LTE系統隨機接入過程研究

王嘉嘉　楊傳偉

摘要：LTE系統中的隨機接入是小區搜索完成后的第一步驟，也是終端和網絡之間建立無線通信連接，保證終端能夠發起并維持通信連接的必要過程。隨機接入的目的在于實現上行同步、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程設計進行較為詳細的分析。

關鍵詞：LTE；競爭隨機接入；非競爭隨機接入

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.008

1隨機接入概述

隨機接人的目的是進行上行同步、傳輸功率調整和上行資源請求，只有在隨機接人過程完成后，終端才能和網絡進行正常的通信。

LTE系統中，以下六種場景可以觸發隨機接入過程：

1.UE從RRC_IDLE狀態開始初始接入，即RRC連接建立；

2.無線鏈路失敗后的隨機接入，即RRC連接重建；

3.切換過程：

4.UE處于RRC_CONNECED狀態，有下行數據傳輸，且空口處于上行失步狀態：

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

6.輔助定位，UE處于RRC_CONNECTED狀態，網絡利用隨機接人獲取時間提前量。

根據UE在發送前導碼時，是否存在不同的UE同時發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

競爭隨機接人，是指終端發起隨機接入前沒有接收到來自網絡分配的專用隨機接入前導碼.而是由終端自己隨機選擇前導碼發起的隨機接入。競爭隨機接入適用于除輔助定位之外的其他5種場景。競爭隨機接入過程分為以下4步完成，如圖1所示。

1.消息1：發送隨機接入前導碼。UE通過發送隨機接人前導碼發起隨機接入請求。在此之前，UE通過接收eNodeB發送的系統（廣播）消息，來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發送的隨機接入前導碼后，會向UE發送隨機接入響應。隨機接人響應包括：隨機接入前導碼標識、定時提前命令、上行授權、臨時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行消息3的發送。

4.消息4：競爭解決。eNodeB接收到UE的發送的消息3后，會向UE發送競爭解決消息，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人前導碼進行的隨機接入。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種場景。非競爭隨機接入過程分為以下3步完成，如圖2所示。

1.消息0：隨機接入指示。隨機接人指示攜帶UE發起非競爭隨機接人使用的隨機接入前導碼等信息。

2.消息1：發送隨機接入前導碼。UE通過接收eNodeB發送的隨機接人指示，來獲得隨機接入前導碼和用于發送隨機接人前導碼的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人情況下的隨機接入響應相同。

3隨機接入過程設計

3.1隨機接入初始化

隨機接入初始化由終端完成，在隨機接入過程開始之前，需要由RRC層提供以下參數：

1.PRACH配置索引；

2.隨機接人前導碼數量、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；

5.前導碼最大傳輸次數；

6.前導碼初始發送功率：

7.基于前導碼格式的偏移量；

8.Mss3 HARO傳輸的最大次數；

9.競爭解決定時器。

隨機接入初始化過程如圖3所示。

1.MAC層從RRC層獲取相應參數，在隨機接人過程中使用；

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0ms：

4.進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，每個小區有64個隨機接人前導碼可用，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。用于競爭的隨機接人前導碼，可以被分為前導碼組A和前導碼組B兩個碼組。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發送的隨機接入前導碼后，會為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、定時提前命令、上行授權、臨時C-RNTI，以及可能的退避指示。隨機接人響應準備流程如圖5所不：

3.4隨機接入響應接收

隨機接入響應接收由終端完成。UE在發送完隨機接入前導碼后，就等待接收eNodeB發送的隨機接入響應消息，UE必須在隨機接人響應窗口內接收隨機接人響應消息。一條隨機接入響應消息可以響應多個UE的隨機接入請求，包含向多個UE發送的隨機接人響應控制單元，隨機接入響應控制單元通過不同的隨機接入前導碼標識區分。UE通過解析隨機接入響應消息，根據其中是否攜帶了其在消息1中發送的隨機接入前導碼標識來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，還不能確定隨機接人響應就是唯一發送給自己的。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行隨機接入。這樣的多個UE就會接收到同一個隨機接入響應，而UE自己并不知道是否還有其他UE同時使用相同的隨機接入前導碼進行隨機接入，所以，UE還需要通過隨后的消息3和消息4來進行競爭解決。

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在發送完隨機接入響應消息后，就等待接收UE發送的消息3。消息3處理流程如圖了所示。

3.6競爭解決完成

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

競爭解決處理流程，如圖8所示。

初始接入場景中，UE之前并沒有分配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C-RNTI升級為C-RNTI。

UE在發送完消息3后，就要立刻啟動競爭解決定時器，并且在每一次重傳消息3后都要重啟這個定時器。UE需要在此時間內接收eNodeB發送給自己的競爭解決消息，如果直到競爭解決定時器超時都沒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延確定下一次發起隨機接入的時間，并在上次選擇的前導碼組中再次選擇一個前導碼進行下一次隨機接入。

4小結

本文首先介紹了隨機接人過程在LTE系統中的作用、觸發場景和兩種方式；然后分別介紹了競爭隨機接人和非競爭隨機接入；最后分別對終端和基站側的隨機接入過程進行了詳細設計。