6,9593Any3,6,9

Any0,2,4,N/AN/AN/A

28160

6,8

29Any1,3,5,N/AN/AN/A

161

7,9

30N/AN/AN/A62N/AN/AN/A

311Even9633Even9

3.Prach在协议中的配置(331协议)

4.PRACHbasebandsignalgeneration

PRACH的时域波形通过下面的公式生成：

其中Xuv(n)是Preamble序列。而TheunrootZadoff-Chusequence被定义

为如下式：

如上所述，对于Preambleformat03的序列长度Nzc为839，而对于u的取值请参看

协议36.211的。

Xjv(n)实际上是通过X”n做循环移位生成的,

而C、的计算方式如下式：

vO.I...iOS0forunrestrictedsets

forunrestricted

CvONcs“

0,1,.seis

(vmodrC)N«/'RARAforrestrictedsets

,-4；，・一••一Rshift

从中可以看出，涉及到unrestrictedse和restrictedsets

High-Speed-flag确定的，而参数Ncs是由协议参数zeroCorrelationZoneConfig

和High-Speed-flag共同确定的，具体可参考协议。还有一些其它参数，按照下述的一些公

式计算：

当NcsduNZC3,贝U：

5.当NZC3du%吒>2,则:

6.Preambleresourcegroup

每个小区有64个可用的Preamble序列，UE会选择其中一个在PRACHt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又分为GroupA和GroupB,

这些都是由SIB2中的Rach-ConfigCommon中下发的。具体可参考图1:

图1:Preamble分类

分组GroupA和GroupB的原因是为了增加一定的先验知识，从而方便ENB在RAR中给MSG分配适当的

上行资源。如果UE认为自己的MSG3ize比较大(bigger大anthemessageSizeGroupA),并且路损小

于一门限,则UE选择GroupB的Preamble，否则选择GroupA的Preamble。

.随机接入触发的原因

1.触发随机接入的事件主要有如下6类：

2.初始建立无线连接。(即从RRC」DL态至URRC_CONNECTE或进行attach)

3.RRC链接重建过程。(RRCCONNECTEDRe-establishmentprocedure)

4.3切换。（handover）注意：切换有可能是非竞争或者竞争随机接入，要看

RRCReconfiguration消息里是否携带了Preambleindex和PrachMaskindex。

5.RRJCONNECT态时，上行不同步，此时下行数据到来。

RRCCONNECT态时，上行数据到达，但上行不同步或者在PUCC上没有可用的SR资源。

RRC_CONNECT态时，需要timeadvanee。

随机接入又分为基于竞争的和基于非竞争的，基于竞争的应用于上述的前5类事件，而基于非竞争

的用于第3、4、6类事件。

三.随机接入过程

首先给出基于竞争的随机接入和非竞争随机接入的基本流程，如下图2图3:

图2:基于竞争随机接入

图3:基于非竞争的随机接入

1.下面详述随机接入的过程：

UE发送Preamble,即MSG1

UE要发送Preamble,需要：1）选择PreambleIndex;2）选择用于发送Preamble的

Prach资源；3）确定RA-RNT1;4）确定目标接收功率。

1）确定PreambleIndex

2)UE会根据Msg3size和路损综合选择用GroupA还是GroupB的Preambleindex,如果之

前发生过接入失败，则再次接入时应选择和第一次发送的Preamble相同的Group。对于非

竞争接入，ENB通过RACH-ConfigDedicated中的raT'reamblelndex字段或者DC1format

1A的PDCC的PreambleIndex字段来设置UE所使用的Preamble。需要说明的是，在某

些基于非竞争的随机接入中，如果ENB将PreambleIndex配置为0,贝UUE按照基于竞争

的随机接入，自我选择PreambleIndexo

3)PRAC资源选择

首先，prach-Configlndcx确定了在一个无线帧内，哪些个子帧可以用

于sendPrachc而prachMaskIndex指定了此UE具体用哪个资源，对于prach

MaskIndex可以参考表3:

表3:PrachMaskIndex

对于非竞争的随机接入，ENB会通过RACH-ConfigDedicated中的

ra-Prach-Masklndex字段或者DCIformat1A的PDCCI的PrachMaskIndex字段

来设置UE的Maskindex,从而指名了UE使用哪些Prach资源。而对于非竞争随机接

入如何选择Prach的资源，协议中没有明确指出。另外，还需要注意，如果非竞争的

随机接入配置Maskindex为0,贝UUE可以任意选择

Prach的时域资源。

物理层的Frachtiming的机制对于Prach时域资源的选择也会有影响,

第一：如果UE在子帧n接收到RAR但是没有一个响应与其发送的

preamble对应，则UE应该在不迟于子帧n+5的时间内重新发送Preambleo

第二：如果UE在时间窗内没有检测到属于自己的RAR则UE应该在不

迟于子帧n+4的时间内重新发送Preambleo

第三：如果随机接入是由PDCC触发的，则UE#在子帧n+k算起的第一个可用的

PRAC子帧发送Preamble,其中k>=2。

而在Mac层协议中，如果UE没有收到RAR则会选择一定的了•帧延迟发送新的Preamble,

这个是否和物力层协议中相矛盾呢？

此问题和朋朋交流后，认为由高层触发时，采用物理层的机制，而由MAC层触发的时候采

用MAC勺机制。

3)确定RA-RNTI

RA-RNTI的计算方式如下式：

RA-RNTI=1+t_id+10*f_id

4)其中，t_id表示preamble发送的第一个子帧(0<=t_id<10),而f_id表示频域位置

(f_id<6)对于FDD每个子帧只有一个频域资源用来发送Preamble,因此f-id固定为

0°

5)Prach发射功率的确定

的最大发射功率，而则是UE通过小区参考信号测量出的路损，而

PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_R具体请参看36.321协议)表示ENB接

收Preamble时的期望到达功率。

2.UE接收RAR

UE发送Preamble之后，将在RAR的时间窗内监听携带RA-RNT1的PDCCH以接

收自己的RAR如果在时间窗内没有检测到属于自己的RAR则认为此次随机接入失败。RAM时间

窗起始于n+3子帧，并持续ra-ResponseWindo\vSize个子帧。具体如图4：

图4:RAF接收时间窗

那么RAR中会携带什么呢，下面结合RAR的结构详细说明,

如图5,为MACRARPDU的完整结构:

图5:MACRARPD结构

从上图可以看出，该MACPDU由一个MAC头(MACheadcr)+。个或多个MACRAR

(MACRandomAccessRespons+可能存在的padding组成。

从MACPDU勺结构可以看出，如果eNodeB同一时间内检测到来自多个UE的随

机接入请求，则使用一个MACPD就可以对这些接入请求进行响应，每个随机接入

请求的响应对应一个MACRAR

如果多个UE在同一PRAC资源（时频位置相同，使用同一RA-RNT）发送preamble,

则对应的RAF复用在同一MACPD中

MACPD在DL-SCH_L传输，并用以RA-RNTI加扰的FDCCH前面已经介绍过，

使用相同时频位置发送preamble的所有UE都监听相同的RA-RNT指示的PDCCH

MACheader由一个或多个MACsubheader组成。除了BackoffIndicatorsubheader、，

每个subheader对应一个MACRAR如果包含BackoffIndicatorsubheader则该

subheader只出现一次，且位于MACheader的第一个subheader处。

BackoffIndicatorsubheader结构如图6:

图6:BackoffIndicatorsubheader

BI（BackoffIndicator）指定了UE重发preamble前需要等待的时间范围（取

值范围见36.321的7.2节）。如果UE在RAR时间窗内没有接收到RAR或接收到的RAR中

没有一个preamble与自己的相符合，则认为此次RAR接收失败。此时UE需要等待一段时

间后，再发起随机接入。等待的时间为在0至BI指定的等待时间区间内选取一个随机值。

（注：如果在步骤四中，冲突解决失败，也会有这样的后退机制）

RARsubheader结构如图7:

图7:RARsubheader

RAPID为RandomAccessPreambleIDentifier的

简称，为eNodeB在检测preamble时得到的

preambleindex如果UE发现该值与自己发送

preamble时使用的索引相同，则认为成功接收到对

应的RAR。

图8:RAR

TC-RNTI用于UE和eNodeB的后续传输。冲突解决后，该值可能变成C-RNIT。

11-bil的Timingadvancecomman用于指定UE上行同步所需要的时间调整量。

具体可以参考36.213协议。

20bitULgran指定了分配给msg3的上行资源。当有上行数据传输时，例如需要解决冲突，

eNodeB在RAR中分配的grant不能小于56bi。Gant的结构如图9:

图9:Grant结构

UE随机选择一个preamble用于随机接入，就可能导致多个UE同时选择同一

PRACH资源的同一个preamble,从而导致冲突的出现（使用相同的RA-RNTI和preamble,

因此还不确定RAF是对哪个UE的响应），这时需要一个冲突解决机制来解决这个问题。冲

突的存在也是RAR不使用HARQ勺原因之一。

如果UE使用专用的preamble用于随机接入，则不会有冲突，也就不需要后续的冲突解决

处理，随机接入过程也就到此结束了。（基于非竞争的随机接入）

如果接入过程失败（即在RAR窗内没有收到RAR或者有RAR但没有属于自己的RAR

PDU,UE需要将PREAMBLETRANSYISSIOCOUNTE加1（如果此时

PREAMBLE_TRANSMISS10N_COUNTER=preambleTransMax则通知上层随机接入失

再发起随林接入B好挛9屋1a编导剧例蝴蝌T谕帆。蜘便没阐铝券朦美佃豳V接人■后，

试次数preambleTransMax则UE将在上次发射功率的基础上，提升功率

powerRampingStep来发送下次preamble,以提高发射成功的概率。

3.UE发送MSG3

基于非竞争的随机接入，preamble是某个UE专用的，所以不存在冲突，又因为该UE已经

拥有在接入小区内的唯一标志C-RNTI,所以也不需要eNodeB合它分配C-RNTI。因此，只有基于

竞争的随机接入才需要步骤三和步骤四。

之所以称为msg3而不是某一条具体消息的原因在于，根据UE状态的不同和应用场景的

不同，这条消息也可能不同，因此统称为msg3即第3条消息。

如果UE在子帧n成功地接收了自己的RAR则UE应该在n+k的第一个可用的上行子帧发送

msg3而对于FDD系统k为6。需要注意的是，在RAR中ULgrant包含Ibit的字段ULdelay,

如果delay为0,贝UUE会在n+k发送msg3如果为1,则UE会在n+k后的下一个子帧发送

msg3

msg3在UL-SCH上传输，使用HARQ且RAF中带的ULgrant指定的用于msg3的TB大小至

少为80比特。

msg3中需要包含一个重要信息：每个UE唯一的标志。该标志将用于步骤四的冲突解决。

对于处于RRC_CONNEC态的UE来说，其唯一标志是C-RNTLUE会通过C-RNTI

MACcontrolelement将自己的C-RNTI告诉eNodeBeNodeB在步骤四中使用这个C-RNTI来解

决冲突。C-RNTIMACcontrolelement如图10:

图10:C-RNTIMACcontrolelement

对于非RRC_CONNECT态的UE来说，将使用一个来自核心网的唯一的UE标志

（S-TMSI或一个随机数）作为其标志。此时eNodeB需要先与核心、网通信，才能响应

msg3。

对于msg能携带的消息主要有两类，一类主要是UE要带给ENB或者EPC端的一些信令，如

RRCConnectionRequesthandover相关等；另一类罡用于冲突解决的，比如处于连接态时需要

携带C-RNTI,而处于非连接态时需要携带S-TMSI或者一个由UE产生的随机数。注意：此时ENB

g用TC-RNT1加扰的PDCC调度UE

最后，需要注意的是，在MSG3阶段，协议设计了一个定时器

Mac-ContentionRcsolutionTimcr,当Mac-ContentionResolutionTimcr超时并且还没有收到

MSG4寸，则认为本次随机接入失败，并择机重新发送Preamble,而当MSG3出现HAR

（重传时，此定时器需要复位并重启。

最后再总结一下MSG3可能会携带的东西，主要包括：C-RNTIMACControlElementsBSKMAC

ControlElement、PHRMACControlElement、还有一些RRQ肖息等。

4冲突解决ENB发送MSG）

关于这个问题，我认为只要关注如下：

如果在MSG中携带了UE的C-RNTI,此时UE只要检测到了用C-RNTI加扰的PDCCH即可以认

为冲突解决。

UE?Contention?Resolution?IdentityMACControlElement并且里面携带的信息

要和MSG3中的一下才可以认为冲突解决，此时TC-RKTI升级为C-RNTIo

UE?Contention?Resolution?IdentityMACControlElement如图11:

图11:UE?Contention?Resolution?ldentityMACControlElement

如果冲突解决失败，UE需要将PREAMBLE_TRANSMISSION_