随机接入过程解析

一：举例——一个完整的随机接入过程

 http://www.360doc.com/content/17/0828/20/46887361_682852152.shtml

先简要分析一个随机接入的例子，本例是用高通工具QCAT来说明，一次随机接入过程如下图所示：

从协议栈的工作机制来做一个简要解释：

UE的NAS层的MM子层，需要发起一次业务请求serviceRequest。因为NAS的MM层需要干活了，所以调用其下层的功能。于是，AS层的RRC层，开始工作并为NAS的MM提供服务。注意，规范中经常的一种描述是“上层调用下层的功能、下层给上一层提供服务”。

第二条信令，我们看到，RRC层封装了RRC CONNECTION REQUEST的包，并传递给其下层PDCP/RLC/MAC去进一步处理。PDCP/RLC层因与随机过程接入基本无关，故在QCAT的filter中已将其过滤。

于是，MAC层，开始组织并触发随机接入过程，于是我们顺次看到了MSG1/MSG2/MSG3，并在MSG4中竞争成功并解决冲突（contention resolution）。

后面其他的信令这里不解释。

很明显，，这是从UE角度来看的、一次完整的随机接入过程。 通过调用随机接入过程，RRC层也完成了从一次从idle到connected的状态转换，并最终为MM层传递NAS信令Servicerequest至MME。

再看下时间： 如果从139到210定义这次时间，大概是71ms。 即可以认为，UE花了大约70ms，完成了一次从空闲态到连接态的RRC状态转换。 大家应该还记得LTE在25.913规范中的约定，LTE UE连接态到空闲态的迁徙时长不得超过100ms。

为了让大家看清楚里面的码流，顺次截图如下

1. LTE NAS EMM Plain OTAOutgoing Message -- Service Request Msg （MM层的消息）

2. LTE RRC OTA Packet -- UL_CCCH （RRC层的消息，RRC CONREQ，注意里面有ue-identity这个IE）

3. LTE Random Access Request (MSG1) Report (注意里面的RA-RNTI)

4. LTE Random AccessResponse (MSG2) Report （注意里面的Temp-C-RNTI）

5. LTE UE Identification Message (MSG3)Report

6. LTE Contention Resolution Message (MSG4) Report (注意 contentionresult=Pass)

7. LTE RRC OTA Packet -- DL_CCCH （rrcConnectionSetup）

8. LTE RRC OTA Packet -- UL_DCCH（rrcConnectionSetupComplete）

这些截图具体里面涉及到的参数太多，限于篇幅，此处不能一一详述。

二：随机接入过程的流程解析

在LTE中，有五种情况，需要触发随机接入过程，描述如下：

1. 在RRC_IDLE态下，进行RRC连接建立请求。

2. 进行RRC连接重建请求。（RRC重建有5种原因，前面博文有描述。无线链路失败、切换失败、完整性保护失败、RRC重配置失败，mobility from E-UTRA失败）

3. 切换过程中，通过随机接入获取与目标小区的上行同步。

4. 在RRC_CONNECTED态下，当有上行数据需要发送时，但却没有可用的PUCCH SR资源时，此时UE需要通过随机接入请求获得上行的调度资源授权；或在RRC_CONNECTED态下，当有上行数据需要发送时，而上行处于失步状态（定时器TimeAlignmentTimer超时），那么需要通过随机接入过程，进行上行同步并请求上行调度资源授权。

5. 在RRC_CONNECTED态下，当有下行数据需要发送时，而上行处于失步状态（定时器TimeAlignmentTimer超时），此时由网络通过下发PDCCH order、从而触发随机接入。

每个小区中的UE可通过公共信令（比如SIB2中的RACH-ConfigCommon）或专用信令（比如RRC重配置中的RACH-ConfigDedicated）等这些方式，获得的RACH配置及随机接入相关参数。UE生成最多64个Preamble，而这64个Preamble又被分为2组，因此随机接入过程也被分为2种，即大家熟知的，基于竞争的随机接入和非竞争的随机接入。

1． 基于竞争（contention based）的随机接入：由UE自行选择前导（preamble）序列，存在冲突的可能，需进行竞争解决（contention resolutioon）。

2. 基于非竞争（contention free）的随机接入：由网络侧eNodeB指定前导preamble，因为基站在某个时刻唯一指定前导序列所以不存在冲突，无需进行竞争解决。比如上面列举的第3/5两种情况，可以采用无竞争的随机接入。

竞争的和无竞争的随机接入过程如下图所示：

随机接入的具体步骤解释

第一步：随机接入前导发送

确定前导序列

若eNodeB指定随机接入前导，则采用该分配的前导；否则由UE进行前导选择：根据Msg 3消息长度进行随机接入序列组（A组或B组）选择，然后在所选择的序列组中，按等概率原则随机选择一个前导序列号。

根据eNodeB指示的根ZC序列号、循环移位配置、是否采用restricted set（仅FDD）、以及前导序列号，进行ZC序列的选择和循环移位的计算。

PRACH资源选择和发射功率计算

根据PRACH配置、PRACH Mask索引、以及PRACH的相关定时约束，按等概率随机原则，选择一个PRACH资源进行前导发送。

根据eNodeB指示的PRACH期望接收功率、前导格式和前导发送计数，进行PRACH开环发射功率计算和power ramping过程。可参考36.213.

第二步：随机接入响应接收

在由eNodeB指示长度的搜索时间窗口内，进行PDCCH监测及盲检，注意此时PDCCH的DCI的CRC部分，是用RA-RNTI来加扰的。

根据前导发送的子帧号和频率索引来计算RA-RNTI（取值范围1~60）

eNodeB采用DCI Format 1A或1C发送该PDCCH

DCI的格式大家可参考其他文档，后面再专文解释

若UE盲检到一个由RA-RNTI加扰的PDCCH，则根据该PDCCH所含的下行调度信息，接收同一TTI（1ms）内的PDSCH信道。

此时，PDSCH携带了随机接入响应RAR的MAC PDU。

提取MAC PDU包含BI MAC子头（若存在的话），用于更新Backoff值。

在RAR中读取与发送前导相匹配的RAPIDMAC子头和对应的MAC RAR。

对该MAC RAR进行解码，提取TA命令、20-bit的上行授权（UL grant，也称为随机接入响应授权）和Temporary C-RNTI。

若是非竞争的，则随机接入过程成功结束；若是竞争的则设定Temporary C-RNTI，并进行UL grant解码，准备进行Msg 3发送。

倘若UE未检测到任何一个由RA-RNTI加扰的PDCCH，或者对应随机接入响应中并没有与发送前导相匹配的RAPID MAC子头，则退回第一步，进行一次新的前导发送尝试。

若是基于竞争的，基于Backoff值加入一个随机延迟后，再进行一次新的前导发送尝试

将前导发送计数器加1，并相应的调整前导发送功率（power ramping的过程也可参考36.213）

若前导发送次数达到最大限定次数，则认为该次随机接入过程失败，并向高层（RRC层）指示随机接入失败。

MAC PDU及MAC RAR结构如下图所示。

第三步：Msg 3发送

根据eNodeB指示的相关功控参数、路损估计、PUSCH发送所占RB数等等，计算Msg 3的开环发射功率；

根据随机接入响应授权，按指定的资源和格式在PUSCH上进行Msg 3发送；

采用Temporary C-RNTI（第二步中收到的）进行加扰；

Msg 3中包含了用于竞争解决的信息；

在由RRC连接建立/重建触发的随机接入中，在CCCHSDU中包含了UE Identity

其它情况（切换、上/下行数据待传输）触发的随机接入中，在C-RNTI MAC控制信元中包含了UE的C-RNTI

Msg 3会采用上行HARQ来提高接收可靠性

采用上行HARQ来提高Msg 3的接收质量。可采用非自适应重传、或自适应重传，直到竞争解决成功、或达到Msg 3最大重传次数为止。

eNodeB通过TemporaryC-RNTI的上行授权，来指示Msg 3的自适应重传，无论UE是否已经被分配了一个C-RNTI，且无论NDI（新数指示）值是什么。

第四步：竞争解决（MSG4）

每次Msg 3新传输/重传后，启动或重新启动竞争解决定时器mac-ContentionResolutionTimer。

竞争解决情形一：在由RRC连接建立/重建触发的随机接入中，在CCCHSDU中包含了UE Identity。

检测由TemporaryC-RNTI加扰的PDCCH，并根据该下行分配将对应的PDSCH进行解码（MSG4）。

若该PDSCH解码OK，检查UEContention Resolution Identity MAC控制信元中所含内容是否与Msg 3发送的CCCH SDU携带的UEIdentity相匹配，若匹配，竞争通过。

若竞争解决通过，UE将TemporaryC-RNTI升级为C-RNTI 。

竞争解决情形二：其它情况（切换、上/下行数据待传输）触发的随机接入中，在C-RNTI MAC控制信元中包含了UE的C-RNTI 。

若随机接入过程由UE发起，检测由C-RNTI加扰的PDCCH上行授权。

若随机接入过程由eNodeB发起（PDCCHorder），检测由C-RNTI加扰的PDCCH。

若竞争解决成功，丢弃TemporaryC-RNTI 。

竞争解决中的下行HARQ过程

eNodeB发送用于竞争解决的PDSCH时，也采用HARQ过程来提高该PDSCH接收可靠性。

仅竞争解决成功的UE反馈ACK，否则（PDSCH未成功译码、或PDSCH成功译码但竞争解决失败）不反馈任何ACK/NACK。这样做，能防止由于PUCCH ACK/NACK信道上的冲突而导致ACK/NACK接收质量恶化。

若竞争解决失败，或竞争解决定时器超时，则认为竞争解决失败，退回第一步进行一次新的前导发送尝试

若是基于竞争的，基于Backoff值加入一个随机延迟后，再进行一次新的前导发送尝试。功率ramping。

若前导发送次数达到最大限定次数，则认为该次随机接入过程失败，并向高层RRC指示本次随机接入失败。

一次随机接入过程示意图如下（这是找到的最好的图了）：

三：几点解释：

1. 关于UE-identity，只有两种可能，S-TMSI或randomvalue。RandoVaule的空间、协议定义是2的40次方。即如果UE有S-TMSI就使用S-TMSI；若没有S-TMSI，那么在MSG3中，会在0到2^40-1中选择一个随机数，作为MSG3中的UE-Identity IE。 UE-identity是用来解决冲突的唯一判据。

2. 关于前文提到的TimeAlignmentTime定时器的解释，在TS36.331中的描述摘录如下，此定时器通过公共信令或专用信令传递到UE：

– TimeAlignmentTimer

The IE TimeAlignmentTimer is used to control how long the UE is considereduplink time aligned. Corresponds to the Timer for time alignment inTS 36.321 [6]. Value in number of sub-frames. Value sf500 corresponds to500 sub-frames, sf750 corresponds to 750 sub-frames and so on. In this releaseof the specification, uplink time alignment is common for all serving cells.

TimeAlignmentTimer informationelement

-- ASN1START

TimeAlignmentTimer ::= ENUMERATED {

sf500, sf750, sf1280, sf1920, sf2560, sf5120,

sf10240, infinity}

-- ASN1STOP

关于TimeAlignmentTime的解释，在TS 36.321中的描述摘录如下：

5.2 Maintenance of Uplink Time Alignment

The UE has aconfigurable timer timeAlignmentTimer which is used to control how long the UE is considered uplink timealigned [8].

The UE shall:

- when a Timing Advance Command MAC control element is received:

- apply the Timing Advance Command;

- start or restart timeAlignmentTimer.

- when a TimingAdvance Command is received in a Random AccessResponse message:

- if the Random Access Preamble was not selected by UE MAC:

- apply the Timing Advance Command;

- start or restart timeAlignmentTimer.

- else, if the timeAlignmentTimer is not running:

- apply the Timing Advance Command;

- start timeAlignmentTimer;

- when the contention resolution isconsidered not successful as described in subclause 5.1.5, stop timeAlignmentTimer.

- else:

- ignore the received Timing Advance Command.

- when timeAlignmentTimerexpires:

- flush all HARQ buffers;

- notifyRRC torelease PUCCH/SRS;

- clearany configured downlink assignments and uplink grants.

The UE shall notperform any uplink transmission except the Random Access Preamble transmissionwhen timeAlignmentTimer is notrunning.

3. 信令中关于RACH及随机接入参数的IE定义

– RACH-ConfigDedicated

The IE RACH-ConfigDedicated is used to specify thededicated random access parameters.

RACH-ConfigDedicated informationelement

-- ASN1START

RACH-ConfigDedicated::= SEQUENCE {

ra-PreambleIndex INTEGER(0..63),

ra-PRACH-MaskIndex INTEGER(0..15)

}

-- ASN1STOP

– RACH-ConfigCommon

The IE RACH-ConfigCommon is used to specify thegeneric random access parameters.

RACH-ConfigCommon information element

-- ASN1START

RACH-ConfigCommon ::= SEQUENCE {

preambleInfo SEQUENCE{

numberOfRA-Preambles ENUMERATED{

n4, n8, n12, n16 ,n20,n24, n28,

n32, n36, n40, n44, n48,n52, n56,

n60, n64},

preamblesGroupAConfig SEQUENCE{

sizeOfRA-PreamblesGroupA ENUMERATED{

n4, n8, n12, n16,n20, n24, n28,

n32, n36, n40, n44,n48, n52, n56,

n60},

messageSizeGroupA ENUMERATED{b56, b144, b208, b256},

messagePowerOffsetGroupB ENUMERATED{

minusinfinity, dB0,dB5, dB8, dB10, dB12,

dB15, dB18},

...

} OPTIONAL --Need OP

},

powerRampingParameters SEQUENCE{

powerRampingStep ENUMERATED{dB0, dB2,dB4, dB6},

preambleInitialReceivedTargetPower ENUMERATED {

dBm-120, dBm-118,dBm-116, dBm-114, dBm-112,

dBm-110, dBm-108,dBm-106, dBm-104, dBm-102,

dBm-100, dBm-98, dBm-96,dBm-94,

dBm-92, dBm-90}

},

ra-SupervisionInfo SEQUENCE{

preambleTransMax ENUMERATED{

n3, n4, n5, n6, n7, n8, n10, n20, n50,

n100, n200},

ra-ResponseWindowSize ENUMERATED{

sf2, sf3, sf4, sf5, sf6,sf7,

sf8, sf10},

mac-ContentionResolutionTimer ENUMERATED {

sf8,sf16, sf24, sf32, sf40, sf48,

sf56,sf64}

},

maxHARQ-Msg3Tx INTEGER(1..8),

...

}

-- ASN1STOP

最后，SIB2中下发的关于RACH的相关参数见下图：

而切换的时候，基站传递到UE的专用的RACH参数见下图：

限于篇幅和时间关系，春天工作室 关于随机接入过程的讨论和分享，今天就到此为止，欢迎指正、勘误和探讨。