LTE随机接入过程研究*
2010-05-12董宏成
倪 伟，董宏成
(1.重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆400065;2.重庆信科设计有限公司，重庆400065)
0 引言
在移动通信系统中，网络端和UE进行通信时必须首先建立连接，以取得上行同步为目的的随机接入过程是建立连接的首要步骤。因此，随机接入过程将直接影响到系统的性能。
1 LTE随机接入简介
随机接入过程可以分为非同步随机接入过程(Non-Synchronized Random Access)、同步随机接入过程(Synchronized Random Access)。当UE尚未和网络端取得上行同步或者丢失了上行同步时，UE进行的随机接入过程称为非同步随机接入过程;当UE和网络端取得了上行同步而进行的随机接入过程，称为同步随机接入过程［1］。
UE进行非同步随机接入过程时，尚未取得精确的上行同步。所以，相比同步随机接入过程，非同步随机接入过程最显著的特征是要估计并调整UE上行发送时钟，使同步误差控制在一个CP(Circle Preamble)长度内。
3GPP LTE没有单独定义同步随机接入过程，本文所涉及的随机接入过程均指非同步随机接入过程。当UE处于以下情况时，将进行随机接入过程，以获取或恢复上行同步［2］:
1)从空闲状态向连接状态转换，例如初始随机接入或跟踪区域更新等;
2)当UE处于连接状态，但没有取得上行同步，需要发送上行数据或者控制信息，例如事件触发的测量报告、下行数据的反馈信息等;
3)当UE处于连接状态，从当前小区切换到目标小区;
4)链路连接失败，恢复链路连接。
网络端可以给UE分配专用的随机接入前导序列，以避免多个UE使用同一个随机接入前导序列来竞争随机接入，此过程称为非竞争模式随机接入。反正，由UE随机选择一个随机接入前导序列发起的随机接入，而有可能引发接入冲突，此过程称为竞争模式的随机接入。
2 竞争模式的随机接入过程
2.1 随机接入初始化
在随机接入初始化之前，UE通过解析小区广播的系统信息，RRC层向MAC层配置如下信息［4］:
1)一系列可用的PRACH资源。UE从中选择用于发送随机接入前导的时频资源;
2)随机接入前导组和各组中一系列随机接入前导;
3)随机接入响应窗口大小，UE在时间窗内接收RAR(Radom Access Respond，随机接入响应);
4)初始前导功率，UE初次发送随机接入前导的功率;
5)功率斜升参数，如果前一次随机接入前导发送失败，下一次发送时需增加的功率;
6)最大前导传输数目，允许发送随机接入前导的最大次数;
7)基于前导格式的功率偏移量;
8)最大Msg3 HARQ传输次数;
9)竞争解决定时器。
MAC层执行随机接入初始化过程，如下所示:
1)清空Msg3缓存;
2)前导传输次数计数器置为1;
3)UE中前导重传退避时间置为0 ms;
4)选择随机接入前导。
2.2 随机接入流程
基于竞争模式的随机接入过程由MAC层完成，其流程如图1所示。
(1)Step1:UE通过PRACH向eNodeB发送随机接入前导(Msg1)。
系统信息中广播的随机接入前导被分为2个组，MAC层根据在step3中所需的资源大小，在相应的组中选择随机接入前导。用1bit的信息就可以指示不同接入目的所需的资源大小。
MAC层每传输一次前导序列时，通过UE测量的下行参考信号接收功率(RSRP)平均值来估计上行链路路损。MAC层根据路损向物理层设置前导发送功率(=初始前导功率+功率偏移量+(前导传输次数计数值－1)*功率斜升参数)，以全额补偿前导发送的路损。
UE根据PRACH的时频资源，按下式计算出RA-RNTI:
式中t_id是所选的PRACH的第一个子帧的索引值(0≤ t_id<10)，f_id是在此子帧中的PRACH的频率索引(0≤f_id<6)。
物理层在分配的前导传输时频资源上，使用指示的发送功率，把“随机接入初始化”过程中MAC层选择的前导序列发往eNodeB。
图1 基于竞争模式的随机接入流程
(2)Step2:eNodeB通过PDSCH向UE发送随机接入响应RAR(Random Access Respond)(Msg2)。
包括随机前导序列ID、T-RNTI(Temporary Radio Network Temporary Identifier)、TA(Time Advance，时间提前量)、退避指示、资源分配等。
MAC层在系统信息广播的期望的“随机接入响应窗口”时间内接受RAR。
如果在该时间窗内没有接收到RAR，或者成功解码的RAR中随机前导序列ID和发送的随机接入前导序列不一致，RAR不成功。此时，MAC层把“前导传输次数计数器”加1，并重新选择一个前导序列，重新执行前导的传输过程step1。每重新执行一次前导传输，MAC层都会按照UE中指示的退避时间延迟重传前导序列，避免过多的接入碰撞。
如果UE成功接收到RAR，UE根据RA-RNTI解码PDCCH，以获取PDSCH中的RAR信息，其中包含有前导序列ID、TC-RNTI等。如果成功解码RAR，并且RAR中的随机前导序列ID和发送的随机接入前导序列一致，则认为RAR成功。
如果多个UE在相同时频资源上发送了相同前导序列，则会发生接入碰撞，每一个UE都也可能接收到RAR，包含相同的TC-RNTI。由此进入到竞争解决过程step3、step4。
(3)Step3:UE通过PUSCH向eNodeB发送L1L2消息(Msg3)。
包含RRC连接请求、跟踪区域更新、调度请求、step2中解码的T-RNTI、C-RNTI(如果存在)或者唯一的48bit UE标识(如果不存在C-RNTI)。
RAR成功的UE在step2中分配的时频资源上发送L1L2消息，时间提前量为RAR中解析出来的TA，发射功率=初始前导功率+功率偏移量+(前导传输次数计数值－1)*功率斜升参数，MAC层为发送的Msg3开启一个“竞争能解决定时器”。UE期望在竞争解决定时器超时之前接收到竞争解决消息(Msg4)。
在step1中发生接入冲突的UE，在相同的上行时频资源上发送L1L2消息，冲突仍然存在。如果UE不能在期望的时间内接收到网络端发送的竞争解决消息，MAC层将启动HARQ重传L1L2消息，每一次HARQ重传都将重置竞争解决定时器，直到达到最大的Msg3 HARQ传输次数，UE向高层报告竞争解决失败。
即使eNodeB成功解码一个UE，其他的UE冲突仍然未解决，eNodeB将在step4中快速解决竞争。
(4)Step4:eNodeB通过PDSCH向UE发送竞争解决消息(Msg4)。
竞争解决消息是基于T-RNTI或者C-RNTI的。对于在step3中每一次前导的发送或重传，MAC层都会期望在竞争解决定时器超时之前接收到竞争解决消息。
如果UE接收到并正确解码竞争解决消息，且检测到属于自己的T-RNTI或者UE标识，竞争解决成功，该UE将向网络端传输HARQ反馈，同时将T-RNTI晋升为C-RNTI。
而其他没有接收到竞争解决消息，或者解码竞争解决消息失败，或者成功解码但是检测到不属于自己的T-RNTI或者UE标识的UE，竞争解决失败，UE不会发送HARQ反馈。此时，UE清空HARQ缓存，“前导传输次数计数器”加1，设置退避时间值，UE在和上一次同样的前导序列组中随机选择一个前导序列，然后重新执行前导传输step1。
3 非竞争模式随机接入过程
当UE要求较小时延的随机接入时，例如切换和重新使用上行链路，可以使用非竞争模式的随机接入过程，以快速和网络建立连接。此时，由网络端分配专用的随机接入前导序列，此后过程同竞争模式随机接入step1、step2。
非竞争模式的随机接入流程如图2所示。
图2 基于非竞争模式的随机接入流程
4 结束语
随机接入过程是LTE移动通信系统中一个重要的过程，直接关系到系统性能。
基于竞争模式的随机接入过程的目的是取得上行同步，接入时间较长，是和网络端建立连接必不可少的步骤。基于非竞争模式的随机接入过程适用于已经取得了上行同步的情况，以快速建立数据交互为目的，对时延要求较高。
［1］沈嘉，索士强，全海洋.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计［M］.北京:人民邮电出版社，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.
