LTE隨機接入過程研究*

倪 偉，董宏成

(1.重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶400065;2.重慶信科設計有限公司，重慶400065)

0 引言

在移動通信系統中，網絡端和UE進行通信時必須首先建立連接，以取得上行同步為目的的隨機接入過程是建立連接的首要步驟。因此，隨機接入過程將直接影響到系統的性能。

1 LTE隨機接入簡介

隨機接入過程可以分為非同步隨機接入過程(Non-Synchronized Random Access)、同步隨機接入過程(Synchronized Random Access)。當UE尚未和網絡端取得上行同步或者丟失了上行同步時，UE進行的隨機接入過程稱為非同步隨機接入過程;當UE和網絡端取得了上行同步而進行的隨機接入過程，稱為同步隨機接入過程［1］。

UE進行非同步隨機接入過程時，尚未取得精確的上行同步。所以，相比同步隨機接入過程，非同步隨機接入過程最顯著的特征是要估計并調整UE上行發送時鐘，使同步誤差控制在一個CP(Circle Preamble)長度內。

3GPP LTE沒有單獨定義同步隨機接入過程，本文所涉及的隨機接入過程均指非同步隨機接入過程。當UE處于以下情況時，將進行隨機接入過程，以獲取或恢復上行同步［2］:

1)從空閑狀態向連接狀態轉換，例如初始隨機接入或跟蹤區域更新等;

2)當UE處于連接狀態，但沒有取得上行同步，需要發送上行數據或者控制信息，例如事件觸發的測量報告、下行數據的反饋信息等;

3)當UE處于連接狀態，從當前小區切換到目標小區;

4)鏈路連接失敗，恢復鏈路連接。

網絡端可以給UE分配專用的隨機接入前導序列，以避免多個UE使用同一個隨機接入前導序列來競爭隨機接入，此過程稱為非競爭模式隨機接入。反正，由UE隨機選擇一個隨機接入前導序列發起的隨機接入，而有可能引發接入沖突，此過程稱為競爭模式的隨機接入。

2 競爭模式的隨機接入過程

2.1 隨機接入初始化

在隨機接入初始化之前，UE通過解析小區廣播的系統信息，RRC層向MAC層配置如下信息［4］:

1)一系列可用的PRACH資源。UE從中選擇用于發送隨機接入前導的時頻資源;

2)隨機接入前導組和各組中一系列隨機接入前導;

3)隨機接入響應窗口大小，UE在時間窗內接收RAR(Radom Access Respond，隨機接入響應);

4)初始前導功率，UE初次發送隨機接入前導的功率;

5)功率斜升參數，如果前一次隨機接入前導發送失敗，下一次發送時需增加的功率;

6)最大前導傳輸數目，允許發送隨機接入前導的最大次數;

7)基于前導格式的功率偏移量;

8)最大Msg3 HARQ傳輸次數;

9)競爭解決定時器。

MAC層執行隨機接入初始化過程，如下所示:

1)清空Msg3緩存;

2)前導傳輸次數計數器置為1;

3)UE中前導重傳退避時間置為0 ms;

4)選擇隨機接入前導。

2.2 隨機接入流程

基于競爭模式的隨機接入過程由MAC層完成，其流程如圖1所示。

(1)Step1:UE通過PRACH向eNodeB發送隨機接入前導(Msg1)。

系統信息中廣播的隨機接入前導被分為2個組，MAC層根據在step3中所需的資源大小，在相應的組中選擇隨機接入前導。用1bit的信息就可以指示不同接入目的所需的資源大小。

MAC層每傳輸一次前導序列時，通過UE測量的下行參考信號接收功率(RSRP)平均值來估計上行鏈路路損。MAC層根據路損向物理層設置前導發送功率(=初始前導功率+功率偏移量+(前導傳輸次數計數值－1)*功率斜升參數)，以全額補償前導發送的路損。

UE根據PRACH的時頻資源，按下式計算出RA-RNTI:

式中t_id是所選的PRACH的第一個子幀的索引值(0≤ t_id<10)，f_id是在此子幀中的PRACH的頻率索引(0≤f_id<6)。

物理層在分配的前導傳輸時頻資源上，使用指示的發送功率，把“隨機接入初始化”過程中MAC層選擇的前導序列發往eNodeB。

圖1 基于競爭模式的隨機接入流程

(2)Step2:eNodeB通過PDSCH向UE發送隨機接入響應RAR(Random Access Respond)(Msg2)。

包括隨機前導序列ID、T-RNTI(Temporary Radio Network Temporary Identifier)、TA(Time Advance，時間提前量)、退避指示、資源分配等。

MAC層在系統信息廣播的期望的“隨機接入響應窗口”時間內接受RAR。

如果在該時間窗內沒有接收到RAR，或者成功解碼的RAR中隨機前導序列ID和發送的隨機接入前導序列不一致，RAR不成功。此時，MAC層把“前導傳輸次數計數器”加1，并重新選擇一個前導序列，重新執行前導的傳輸過程step1。每重新執行一次前導傳輸，MAC層都會按照UE中指示的退避時間延遲重傳前導序列，避免過多的接入碰撞。

如果UE成功接收到RAR，UE根據RA-RNTI解碼PDCCH，以獲取PDSCH中的RAR信息，其中包含有前導序列ID、TC-RNTI等。如果成功解碼RAR，并且RAR中的隨機前導序列ID和發送的隨機接入前導序列一致，則認為RAR成功。

如果多個UE在相同時頻資源上發送了相同前導序列，則會發生接入碰撞，每一個UE都也可能接收到RAR，包含相同的TC-RNTI。由此進入到競爭解決過程step3、step4。

(3)Step3:UE通過PUSCH向eNodeB發送L1L2消息(Msg3)。

包含RRC連接請求、跟蹤區域更新、調度請求、step2中解碼的T-RNTI、C-RNTI(如果存在)或者唯一的48bit UE標識(如果不存在C-RNTI)。

RAR成功的UE在step2中分配的時頻資源上發送L1L2消息，時間提前量為RAR中解析出來的TA，發射功率=初始前導功率+功率偏移量+(前導傳輸次數計數值－1)*功率斜升參數，MAC層為發送的Msg3開啟一個“競爭能解決定時器”。UE期望在競爭解決定時器超時之前接收到競爭解決消息(Msg4)。

在step1中發生接入沖突的UE，在相同的上行時頻資源上發送L1L2消息，沖突仍然存在。如果UE不能在期望的時間內接收到網絡端發送的競爭解決消息，MAC層將啟動HARQ重傳L1L2消息，每一次HARQ重傳都將重置競爭解決定時器，直到達到最大的Msg3 HARQ傳輸次數，UE向高層報告競爭解決失敗。

即使eNodeB成功解碼一個UE，其他的UE沖突仍然未解決，eNodeB將在step4中快速解決競爭。

(4)Step4:eNodeB通過PDSCH向UE發送競爭解決消息(Msg4)。

競爭解決消息是基于T-RNTI或者C-RNTI的。對于在step3中每一次前導的發送或重傳，MAC層都會期望在競爭解決定時器超時之前接收到競爭解決消息。

如果UE接收到并正確解碼競爭解決消息，且檢測到屬于自己的T-RNTI或者UE標識，競爭解決成功，該UE將向網絡端傳輸HARQ反饋，同時將T-RNTI晉升為C-RNTI。

而其他沒有接收到競爭解決消息，或者解碼競爭解決消息失敗，或者成功解碼但是檢測到不屬于自己的T-RNTI或者UE標識的UE，競爭解決失敗，UE不會發送HARQ反饋。此時，UE清空HARQ緩存，“前導傳輸次數計數器”加1，設置退避時間值，UE在和上一次同樣的前導序列組中隨機選擇一個前導序列，然后重新執行前導傳輸step1。

3 非競爭模式隨機接入過程

當UE要求較小時延的隨機接入時，例如切換和重新使用上行鏈路，可以使用非競爭模式的隨機接入過程，以快速和網絡建立連接。此時，由網絡端分配專用的隨機接入前導序列，此后過程同競爭模式隨機接入step1、step2。

非競爭模式的隨機接入流程如圖2所示。

圖2 基于非競爭模式的隨機接入流程

4 結束語

隨機接入過程是LTE移動通信系統中一個重要的過程，直接關系到系統性能。

基于競爭模式的隨機接入過程的目的是取得上行同步，接入時間較長，是和網絡端建立連接必不可少的步驟?；诜歉偁幠Ｊ降碾S機接入過程適用于已經取得了上行同步的情況，以快速建立數據交互為目的，對時延要求較高。

［1］沈嘉，索士強，全海洋.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］Stefania Sesia，Issam Toufik，Matthew Baker.LTE-The UMTS Long Term Evolution:From Theory to Practice［M］.John Wiley ＆ Sons，Ltd.2009.

［3］3GPP TS 36.211 V8.8.0 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Net-work;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(EUTRA);Physical Channels and Modulation. ［S/OL］.(2009－12－09).［2010－01－09］.http://www.3gpp.org.

［4］3GPP TS 36.321 V8.8.0 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(EUTRA);Medium Access Control(MAC)protocol specification.［S/OL］.(2009－12－28).［2010－01－09］.http://www.3gpp.org.