随机接入详述(华为).docx

随机接入过程详解
作   者
彭涛/00294921
部   门
GTAC WL LTE eNodeB维护三组
版   本
Version 2.0
创建时间
2014/10/30
修改记录
2014/11/05

1.          随机接入概述
1.1      随机接入目的
随机接入（Random Access，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。
Ø  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。
Ø  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Time Alignment（简称TA）。
1.2      随机接入分类
随机接入（Random Access）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UE MAC Layer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UE MAC Layer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PDCCH order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UE MAC Layer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PDCCH order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ENB L1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：UE DSP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；否则，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log
2.1   MSG1—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：Guard Time），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UE MAC sublayer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Preamble Format（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
Preamble format

TGP
0
839
(~100us)
(12 symbols, 800us)

1
839
(~684us)
(12 symbols, 800us)

2
839
(~200us)
(24 symbols, 2x800us)

3
839
(~684us)
(24 symbols, 2x800us)

4
(TDD only)
139
(~14.6us)
(24 symbols, 133.33us)

(假设最大time advanced时间为20us)

图2. 3 SIB2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_STEP
2.1.3        PRACH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. 2 RA时隙配置表
PRACH configuration
System frame number
Subframe number 号
0
Even 间隔20ms发
1
1
Even
4
2
Even
7
3
Any 间隔10ms
1
4
Any
4
5
Any
7
6
Any
1, 6
7
Any
2 ,7
8
Any
3, 8
9
Any
1, 4, 7
10
Any
2, 5, 8
11
Any
3, 6, 9
12
Any
0, 2, 4, 6, 8
13
Any
1, 3, 5, 7, 9
14
Any
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
15
Even
9
2.1.4        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Preamble Group B是否存在；如果Preamble Group B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preamble ID（一般情况下是64个preamble ID，但有些特殊情况比如其他厂商或者更大的小区半径范围， preamble ID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：
Ø  0到51这前52个preamble ID用于竞争随机接入，其中GroupA需要的Preamble Index范围是0到27，GroupB需要的Preamble Index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preamble ID可选范围，然后UE再随机选取Preamble Index上报给eNodeB。
Ø  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. 3 NCS 配置表

NCS *TS≥TRTD+τmax+TAdSch
TS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2usec
2.1.6        发送MSG1
UE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_id <10)；f_id表示该Subframe中的PRACH索引(0≤ f_id< 6)，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，eNodeB用64个preamble ID去逐个与检测到的preamble进行相关性峰值计算，也能获得UE和eNodeB的时延。eNodeB用某一个preamble ID与MSG1计算得到相关性峰值即认为UE发送的就是这个preamble ID。
2.1.7        QXDM抓取MSG1的log

图2. 4 MSG1的log信息
2.2  MSG2—随机接入响应的接收
UE使用RA-RNTI这个量来标识UE在什么时频资源发送RA preamble；而网络端也有和UE相同的参数，因此可以计算出与UE相同的RA-RNTI，因此网络端可以根据RA-RNTI知道在什么样的时频资源接收UE的RA preamble。而在RA response中，UE首先会监听PDCCH，如果收到与自己发送preamble时相对应的RA-RNTI，UE就会去监听PDSCH，因为有多个UE使用相同的RA-RNTI，并且有相同的RA preamble ID，因此会有多个UE收到相同的RAR，且这些UE都认为RAR是成功的。这样就产生了冲突,即多个UE有相同的TC-RNTI。
2.2.1        MSG2携带的信息
eNodeB接收到preamble后，申请分配TC-RNTI并进行上下行调度传输的申请，eNodeB在DL-SCH上发送RAR携带的信息由RA-preamble ID，Timing Alignment information，UL Grant和TC-RNTI，在一条DL-SCH上可以同时为多个UE发送RAR。
2.2.2        UE在时间窗内收到RAR
若响应中包含有过载指示符，则更新UE中的backoff值。否则设置backoff为0。
若收到的RA-preamble identifier 与先前发送的id一致，则UE认为响应成功，进行下一步动作：
ü  处理收到的TA值
ü  若收到消息中包含UL grant值，则处理该值
ü  若UE没有C-RNTI,则使用从响应消息中收到的T-CRNTI
ü  若UE处于连接态下（非RLF），则上行传输的MAC PDU控制元素必须包含有C-RNTI
ü  若UE位于空闲态或RLF下，则MAC层将会通知上层成功信息。
2.2.3        Backoff 含义
短时间内可能有多个UE使用同一个前导同时发起竞争随机接入，将造成前导碰撞。这些UE中只能有一个UE正常快速完成随机接入，而其他UE将在后续时刻同一个PRACH上重新发送前导尝试接入，那么PRACH上发生碰撞的概率仍然较大，UE再次无法接入，从而接入时延增加。为此，3GPP协议提供BackOff机制，令UE在指定的BackOff时间内自己选择一个随机时刻再次发送随机接入前导。通过BackOff自适应特性，eNodeB根据小区当前竞争接入的负载，设定合适的BackOff值，从而降低UE再次发生碰撞的概率，提升接入时延。简单来说就是：在时间上打散UE再次接入的时刻）。Backoff参数值如表2.3所示。
表2. 4 Backoff参数值
Index
Backoff Parameter value (ms)
0
0
1
10
2
20
3
30
4
40
5
60
6
80
7
120
8
160
9
240
10
320
11
480
12
960
13
Reserved
14
Reserved
15
Reserved
2.2.4        UE在时间窗内未收到RAR
若在整个TTI窗口中UE都没有收到响应信息，或接收响应信息失败，则UE 认为接收响应失败，并进行以下动作：
1，  若PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER< PREAMBLE_TRANS_MAX:
ü PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1；
ü 根据UE中的backoff值来决定延迟多久来尝试新一次的随机接入尝试。
ü 启动随机接入资源选择流程，重新选择preamble ID.
2，  若PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER>= PREAMBLE_TRANS_MAX，则如果UE位于空闲态，标识随机接入流程失败。至于后续UE是否要发起随机接入，要看UE高层的指示。
2.2.5        RAR MAC PDU构成
RAR MAC PDU的组成如图2.2所示。一个MAC PDU header有一个或多个sub-header组成（如图2.3所示），也就是可能包含多个UE的RAR，每个sub-header对应着一个RAR，用于指示OVERLOAD的sub-header（如图2.4所示）例外。每个UE首先从MAC PDU的sub-header中获得自己的RAR的信息，然后再从MAC负载中解析出MAC RAR（如图2.5所示）。

图2. 5 RAR MAC PDU结构

图2. 6 sub-header结构（不包含指示OVERLOADsub-header）

图2. 7 指示OVERLOAD的sub-header结构

图2. 8 MAC RAR组成
2.2.6        QXDM抓取MSG2的log

图2. 9 MSG2的log信息
2.3  MSG3—调度传输
Msg3中主要包含RRC连接请求、跟踪区域更新、调度请求或RRC连接重建请求等，在空闲模式下还包含TC-RNTI和6字节(48bit)的竞争解决标识，而在连接模式下包含C-RNTI，这些都会在以后的竞争解决的情况下用到。
MSG3通过UL-SCH信道传输，传输块由Step2中UL grant value指定，但不小于80bits；不同的场景MSG3消息有所不同。
Ø  初始接入
以TM模式在CCCH信道上发送携带NAS UE标识的RRC_CONNECTION_REQUEST消息，不包含NAS消息；携带的是TC-RNTI。
Ø  重建
以RLC TM模式在CCCH信道上发送RRC_CONNECTION_REESTABLISHMENT_REQUEST，不包含NAS消息；携带的是C-RNTI。
Ø  切换HO
在DCCH传输加密和完整性保护的RRC_HANDOVER_CONFIRM消息，必要时还包括BSR；携带的是C-RNTI。
Ø  其他情况
发起的随机接入包含C-RNTI。
2.3.1        建立RRC连接的原因分类
建立RRC连接的原因主要包括Mo-Data、Mo-Sig、mt-Access、highPriorityAccess concerns、emergency六类，具体每类标示的意义。
Ø  Mo-Data 
即为mobile originating calls，常见场景为终端IDLE态，由于要发起业务重新达到RRC连接态，于是RRC Connection Request携带原因值MoData；
Ø  Mo-Sig
即为mobile originating signalling，常见场景为初始attach及TAU；
Ø  Mt-Access
即为终端作为被叫时发起RRC连接建立。
Ø  HighPriorityAccess concerns 
AC11..AC15高接入等级用户接入。如119、120等。
Ø  Emergency
紧急呼叫使用；如110等。
2.3.2        QXDM抓取MSG3的log

图2. 10 RRC 连接建立请求log

图2. 11 MSG3的log信息
2.4  MSG4—竞争解决
eNodeB在MAC层进行竞争决议，并通过在PDCCH上使用C-RNTI或者在DL-SCH上通过UE竞争解决标识指示UE。
竞争决议是基于PDCCH上的C-RNTI或在DL-SCH上的竞争决议标识实现的。竞争决议分为以下两种情况：
u  基于C-RNTI的竞争决议
在成功解码随机接入响应之后，UE会在Msg3中包含一个C-RNTI MAC控制元，这时UE会按照随机接入响应中的UL Grant和C-RNTI将Msg3发送出去，此时基站就会知道UE的C-RNTI，如果UE收到由此C-RNTI扰码的PDCCH，则竞争解决成功。
u  基于竞争解决标识的竞争决议
由于此时UE不包含C-RNTI，在成功解码随机接入响应之后UE会在Msg3中包含一个竞争解决标识MAC控制元（如图2.6所示），这时UE会按照随机接入响应中的UL Grant和TC-RNTI将Msg3发送出去，此时基站就会知道终端的竞争解决标识，如果UE收到此TC-RNTI扰码的PDCCH(此时会有多个UE共用一个TC-RNTI，所以也会有多个UE收到有此TC-RNTI扰码的PDCCH)，且UE正确解码的MAC PDU中的竞争解决标识与之前Msg3中的一致，则竞争解决成功。将TC-RNTI 的值设为C-RNTI。初始随机接入过程中的竞争解决就是根据TC-RNTI和UE竞争解决标识来解决的。

图2. 12 UE竞争解决标识MAC控制单元
2.4.1        QXDM抓取MSG4的log

图2. 13 MSG4的log信息
3.          随机接入中几种RNTI
PDCCH中承载的是DCI（Downlink Control Information），包含一个或多个UE上的资源分配和其他的控制信息。每个PDCCH中，包含16bit的CRC校验，UE用来验证接收到的PDCCH是否正确，并且CRC使用和UE相关的Identity进行扰码，使得UE能够确定哪些PDCCH是自己需要接收的，哪些是发送给其他UE的。
随机接入过程中，UE首先通过SI-RNTI解析系统消息，获取PRACH和RACH相关配置信息，在PRACH发送MSG1。然后在MSG2等待窗内，UE使用计算的RA-RNTI解析获取MSG2。如果等待窗超时没有收到MSG2，抬升功率重新发送MSG1。收到MSG2之后，获取到TC-RNTI和MSG3的UL Grant，在UL Grant指定时频位置发送MSG3，并使用TC-RNTI检测MSG4。如果收到MSG4，竞争成功，随机接入结束，TC-RNTI变为C-RNTI，UE在该小区后续上下行调度都使用该C-RNTI。如果未收到MSG4，竞争失败，重新尝试发送MSG1。
随机接入中用来进行扰码的UE Identity有SI-RNTI 、RA-RNTI、TC-RNTI和C-RNTI，其取值范围如表3.1所示。
Ø  SI-RNTI
系统消息无线网络临时标识，用于解析系统消息，所有UE共用，固定为0xFFFF。
Ø  RA-RNTI
RA-RNTI为随机接入无线网络临时标识，是UE发起随机接入请求时的UE标识，根据UE随机接入的时频位置按照协议公式计算得到。随机接入过程中，UE根据系统消息在对应时频位置发送随机接入请求MSG1，eNodeB根据收到随机接入的时频位置按照协议公式计算RA-RNTI，使用RA-RNTI对MSG2加扰发送。此次随机接入的相关UE也计算RA-RNTI，解扰PDCCH解析出MSG2，非此次随机接入的UE由于RA-RNTI不同无法解析此MSG2。
Ø  TC-RNTI
临时小区无线网络临时标识，它是在随机接入过程中eNB分配在MSG2中下发的信息，用于竞争解决。UE在MSG2分配的时频资源上发送MSG3竞争消息，eNodeB发送的MSG4消息使用TC-RNTI加扰，UE使用MSG2中的TC-RNTI解扰解析出MSG4，根据MSG4中的用户标识判断是否竞争成功。
Ø  C-RNTI
小区无线网络临时标识，用于UE上下行调度。UE竞争随机接入在竞争成功后TC-RNTI升级为C-RNTI，非竞争随机接入在UE发起接入前就已经分配C-RNTI（比如切换）。UE随机接入后，eNodeB下发UE相关的PDCCH都用C-RNTI加扰，UE解扰获取上下行调度信息。
表3. 1几种RNTI取值说明
Value (hexa-decimal)
RNTI
0000
N/A
0001-003C
RA-RNTI, C-RNTI, Semi-Persistent Scheduling C-RNTI, Temporary C-RNTI, TPC-PUCCH-RNTI and TPC-PUSCH-RNTI (see note)
003D-FFF3
C-RNTI, Semi-Persistent Scheduling C-RNTI, Temporary C-RNTI, TPC-PUCCH-RNTI and TPC-PUSCH-RNTI
FFF4-FFFC
Reserved for future use
FFFD
M-RNTI
FFFE
P-RNTI
FFFF
SI-RNTI