LTE系統(tǒng)隨機(jī)接入過程研究

摘要：LTE系統(tǒng)中的隨機(jī)接入是小區(qū)搜索完成后的第一步驟，也是終端和網(wǎng)絡(luò)之間建立無線通信連接，保證終端能夠發(fā)起并維持通信連接的必要過程^[1]。隨機(jī)接入的目的在于實(shí)現(xiàn)上行同步、傳輸功率調(diào)整和上行資源請(qǐng)求。本文針對(duì)終端和基站側(cè)的隨機(jī)接入過程設(shè)計(jì)進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。

1 隨機(jī)接入概述

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

　　LTE系統(tǒng)中，以下六種場(chǎng)景可以觸發(fā)隨機(jī)接入過程^[2]：

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

　　2.無線鏈路失敗后的隨機(jī)接入，即RRC連接重建;

　　3.切換過程;

　　4.UE處于RRC_CONNECTED狀態(tài)，有下行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jī)接入獲取時(shí)間提前量。

　　根據(jù)UE在發(fā)送前導(dǎo)碼時(shí)，是否存在不同的UE同時(shí)發(fā)送相同前導(dǎo)碼的可能，隨機(jī)接入分為競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入和非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入兩種方式。

2 隨機(jī)接入

2.1 競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入

　　競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入，是指終端發(fā)起隨機(jī)接入前沒有接收到來自網(wǎng)絡(luò)分配的專用隨機(jī)接入前導(dǎo)碼，而是由終端自己隨機(jī)選擇前導(dǎo)碼發(fā)起的隨機(jī)接入^[3]。競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入適用于除輔助定位之外的其他5種場(chǎng)景。競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過程分為以下4步完成^[2]，如圖1所示。

　　1.消息1：發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。UE通過發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼發(fā)起隨機(jī)接入請(qǐng)求。在此之前，UE通過接收eNodeB發(fā)送的系統(tǒng)(廣播)消息，來獲得可用的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼數(shù)量等信息。

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

　　3.消息3：調(diào)度傳輸。UE接收到隨機(jī)接入響應(yīng)后，判斷其中攜帶的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼標(biāo)識(shí)與自己發(fā)送的是否相同，如果相同，則根據(jù)其中攜帶的上行授權(quán)等信息進(jìn)行消息3的發(fā)送。

　　4.消息4：競(jìng)爭(zhēng)解決。eNodeB接收到UE的發(fā)送的消息3后，會(huì)向UE發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)解決消息，該消息中攜帶競(jìng)爭(zhēng)成功的UE標(biāo)識(shí)。

2.2 非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入

　　非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入是UE根據(jù)eNodeB指示，在指定的PRACH信道資源上使用指定的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼進(jìn)行的隨機(jī)接入^[3]。非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入適用于切換、有下行數(shù)據(jù)傳輸和輔助定位3種場(chǎng)景。非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過程分為以下3步完成^[2]，如圖2所示。

　　1.消息0：隨機(jī)接入指示。隨機(jī)接入指示攜帶UE發(fā)起非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入使用的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼等信息。

　　2.消息1：發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。UE通過接收eNodeB發(fā)送的隨機(jī)接入指示，來獲得隨機(jī)接入前導(dǎo)碼和用于發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的PRACH信道資源信息。

　　3.消息2：隨機(jī)接入響應(yīng)。該消息與競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入情況下的隨機(jī)接入響應(yīng)相同。

3 隨機(jī)接入過程設(shè)計(jì)

3.1 隨機(jī)接入初始化

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

　　1. PRACH配置索引;

　　2. 隨機(jī)接入前導(dǎo)碼數(shù)量、前導(dǎo)碼組A的大小、組B消息功率偏移、組A消息大小、前導(dǎo)碼消息3功率偏移;

　　3. 隨機(jī)接入響應(yīng)窗口大小;

　　4. 功率抬升步長(zhǎng);

　　5. 前導(dǎo)碼最大傳輸次數(shù);

　　6. 前導(dǎo)碼初始發(fā)送功率;

　　7. 基于前導(dǎo)碼格式的偏移量;

　　8. Msg3 HARQ傳輸?shù)淖畲蟠螖?shù);

　　9. 競(jìng)爭(zhēng)解決定時(shí)器。

　　隨機(jī)接入初始化過程如圖3所示。

　　1. MAC層從RRC層獲取相應(yīng)參數(shù)，在隨機(jī)接入過程中使用;

　　2. 設(shè)置前導(dǎo)碼傳輸計(jì)數(shù)器為1;

　　3. 設(shè)置UE中的退避參數(shù)值為0 ms;

　　4. 進(jìn)行隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的選擇。

3.2 隨機(jī)接入資源選擇

　　隨機(jī)接入前導(dǎo)碼選擇由終端完成。TD-LTE系統(tǒng)中，每個(gè)小區(qū)有64個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼可用，eNodeB可以將其中的部分或者全部隨機(jī)接入前導(dǎo)碼用于競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入。用于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼，可以被分為前導(dǎo)碼組A和前導(dǎo)碼組B兩個(gè)碼組。隨機(jī)接入資源選擇流程如圖4所示。

3.3 隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)備

　　隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)備由基站完成。當(dāng)eNodeB接收到UE發(fā)送的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼后，會(huì)為UE準(zhǔn)備隨機(jī)接入響應(yīng)。隨機(jī)接入響應(yīng)的內(nèi)容包括：隨機(jī)接入前導(dǎo)碼標(biāo)識(shí)、定時(shí)提前命令、上行授權(quán)^[5]、臨時(shí)C-RNTI，以及可能的退避指示。隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)備流程如圖5所示：

3.4 隨機(jī)接入響應(yīng)接收

　　隨機(jī)接入響應(yīng)接收由終端完成。UE在發(fā)送完隨機(jī)接入前導(dǎo)碼后，就等待接收eNodeB發(fā)送的隨機(jī)接入響應(yīng)消息，UE必須在隨機(jī)接入響應(yīng)窗口內(nèi)接收隨機(jī)接入響應(yīng)消息。一條隨機(jī)接入響應(yīng)消息可以響應(yīng)多個(gè)UE的隨機(jī)接入請(qǐng)求，包含向多個(gè)UE發(fā)送的隨機(jī)接入響應(yīng)控制單元，隨機(jī)接入響應(yīng)控制單元通過不同的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼標(biāo)識(shí)區(qū)分。UE通過解析隨機(jī)接入響應(yīng)消息，根據(jù)其中是否攜帶了其在消息1中發(fā)送的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼標(biāo)識(shí)來判斷是否接收到隨機(jī)接入響應(yīng)。

　　當(dāng)UE接收到隨機(jī)接入響應(yīng)時(shí)，還不能確定隨機(jī)接入響應(yīng)就是唯一發(fā)送給自己的。因?yàn)殡S機(jī)接入前導(dǎo)碼是在同一碼組范圍中隨機(jī)選擇的，不同的UE可能選擇相同的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼進(jìn)行隨機(jī)接入。這樣的多個(gè)UE就會(huì)接收到同一個(gè)隨機(jī)接入響應(yīng)，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(jī)接入前導(dǎo)碼進(jìn)行隨機(jī)接入，所以，UE還需要通過隨后的消息3和消息4來進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)解決。

　　隨機(jī)接入響應(yīng)處理流程如圖6所示：

3.5 競(jìng)爭(zhēng)解決準(zhǔn)備

　　競(jìng)爭(zhēng)解決準(zhǔn)備由基站完成。eNodeB在發(fā)送完隨機(jī)接入響應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)解決完成

　　競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)解決消息。

　　競(jìng)爭(zhēng)解決處理流程，如圖8所示。

　　初始接入場(chǎng)景中，UE之前并沒有分配C-RNTI，在競(jìng)爭(zhēng)解決成功后，UE在隨機(jī)接入響應(yīng)消息中接收到的臨時(shí)C-RNTI升級(jí)為C-RNTI。

　　UE在發(fā)送完消息3后，就要立刻啟動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)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(nèi)接收eNodeB發(fā)送給自己的競(jìng)爭(zhēng)解決消息，如果直到競(jìng)爭(zhēng)解決定時(shí)器超時(shí)都沒有接收到競(jìng)爭(zhēng)解決消息，則認(rèn)為競(jìng)爭(zhēng)解決失敗。競(jìng)爭(zhēng)解決失敗后，UE則根據(jù)退避指示的時(shí)延確定下一次發(fā)起隨機(jī)接入的時(shí)間，并在上次選擇的前導(dǎo)碼組中再次選擇一個(gè)前導(dǎo)碼進(jìn)行下一次隨機(jī)接入。

4 小結(jié)

　　本文首先介紹了隨機(jī)接入過程在LTE系統(tǒng)中的作用、觸發(fā)場(chǎng)景和兩種方式;然后分別介紹了競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入和非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入;最后分別對(duì)終端和基站側(cè)的隨機(jī)接入過程進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]沈嘉，索士強(qiáng)等.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民郵電出版社，2008年11月.

　　[2]3GPP TS 36.300 V11.5.0. Overall description;Stage 2 [S]. 2013年3月.

　　[3]王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2010年6月.

　　[4]3GPP TS 36.321 V12.5.0. Medium Access Control (MAC) protocol specification[S]. 2015年3月.

　　[5]3GPP TS 36.213 V12.5.0. Physical layer procedures[S]. 2015年3月.

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