LTE系統隨機接入過(guò)程研究

摘要：LTE系統中的隨機接入是小區搜索完成后的第一步驟，也是終端和網(wǎng)絡(luò )之間建立無(wú)線(xiàn)通信連接，保證終端能夠發(fā)起并維持通信連接的必要過(guò)程^[1]。隨機接入的目的在于實(shí)現上行同步、傳輸功率調整和上行資源請求。本文針對終端和基站側的隨機接入過(guò)程設計進(jìn)行較為詳細的分析。

1 隨機接入概述

　　隨機接入的目的是進(jìn)行上行同步、傳輸功率調整和上行資源請求，只有在隨機接入過(guò)程完成后，終端才能和網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行正常的通信。

　　LTE系統中，以下六種場(chǎng)景可以觸發(fā)隨機接入過(guò)程^[2]：

　　1.UE從RRC_IDLE狀態(tài)開(kāi)始初始接入，即RRC連接建立;

　　2.無(wú)線(xiàn)鏈路失敗后的隨機接入，即RRC連接重建;

　　3.切換過(guò)程;

　　4.UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)，有下行數據傳輸，且空口處于上行失步狀態(tài);

　　5.UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)，有上行數據傳輸，且空口處于上行失步狀態(tài);

　　6.輔助定位，UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò )利用隨機接入獲取時(shí)間提前量。

　　根據UE在發(fā)送前導碼時(shí)，是否存在不同的UE同時(shí)發(fā)送相同前導碼的可能，隨機接入分為競爭隨機接入和非競爭隨機接入兩種方式。

2 隨機接入

2.1 競爭隨機接入

　　競爭隨機接入，是指終端發(fā)起隨機接入前沒(méi)有接收到來(lái)自網(wǎng)絡(luò )分配的專(zhuān)用隨機接入前導碼，而是由終端自己隨機選擇前導碼發(fā)起的隨機接入^[3]。競爭隨機接入適用于除輔助定位之外的其他5種場(chǎng)景。競爭隨機接入過(guò)程分為以下4步完成^[2]，如圖1所示。

　　1.消息1：發(fā)送隨機接入前導碼。UE通過(guò)發(fā)送隨機接入前導碼發(fā)起隨機接入請求。在此之前，UE通過(guò)接收eNodeB發(fā)送的系統(廣播)消息，來(lái)獲得可用的隨機接入前導碼數量等信息。

　　2.消息2：隨機接入響應。eNodeB接收到UE發(fā)送的隨機接入前導碼后，會(huì )向UE發(fā)送隨機接入響應。隨機接入響應包括：隨機接入前導碼標識、定時(shí)提前命令、上行授權、臨時(shí)C-RNTI，以及退避指示等信息。

　　3.消息3：調度傳輸。UE接收到隨機接入響應后，判斷其中攜帶的隨機接入前導碼標識與自己發(fā)送的是否相同，如果相同，則根據其中攜帶的上行授權等信息進(jìn)行消息3的發(fā)送。

　　4.消息4：競爭解決。eNodeB接收到UE的發(fā)送的消息3后，會(huì )向UE發(fā)送競爭解決消息，該消息中攜帶競爭成功的UE標識。

2.2 非競爭隨機接入

　　非競爭隨機接入是UE根據eNodeB指示，在指定的PRACH信道資源上使用指定的隨機接入前導碼進(jìn)行的隨機接入^[3]。非競爭隨機接入適用于切換、有下行數據傳輸和輔助定位3種場(chǎng)景。非競爭隨機接入過(guò)程分為以下3步完成^[2]，如圖2所示。

　　1.消息0：隨機接入指示。隨機接入指示攜帶UE發(fā)起非競爭隨機接入使用的隨機接入前導碼等信息。

　　2.消息1：發(fā)送隨機接入前導碼。UE通過(guò)接收eNodeB發(fā)送的隨機接入指示，來(lái)獲得隨機接入前導碼和用于發(fā)送隨機接入前導碼的PRACH信道資源信息。

　　3.消息2：隨機接入響應。該消息與競爭隨機接入情況下的隨機接入響應相同。

3 隨機接入過(guò)程設計

3.1 隨機接入初始化

　　隨機接入初始化由終端完成，在隨機接入過(guò)程開(kāi)始之前，需要由RRC層提供以下參數^[4]：

　　1. PRACH配置索引;

　　2. 隨機接入前導碼數量、前導碼組A的大小、組B消息功率偏移、組A消息大小、前導碼消息3功率偏移;

　　3. 隨機接入響應窗口大小;

　　4. 功率抬升步長(cháng);

　　5. 前導碼最大傳輸次數;

　　6. 前導碼初始發(fā)送功率;

　　7. 基于前導碼格式的偏移量;

　　8. Msg3 HARQ傳輸的最大次數;

　　9. 競爭解決定時(shí)器。

　　隨機接入初始化過(guò)程如圖3所示。

　　1. MAC層從RRC層獲取相應參數，在隨機接入過(guò)程中使用;

　　2. 設置前導碼傳輸計數器為1;

　　3. 設置UE中的退避參數值為0 ms;

　　4. 進(jìn)行隨機接入前導碼的選擇。

3.2 隨機接入資源選擇

　　隨機接入前導碼選擇由終端完成。TD-LTE系統中，每個(gè)小區有64個(gè)隨機接入前導碼可用，eNodeB可以將其中的部分或者全部隨機接入前導碼用于競爭隨機接入。用于競爭的隨機接入前導碼，可以被分為前導碼組A和前導碼組B兩個(gè)碼組。隨機接入資源選擇流程如圖4所示。

3.3 隨機接入響應準備

　　隨機接入響應準備由基站完成。當eNodeB接收到UE發(fā)送的隨機接入前導碼后，會(huì )為UE準備隨機接入響應。隨機接入響應的內容包括：隨機接入前導碼標識、定時(shí)提前命令、上行授權^[5]、臨時(shí)C-RNTI，以及可能的退避指示。隨機接入響應準備流程如圖5所示：

3.4 隨機接入響應接收

　　隨機接入響應接收由終端完成。UE在發(fā)送完隨機接入前導碼后，就等待接收eNodeB發(fā)送的隨機接入響應消息，UE必須在隨機接入響應窗口內接收隨機接入響應消息。一條隨機接入響應消息可以響應多個(gè)UE的隨機接入請求，包含向多個(gè)UE發(fā)送的隨機接入響應控制單元，隨機接入響應控制單元通過(guò)不同的隨機接入前導碼標識區分。UE通過(guò)解析隨機接入響應消息，根據其中是否攜帶了其在消息1中發(fā)送的隨機接入前導碼標識來(lái)判斷是否接收到隨機接入響應。

　　當UE接收到隨機接入響應時(shí)，還不能確定隨機接入響應就是唯一發(fā)送給自己的。因為隨機接入前導碼是在同一碼組范圍中隨機選擇的，不同的UE可能選擇相同的隨機接入前導碼進(jìn)行隨機接入。這樣的多個(gè)UE就會(huì )接收到同一個(gè)隨機接入響應，而UE自己并不知道是否還有其他UE同時(shí)使用相同的隨機接入前導碼進(jìn)行隨機接入，所以，UE還需要通過(guò)隨后的消息3和消息4來(lái)進(jìn)行競爭解決。

　　隨機接入響應處理流程如圖6所示：

3.5 競爭解決準備

　　競爭解決準備由基站完成。eNodeB在發(fā)送完隨機接入響應消息后，就等待接收UE發(fā)送的消息3。消息3處理流程如圖7所示。

3.6 競爭解決完成

　　競爭解決由終端完成。UE在發(fā)送完消息3后，就等待接收eNodeB發(fā)送的競爭解決消息。

　　競爭解決處理流程，如圖8所示。

　　初始接入場(chǎng)景中，UE之前并沒(méi)有分配C-RNTI，在競爭解決成功后，UE在隨機接入響應消息中接收到的臨時(shí)C-RNTI升級為C-RNTI。

　　UE在發(fā)送完消息3后，就要立刻啟動(dòng)競爭解決定時(shí)器，并且在每一次重傳消息3后都要重啟這個(gè)定時(shí)器。UE需要在此時(shí)間內接收eNodeB發(fā)送給自己的競爭解決消息，如果直到競爭解決定時(shí)器超時(shí)都沒(méi)有接收到競爭解決消息，則認為競爭解決失敗。競爭解決失敗后，UE則根據退避指示的時(shí)延確定下一次發(fā)起隨機接入的時(shí)間，并在上次選擇的前導碼組中再次選擇一個(gè)前導碼進(jìn)行下一次隨機接入。

4 小結

　　本文首先介紹了隨機接入過(guò)程在LTE系統中的作用、觸發(fā)場(chǎng)景和兩種方式;然后分別介紹了競爭隨機接入和非競爭隨機接入;最后分別對終端和基站側的隨機接入過(guò)程進(jìn)行了詳細設計。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第34頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。