LTE随机接入详细说明

随机接入过程详解作者彭涛/00294921部门GTACWLLTEeNodeB维护三组版本Version2.0创建时间2014/10/30修改记录2014/11/051.随机接入概述1.1随机接入目的随机接入（RandomAccess，简称RA）过程是UE向系统请求接入，收到系统的响应并分配接入信道的过程，一般的数据传输必须在随机接入成功之后进行。除PRACH信道外，UE发送任何数据都需要网络预先分配上行传输资源，通过随机接入来获取。数据通过空口传输需要一段时间。UE发送上行数据时必须提前一段时间发送，使数据在预定的时间点到达网络，即要保持上行同步。通过随机接入，UE获得上行发送时间提前量TimeAlignment（简称TA）。1.2随机接入分类随机接入（RandomAccess）分为基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程，相应的流程如图2.1和2.2所示。图1.1基于竞争的随机接入图1.2基于非竞争的随机接入与基于竞争的随机接入过程相比，基于非竞争的接入过程最大差别在于接入前导的分配是由网络侧分配的，而不是由UE侧产生的，这样也就减少了竞争和冲突解决过程。1.3随机接入场景1)初始接入场景，是基于竞争的随机入过程，由UEMACLayer发起，多为终端初始入网的时候。2)RRC连接重建场景，是基于竞争的随机接入过程，由UEMACLayer发起，多为信号掉线重新进行建立连接。3)切换场景，通常是非竞争的随机接入过程，但在eNodeB侧没有的专用前导可以分配时，发起基于竞争的随机接入过程，由PDCCHorder发起。4)连接态时UE失去上行同步同时有上行数据到达的场景，是基于竞争的随机接入过程，由UEMACLayer发起。5)连接态时UE失去上行同步同时有下行数据需要发送的场景，通常是非竞争的随机接入过程，但在eNodeB侧没有的专用前导可以分配时，发起基于竞争的随机接入过程，由PDCCHorder发起。6)LCS(定位服务)触发非竞争的随机接入。（具体场景待确认）1.4上下行失步的判断失步分为上行失步和下行失步，在eNB侧检测到的失步称为上行失步；在UE可以同时检测到上行失步及下行失步。eNB检测上行失步的方法有两种：1、eNB连续N次下发TA但是没有收到TA_ACK；2、检测到ENBL1基带上行连续N次没有上报TA值到L2；两种条件中任意组合连续达到N次，就判断为上行失步。UE的上行失步：是通过TA定时器维护的，当TA定时器超时后，终端还没有收到eNB下发的TA调整的MCE，则判断为上行失步。UE检测下行失步：UEDSP每200ms对时延谱滤波值(z注：相当于参考信号RSRP的检测)进行判断，如果满足某门限，则上报L3（z注：RRC层）失步；L3在同步状态连续收到N310个L1（PHY层）上报的out-of-sync指示，则认为失步；同时，启动T310定时器，在T310超时前，若收到N311次in-sync指示，则认为UE恢复同步状态；则，否T310超时后，UE会触发重建流程，同时启动T311定时器，若超时仍未重建成功，则进入IDLE态。UE下行失步检测的流程图如下：2.随机接入过程图2.1初始随机接入过程整体log2.1MSG1—随机接入前导（preamble）的发送随机接入前导为一个脉冲，在时域上，此脉冲包含一个循环前缀（时间长度为Tcp）和一个前导序列时间长度（Tseq）和一段空余（TGP）；频域上位为6个资源块。图2.2机接入时隙结构CP：保证接收机可以进行频域检测（ZC序列），并抵抗符号间干扰。GP（GT）：由于在发送RACH时，还没有建立上行同步，因此，需要在Preamble序列之后预留保护时间（GT：GuardTime），用来避免对其他用户产生干扰。预留的GT需要支持传输距离为小区半径的两倍，这是因为在发送Preamble时还不知道eNB和UE之间的距离，GT的大小必须保证小区边缘的用户获得下行帧定时（小区搜索）后，能够有足够多的时间提前发送。2.1.1准备工作UE在PRACH上发送随机接入前导。前导一般携带有6位信息：5位标识RA-RNTI，1位表示msg3上行调度传输时的传输数据大小。初始随机接入是由UEMACsublayer自己发起的，在进行初始的随机接入过程之前，需要提前通过SIB2(如图2.2所示)获取以下信息：1．PRACH信道参数：通过Preamble配置索引(prach-ConfigIndex)可以获知PreambleFormat（如表2.1所示）以及PRACH位于哪个子帧上；PRACH频域资源偏移（prach-FreqOffset），可以确定PRACH的频域位置。2．随机接入分组及每组可用的随机接入Preamble；3．随机接入响应窗口（UE通过窗口机制控制Msg2的接收，经过ra_ResponseWindowSize子帧停止Msg2的接收）的大小（ra_ResponseWindowSize）；4．功率递增因子（powerRampingStep）；5．Preamble初始功率（preambleInitialReceivedTargetPower）；6．Preamble的最大发送次数（preambleTransMax）；7.基于偏移量DELTA_PREAMBLEDE的preamble格式；8．Msg3最大重传次数（maxHARQ-msg3Tx）；9．竞争解决定时器（mac-ContentionResolutionTimer）；表2.1随机接入preamble的格式PreambleformatTGP0839(~100us)(12symbols,800us)1839(~684us)(12symbols,800us)2839(~200us)(24symbols,2x800us)3839(~684us)(24symbols,2x800us)4(TDDonly)139(~14.6us)(24symbols,133.33us)(假设最大timeadvanced时间为20us)图2.3SIB2的log信息2.1.2发送PREAMBLE功率确定发射功率设置为PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER=PREAMBLE_INITIAL_RECEIVED_TARGET_POWER+(PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER-1)*POWER_RAMP_STEP2.1.3PRACH的选择随机接入信道（RACH）作为上行随机接入信道，仅仅用于传送随机接入前导数据，由于前导数据在MAC层就进行处理，因此其没有对应的逻辑信道。物理随机接入信道（PRACH）负责承载RACH，是RACH映射的物理信道，其有固定的时频资源，时频资源的获得通过系统消息中SIB2中的公共信道配置参数中获得。PRACH信道的时域结构由RA时隙的长度和周期两个变量来定义。RA时隙的长度被确定为子帧长度，即1ms。RA时隙所处的子帧位置取决于RA时隙的发送周期和RA时隙所处的子帧编号。不同的RA时隙发送周期可以用于不同负载的网络，对于小带宽的系统，小区负载较小，则可以采用较长的RA时隙发送周期；对于大带宽的系统，小区负载较大，则可以采用较短的RA时隙发送周期。RA时隙的配置方法如表2.2所示。表2.2RA时隙配置表PRACHconfigurationSystemframenumberSubframenumber号0Even间隔20ms发11Even42Even73Any间隔10ms14Any45Any76Any1,67Any2,78Any3,89Any1,4,710Any2,5,811Any3,6,912Any0,2,4,6,813Any1,3,5,7,914Any0,1,2,3,4,5,6,7,8,915Even92.1.4随机接入前导的选择随机接入前导的选择分为两种情况：1.MSG3消息未被传输过首先判断PreambleGroupB是否存在；如果PreambleGroupB存在，并且可用数据与MAC头以及MAC控制单元之和大于messageSizeGroupA，并且路损小于PARTITION_PATHLOSS_THRESHOLD(即：Pmax–PREAMBLE_INITIAL_RECEIVED_TARGET_POWER–DELTA_PREAMBLE_MSG3–messagePowerOffsetGroupB)，则选择B组中的Preamble，否则选择A组的。确定了Preamble分组之后，随机从中选择一个。通俗的说就是选择分组的依据为Msg3的大小和线路质量。如果Msg3较大且线路良好，则选B组，否则选A组。2.MSG3消息被传输过选择第一次传输Msg3时所使用前导序列所在的随机接入前导序列组。虽说把根序列循环移位后共得到64个preambleID（一般情况下是64个preambleID，但有些特殊情况比如其他厂商或者更大的小区半径范围，preambleID数量可能发生变化），UE在其中可以随机选一个，但还是要遵循一个规定的范围：0到51这前52个preambleID用于竞争随机接入，其中GroupA需要的PreambleIndex范围是0到27，GroupB需要的PreambleIndex范围是28到51。对于基于竞争的RA，UE要自己先确定选择GroupA还是GroupB以便确认preambleID可选范围，然后UE再随机选取PreambleIndex上报给eNodeB。52到63用于非竞争随机接入。基站会通过空口消息下发给UE。2.1.5随机接入前导与小区半径的关系一个小区需要64个preamble，每个preamble都是由ZC根序列经过移位得到。由于每个ZC根序列每次循环移位的位数是基站根据配置文件中的小区半径计算的，这个根序列可以得到的preamble个数是有限的，一个ZC根序列经过循环移位可能得不到64个preamble，所以一个小区可能需要多个ZC根序列。如果将小区半径改大，Ncs将变大，导致循环移位次数Cv（Cv=Nzc/Ncs）的取值个数变小，即：一个根序列可生成的preamble的个数，造成小区所需要的ZC根序列增多,可能与周边其他小区的根序列相同导致干扰产生。UE发送的preamble（例如format0需要64个preamble），是基于根序列循环移位运算后得到的。一个根序列长度为839，每次可以移位的位数等于Ncs，那么一个根序列可以循环移位的次数为Cv=839/Ncs，向下取整。系统消息中zeroCorrelationZoneConfig=2，则NCS=15表2.3NCS配置表NCS*TS≥TRTD+τmax+TAdSchTS前导序列采样间隔。对于Preamble格式0~3,TS=800/839(usec)；对于Preamble格式4，TS=133.33/139（usec）TRTD:小区最大RTD时延，和小区半径Radius(Km)的关系为：TRTD=6.67*Radius(usec)τmax:最大多径时延扩展（usec），取值5usec。TAdSch:向前搜索的时间长度，由下行同步误差决定，下行同步误差最大为2usec2.1.6发送MSG1UE发送preamble时，会根据发送Msg1的子帧号和频率层计算得到的RA-RNTI，RA-RNTI=1+t_id+10*f_id。其实是与PRACH信道的时频位置一一对应的。t_id表示对应PRACH的第一个Subframe索引(0≤t_id10)；f_id表示该Subframe中的PRACH索引(0≤f_id6)，PRACH索引按照频域的递增顺序索引。（RA-RNTI是由PRACH资源位置计算得到的，不需要协商）。UE发出Msg1后，根据自己发送Msg1所使用的RA-RNTI。经过一段时间（目前实现采用3ms）后，开始使用RA-RNTI监听网络下发的RA响应（Msg2），UE持续监听Msg2的时间，即Msg2等待窗口大小。（Msg2的等待窗口大小最大不超过10ms）。eNodeB接收到MSG1后，eNode