1、目錄LTE隨機接入詳解21、簡介21.1 隨機接入觸發(fā)類型21.2 preamble介紹21.2.1 SIB2中關(guān)于preamble的詳細解碼41.3 PRACH時頻資源介紹52、隨機接入過程72.1 UE發(fā)送preamble82.1.1 選擇preambleindex82.1.2 選擇用于發(fā)送preamble的PRACH資源92.1.3 確定對應(yīng)的RA-RNTI102.1.4 確定目標(biāo)接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER102.2 eNodeB發(fā)送RandomAccessResponse103.3 各種觸發(fā)事件下的信令流113.3.1 PDCCH order觸

2、發(fā)113.3.1 MACsublayer觸發(fā)133.3.1 上層觸發(fā)14LTE隨機接入詳解1、 簡介1.1 隨機接入觸發(fā)類型UE通過隨機接入過程（Random Access Procedure）與cell建立連接并取得上行同步。只有取得上行同步，UE才能進行上行傳輸。隨機接入的主要目的：1）獲得上行同步；2）為UE分配一個唯一的標(biāo)識C-RNTI。隨機接入過程通常由以下6類事件之一觸發(fā)：1)初始接入時建立無線連接（UE從RRC_IDLE態(tài)到RRC_CONNECTED態(tài)）；2) RRC連接重建過程（RRC Connection Re-establishment procedure）；3) 切換（h

3、andover）；4) RRC_CONNECTED態(tài)下，下行數(shù)據(jù)到達（此時需要回復(fù)ACK/NACK）時，上行處于“不同步”狀態(tài)；5) RRC_CONNECTED態(tài)下，上行數(shù)據(jù)到達（例：需要上報測量報告或發(fā)送用戶數(shù)據(jù)）時，上行處于“不同步”狀態(tài)或沒有可用的PUCCH資源用于SR傳輸（此時允許上行同步的UE使用RACH來替代SR）；6) RRC_CONNECTED態(tài)下，為了定位UE，需要timing advance。隨機接入過程還有一個特殊的用途：如果PUCCH上沒有配置專用的SR資源時，隨機接入還可作為一個SR來使用。隨機接入過程有兩種不同的方式：(1) 基于競爭（Contention base

4、d）：應(yīng)用于之前介紹的前5種事件；(2) 基于非競爭（Non-Contention based或Contention-Free based）：只應(yīng)用于之前介紹的 (3)、(4) 、(6)三種事件。1.2 preamble介紹 隨機接入過程的步驟一是傳輸random access preamble。Preamble的主要作用是：1、 告訴eNodeB有一個隨機接入請求2、 使eNodeB能估計其與UE之間的傳輸時延，以便eNodeB校準(zhǔn)uplink timing并將校準(zhǔn)信息通過timing advance command告知UE。 Preamble在PRACH上傳輸。eNodeB會通過廣播系統(tǒng)信

5、息SIB-2來通知所有的UE，允許在哪些時頻資源上傳輸preamble。（由prach-ConfigIndex和prach-FreqOffset字段決定，詳見36.211的5.7節(jié)）每個小區(qū)有64個可用的preamble序列，UE會選擇其中一個（或由eNodeB指定）在PRACH上傳輸。這些序列可以分成兩部分，一部分用于基于競爭的隨機接入，另一部分用于基于非競爭的隨機接入。用于基于競爭的隨機接入的preamble序列又可分為兩組：group A和group B（group B可能不存在）。這些配置eNodeB是通過RACH-ConfigCommon（SIB-2）下發(fā)的。圖：random acc

6、ess preambles分組group A和group B的原因是為了加入一定的先驗信息，以便eNodeB在RAR中給Msg 3分配適當(dāng)?shù)纳闲匈Y源。如果UE接入時估計后續(xù)的Msg3可能比較大（大于messageSizeGroupA），并且路徑損耗pathloss小于Pcmax,c-preambleInitialReceivedTargetPower-deltaPreambleMsg3-messagePowerOffsetGroupB，則使用group B中的preamble；否則使用group A中的preamble。這樣eNodeB就能夠根據(jù)收到的preamble知道該preamble所屬

7、的group，從而了解Msg 3的大致資源需求。如果不分組，就應(yīng)采用較高的grant配置，可能損失一些上行效率。（關(guān)于preamble的選擇：詳見36.321的5.1.2節(jié)）Group A/B中的preamble序列本身并沒有太大區(qū)別，只有它們的劃分才是有意義的，用于告訴eNodeB后續(xù)的資源需求。集合A用于Msg3較小或路損較大的場景；集合B用于Msg3較大且路損較小的場景。如果UE進行的是基于非競爭的隨機接入(例如非競爭下的handover)，使用的preamble是由eNodeB直接指定的（見36.331的RACH-ConfigDedicated）。為了避免沖突，此時使用的preambl

8、e是除group A和group B外的預(yù)留preamble。簡單地說：eNodeB通過廣播SIB-2發(fā)送RACH-ConfigCommon，告訴UE preamble的分組、Msg 3大小的閾值、功率配置等。UE發(fā)起隨機接入時，根據(jù)可能的Msg 3大小以及pathloss等，選擇合適的preamble。1.2.1 SIB2中關(guān)于preamble的詳細解碼rach-ConfigCommonpreambleInfonumberOfRA-Preambles1) 字段類型：ENUMERATED n4, n8, n12, n16 ,n20, n24, n28,n32, n36, n40, n44, n

9、48, n52, n56, n60, n642) 字段描述：該小區(qū)用于隨機接入前導(dǎo)碼個數(shù)（競爭）。3) 現(xiàn)網(wǎng)舉例：n52，即52個。preamblesGroupAConfigsizeOfRA-PreamblesGroupA1) 字段類型：ENUMERATED n4, n8, n12, n16 ,n20, n24, n28,n32, n36, n40, n44, n48, n52, n56, n602) 字段描述：隨機接入前導(dǎo)碼組A的大小。對于所有用于競爭隨機接入的Preamble碼，eNodeB可以選擇性的將其分為兩組，稱為集合A和集合B。觸發(fā)隨機接入時，UE首先根據(jù)待發(fā)送的Msg3大小和路損

10、大小確定使用哪個集合。集合A用于Msg3較小或路損較大的場景；集合B用于Msg3較大且路損較小的場景。3) 現(xiàn)網(wǎng)舉例：n28。前導(dǎo)碼組A包含28個前導(dǎo)碼。messageSizeGroupA 1) 字段類型：ENUMERATED b56, b144, b208, b256參考36.331中6.3.22) 字段描述：Msg3消息塊大小門限，針對Preamble碼集合A。b56表示56bit如果Group B存在，則在選擇Preamble碼的集合時，考察：如果Msg3的大小大于該門限，同時滿足UE的路損小于：PCMAX 【配置的UE發(fā)射功率：位置需核實（SIB1的P-max。這個是可選項，現(xiàn)網(wǎng)可能沒

11、開。）】 preambleInitialReceivedTargetPower【見：sib2-powerRampingParameters】 deltaPreambleMsg3【見：sib2-UplinkPowerControlinformationelements】 messagePowerOffsetGroupB的門限值，則選擇Group B；否則就選擇Group A參考36.321中5.1.23) 現(xiàn)網(wǎng)舉例：b56。messagePowerOffsetGroupB1) 字段類型：ENUMERATED minusinfinity, dB0, dB5, dB8, dB10, dB12, dB

12、15, dB182) 字段描述：用于配合判決Preamble碼集合的選擇。3) 現(xiàn)網(wǎng)舉例：dB10。powerRampingParameterspowerRampingStep1) 字段類型：ENUMERATED dB0, dB2,dB4, dB62) 字段描述：隨機前導(dǎo)碼的發(fā)射功率調(diào)整步長。3) 現(xiàn)網(wǎng)舉例：dB2。表明2個dBpreambleInitialReceivedTargetPower1) 字段類型：ENUMERATED dBm-120, dBm-118, dBm-116, dBm-114, dBm-112, dBm-110, dBm-108, dBm-106, dBm-104, d

13、Bm-102, dBm-100, dBm-98, dBm-96, dBm-94, dBm-92, dBm-902) 字段描述：eNodeB期望接收到的初始隨機前導(dǎo)碼的功率。3) 現(xiàn)網(wǎng)舉例：dBm-1041.3 PRACH時頻資源介紹在LTE中，提到信道的時頻資源時，通常都會涉及：時域（system frame、subframe、slot、symbol、周期）頻域（起始RB、所占的RB數(shù)，是否跳頻）、循環(huán)移位（cyclic shift）等。PRACH用于傳輸random access preamble。通常eNodeB不會在預(yù)留給隨機接入的RB上調(diào)度其它上行數(shù)據(jù)。某小區(qū)可用的PRACH時頻資源是

14、由SIB-2的prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset字段決定的。一旦這兩個字段決定了，對接入該小區(qū)的所有UE而言，preamble的格式（format）和可選的PRACH時頻資源就固定了。每個preamble在頻域上占用6個連續(xù)RB的帶寬，這正好等于LTE支持的最小上行帶寬。因此，不管小區(qū)的傳輸帶寬有多大，都可以使用相同的RA preamble結(jié)構(gòu)。小結(jié)：頻域上占6個連續(xù)的RB。preamble在時域上的長度取決于配置。圖：不同的preamble格式從上圖可以看出，不同格式的preamble在時域上所占的連續(xù)子幀數(shù)是不一樣的，format 0占1個子幀，

15、format 1和format 2占2個子幀，format 3占3個子幀。對于TDD，還支持額外的preamble配置：format 4。該配置只用于特殊子幀的UpPTS字段，由于CP的長度明顯小于前面介紹的format 03，format 4只支持覆蓋范圍很小的小區(qū)。小結(jié)：對于FDD而言，通過prach-ConfigIndex查表Table 5.7.1-2得到preamble format以及可以用于傳輸preamble的系統(tǒng)幀和子幀號，從而確定可選的時域資源。通過prach-FrequencyOffset得到在頻域上的起始RB，從而確定頻域資源（FDD在某個子幀上只有一個頻域資源，因此是固

16、定的）。對于TDD而言，通過prach-ConfigIndex查表Table 5.7.1-3和Table 5.7.1-4得到preamble format以及可以用于四元組，其中、確定時域上可用于傳輸preamble的系統(tǒng)幀和子幀號，從而確定可選的時域資源。通過prach-FrequencyOffset得到，并與共同確定了可選的頻域資源（TDD在某個子幀上可能存在多個頻域資源，所以是可選擇的）。UE選擇這些時頻資源中的哪一個，是由UE的實現(xiàn)決定的。對于第一次發(fā)起隨機接入（而不是因為接入失敗而發(fā)起的preamble重發(fā)），個人覺得可以選用時域上最接近的子幀，而頻域上隨機選擇一個資源進行傳輸pre

17、amble。對于由接入失敗而發(fā)起的preamble重發(fā)，其時域資源（timing）的選擇有點特殊，這會在后續(xù)的博客中予以介紹。簡單地說：eNodeB通過廣播SIB-2發(fā)送prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset，從而確定該小區(qū)可用于傳輸preamble的時頻資源集合。UE發(fā)起隨機接入時，從中選擇一個資源發(fā)送preamble。因為eNodeB不知道UE會在哪個時頻資源上發(fā)送preamble，所以會在指示的所有preamble時頻資源上檢測并接收preamble。2、 隨機接入過程基于競爭的隨機接入基于非競爭的隨機接入2.1 UE發(fā)送preambleUE發(fā)送r

18、andom access preamble給eNodeB，以告訴eNodeB有一個隨機接入請求，同時使得eNodeB能估計其與UE之間的傳輸時延并以此校準(zhǔn)uplink timing。觸發(fā)隨機接入過程的方式有以下3種：1）PDCCH order觸發(fā)：eNodeB通過特殊的DCI format 1A告訴UE需要重新發(fā)起隨機接入，并告訴UE應(yīng)該使用的Preamble Index和PRACH Mask Index；2）MAC sublayer觸發(fā)：UE自己選擇preamble發(fā)起接入；3）上層觸發(fā)：如初始接入，RRC連接重建，handover等。UE要成功發(fā)送preamble，需要：1、選擇pream

19、ble index；選擇哪個preamble碼2、選擇用于發(fā)送preamble的PRACH資源；3、確定對應(yīng)的RA-RNTI；4、確定目標(biāo)接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。2.1.1 選擇preambleindex與基于非競爭的隨機接入中的preambleindex由eNodeB指定不同，基于競爭的隨機接入，其preambleindex是由UE隨機選擇的。UE首先要確定選擇的是groupA還是groupB中的preamble。如果存在preamblegroupB，且msg3的大小大于messageSizeGroupA，且pathloss Pcmax,c-pr

20、eambleInitialReceivedTargetPower-deltaPreambleMsg3-messagePowerOffsetGroupB(msg3個頭大，且路損小)，則選擇groupB；否則選擇groupA。如果之前發(fā)送過msg3且接入失敗，則再次接入嘗試時使用的preamble應(yīng)該與第一次發(fā)送msg3時對應(yīng)的preamble屬于相同的group。確定了group之后，UE從該group中隨機選擇一個preamble并將PRACHMaskIndex設(shè)置為0。而對于基于非競爭的隨機接入而言，eNodeB通過為UE分配一個專用的preambleindex來避免沖突的發(fā)生并指定一個PR

21、ACHMaskIndex。eNodeB分配preambleindex和PRACHMaskIndex的方式有兩種：1）通過RACH-ConfigDedicated的ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex字段設(shè)置（Handover過程）；2）在PDCCHorder觸發(fā)的隨機接入中，通過DCIformat1A的PreambleIndex和PRACHMaskIndex字段來設(shè)置（下行數(shù)據(jù)到達或定位）。2.1.2 選擇用于發(fā)送preamble的PRACH資源基于prach-ConfigIndex、PRACHMaskIndex以及物理層的timing限制，UE會先確定下一個

22、包含PRACH的可用子幀。prach-ConfigIndex指定了時域上可用的PRACH資源。（SIB2里面）PRACHMaskIndex定義了某個UE可以在系統(tǒng)幀內(nèi)的哪些PRACH上發(fā)送preamble（見36.321的Table7.3-1，值為0表示所有可用的PRACH資源）。 在基于非競爭的隨機接入中，eNodeB可以通過該mask直接指定UE在某個特定的PRACH上發(fā)送preamble，從而保證不會與其它UE發(fā)生沖突。PRACHMaskIndex可以為0，這說明eNodeB只為UE分配了preamble，但PRACH資源還需UE自己選擇。物理層的timing限制在36.213的6.1.

23、1中定義：如果UE在子幀n接收到一個RARMACPDU，但對應(yīng)TB中沒有一個響應(yīng)與其發(fā)送的preamble對應(yīng)，則UE應(yīng)該準(zhǔn)備好在不遲于子幀n+5的時間內(nèi)重新發(fā)送preamble。如果UE在子幀n沒有接收到一個RARMACPDU，其中子幀n為RAR窗口的最后一個子幀，則UE應(yīng)該準(zhǔn)備好在不遲于子幀n+4的時間內(nèi)重新發(fā)送preamble。如果隨機接入過程是由PDCCHorder在子幀n觸發(fā)，則UE將在子幀n+算起，第一個有可用PRACH的子幀中發(fā)送，其中6。至此，已經(jīng)選定PRACH所在的子幀，接下來，我們開始選擇頻域上的位置。在TDD模式且PRACHMaskIndex為0的情況下：如果eNodeB

24、指定了ra-PreambleIndex且其值不為0，則在之前確定的子幀上隨機選擇一個PRACH；否則在之前確定的子幀及其后續(xù)的兩個子幀（共3個子幀）內(nèi)隨機選擇一個PRACH。如果是FDD模式或PRACHMaskIndex不為0，則根據(jù)PRACHMaskIndex選擇一個PRACH。2.1.3 確定對應(yīng)的RA-RNTIpreamble的時頻位置決定了RA-RNTI的值，UE發(fā)送了preamble之后，會在RAR時間窗內(nèi)根據(jù)這個RA-RNTI值來監(jiān)聽對應(yīng)的PDCCH。2.1.4 確定目標(biāo)接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWERpreamble的目標(biāo)接收功率PREAMBL

25、E_RECEIVED_TARGET_POWER通過下面的公式計算（見36.321的5.1.3節(jié)）：preambleInitialReceivedTargetPower+DELTA_PREAMBLE+(PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER1)*powerRampingStep其中preambleInitialReceivedTargetPower是eNodeB期待接收到的preamble的初始功率。DELTA_PREAMBLE與preambleformat相關(guān)，其值見36.321的的Table7.6-1。而powerRampingStep是每次接入失敗后，下次接入時提升的發(fā)

26、射功率。而preamble的實際發(fā)射功率的計算公式為其中，是UE在PCell的子幀i上所配置的最大輸出功率，是UE通過測量PCell的Cell-specific參考信號得到的下行路徑損耗。2.2 eNodeB發(fā)送RandomAccessResponseUE發(fā)送了preamble之后，將在RAR時間窗（RAResponsewindow）內(nèi)監(jiān)聽PDCCH，以接收對應(yīng)RA-RNTI的RAR。如果在此RAR時間窗內(nèi)沒有接收到eNodeB回復(fù)的RAR，則認為此次隨機接入過程失敗。RAR時間窗起始于發(fā)送preamble的子幀（如果preamble在時域上跨多個子幀，則以最后一個子幀計算）+3個子幀，并持續(xù)

27、ra-ResponseWindowSize個子幀。圖：RAresponsewindow與preamble相關(guān)聯(lián)的RA-RNTI通過如下公式計算：RA-RNTI=1+t_id+10*f_id其中，t_id是發(fā)送preamble的PRACH所在的第一個子幀號（0t_id10），f_id是在該子幀發(fā)送preamble的PRACH在頻域上的索引（0f_id6）。對于FDD而言，每個子幀只有一個PRACH資源，因此f_id固定為0。（RA-RNTI的計算見36.321的5.1.4節(jié)）某個UE發(fā)送的preamble時頻位置是固定的，eNodeB在解碼preamble時，也獲得了該preamble時頻位置，

28、進而知道了RAR中需要使用的RA-RNTI。簡單地說：UE通過RAR所帶的RA-RNTI和preambleindex來確定是否成功接收到自己想要的RAR，然后再進行后續(xù)處理。3.3 各種觸發(fā)事件下的信令流觸發(fā)隨機接入過程的事件有6種，見之前介紹。觸發(fā)隨機接入過程的方式有3種：1）PDCCH order觸發(fā)：eNodeB通過特殊的DCI format 1A告訴UE需要重新發(fā)起隨機接入，并告訴UE應(yīng)該使用的Preamble Index和PRACH Mask Index；2）MAC sublayer觸發(fā)：UE自己選擇preamble發(fā)起接入；3）上層觸發(fā)：如初始接入，RRC連接重建，handover等。3.3.1 PDCCH order觸發(fā)