基于TD-LTE UE側(cè)隨機(jī)接入過(guò)程的研究與分析?

彭 迪 何 健

1 引言

隨機(jī)接入是用戶終端通過(guò)發(fā)送前導(dǎo)碼序列和基站之間建立上行同步和無(wú)線鏈路的過(guò)程，只有在隨機(jī)接入過(guò)程完成之后，終端和基站之間才能進(jìn)行上下行數(shù)據(jù)的傳輸。目前，LTE技術(shù)一直處于高速發(fā)展的狀態(tài)，并且智能手機(jī)已得到普遍的運(yùn)用，用戶對(duì)于LTE系統(tǒng)的容量、傳輸速率以及時(shí)延方面都有了更高的要求［1～3］。因此，高效快速的隨機(jī)接入過(guò)程對(duì)于提高LTE的整體性能具有重要意義。

2 隨機(jī)接入過(guò)程的分類和場(chǎng)景

2.1 隨機(jī)接入過(guò)程及分類

終端UE通過(guò)小區(qū)搜索獲取到基站的基本信息，隨后通過(guò)隨機(jī)接入過(guò)程，UE實(shí)現(xiàn)接入基站的功能，同時(shí)基站也獲取到UE的必要信息。和UMTS隨機(jī)接入過(guò)程不同，LTE的隨機(jī)接入過(guò)程不僅完成UE信息的初始注冊(cè)，同時(shí)還需要完成上行同步（Time Advanced，TA，時(shí)間提前量）與用戶上行帶寬資源的申請(qǐng)（UL_GRANT）的功能。

在LTE系統(tǒng)中，根據(jù)業(yè)務(wù)觸發(fā)方式的不同，可以將隨機(jī)接入分為基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入和基于非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入［4］。所謂“競(jìng)爭(zhēng)”，是指可能存在這樣一種情況，UE-1/2/3/4多個(gè)終端，使用相同的時(shí)頻資源，向基站eNB發(fā)送了相同的前導(dǎo)碼序列，希望得到基站的資源授權(quán)，但此時(shí)基站無(wú)法知道這個(gè)請(qǐng)求是哪個(gè)UE發(fā)出的，因此每個(gè)UE需要再發(fā)送一條具有身份標(biāo)識(shí)的消息，基站收到這條消息后回傳到UE，最終確認(rèn)當(dāng)前接入成功的UE。這種機(jī)制就是競(jìng)爭(zhēng)解決機(jī)制［5］（Contention Resolution）。競(jìng)爭(zhēng)型的隨機(jī)接入通過(guò)四條消息完成：Msg1，UE向eNB發(fā)送隨機(jī)前導(dǎo)碼preamble；Msg2，eNB收到消息后向UE回復(fù)隨機(jī)接入響應(yīng)；Msg3，為解決競(jìng)爭(zhēng)，UE向eNB發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)識(shí)消息；Msg4，UE接收到競(jìng)爭(zhēng)解決標(biāo)識(shí)，完成隨機(jī)接入過(guò)程。而非競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入是UE根據(jù)eNB的指示，在指定的PRACH物理信道，使用指定的前導(dǎo)碼完成隨機(jī)接入的過(guò)程。該過(guò)程已經(jīng)處于同步狀態(tài)，沒(méi)有上行同步的目的，其主要目的是進(jìn)行帶寬資源的申請(qǐng)，因此只需要完成Msg1和Msg2兩條消息的收發(fā)，即可完成隨機(jī)接入過(guò)程。兩種隨機(jī)接入的流程及消息收發(fā)的物理信道如圖1所示。

圖1 兩種隨機(jī)接入流程框圖

2.2 隨機(jī)接入過(guò)程的場(chǎng)景

按照LTE協(xié)議的規(guī)定，發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)接入的具體場(chǎng)景［3］有：1）UE的初始接入；2）UE的重建；3）UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測(cè)到上行失步；4）UE有上行數(shù)據(jù)發(fā)送，但沒(méi)有上行調(diào)度請(qǐng)求SR（Scheduling Request）資源。發(fā)生非競(jìng)爭(zhēng)接入的場(chǎng)景較少，主要有：5）切換（Handover；6）eNB有下行數(shù)據(jù)發(fā)送，但檢測(cè)到上行失步。在實(shí)際應(yīng)用中，如果非競(jìng)爭(zhēng)接入過(guò)程中，基站eNB沒(méi)有獲取到非競(jìng)爭(zhēng)的資源，也會(huì)轉(zhuǎn)換到競(jìng)爭(zhēng)接入過(guò)程，此類轉(zhuǎn)換在場(chǎng)景5）、6）中都存在一定的概率。隨機(jī)接入的場(chǎng)景和分類如圖2所示。

圖2 隨機(jī)接入的場(chǎng)景和分類

由于競(jìng)爭(zhēng)型隨機(jī)接入場(chǎng)景較多且具有普遍性，下面以UE側(cè)為例，對(duì)基于TD-LTE競(jìng)爭(zhēng)型隨機(jī)接入過(guò)程進(jìn)行分析。

3 基于競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1 Msg1消息：前導(dǎo)碼的選擇與發(fā)送

3.1.1 UE如何選擇前導(dǎo)碼Preamble

1）前導(dǎo)碼Preamble結(jié)構(gòu)及格式

根據(jù)LTE協(xié)議規(guī)定，前導(dǎo)碼Preamble由循環(huán)前綴 CP（Cyclic Prefix）、ZC 序列 Sequence［6］以及保護(hù)間隔GT組成。加CP前綴的作用主要是因?yàn)樵赨E初次接入或者上行失步時(shí)，直接傳輸前導(dǎo)碼Se?quence會(huì)出現(xiàn)基站eNB上行接收窗錯(cuò)位，導(dǎo)致前導(dǎo)碼Sequence內(nèi)容接收不完整的情況，通過(guò)加CP前綴可以規(guī)避或減小該問(wèn)題發(fā)生的概率。前導(dǎo)碼Preamble結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 前導(dǎo)碼Preamble的結(jié)構(gòu)

TD-LTE的前導(dǎo)碼有5種格式，分別是Pream?ble Format 0/1/2/3/4，如圖4所示。Format 4較特殊，本文不做討論。

圖4 前導(dǎo)碼Preamble的格式

LTE以1ms為調(diào)度單位，每1ms的長(zhǎng)度是30720Ts，前導(dǎo)碼之所以設(shè)計(jì)成5種格式主要對(duì)應(yīng)于不同的覆蓋半徑，而不同的GT保護(hù)時(shí)間決定了小區(qū)的最大覆蓋半徑，GT時(shí)間越長(zhǎng)，小區(qū)的覆蓋面積越大。UE具體選擇哪一種前導(dǎo)碼格式通過(guò)PRACH configuration Index參數(shù)決定，該參數(shù)來(lái)自于系統(tǒng)廣播SIB2消息［7］，從TD_LTE協(xié)議可以得到該參數(shù)值與前導(dǎo)碼格式的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 參數(shù)值PRACH configuration Index與前導(dǎo)碼格式的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2）前導(dǎo)碼Preamble的選擇

在LTE中，每個(gè)小區(qū)固定有64組前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼序列Preamble Sequence需要選擇沖突概率小，相關(guān)性較低的同步序列來(lái)做上行同步，ZC序列（Zadoff-Chu）滿足這個(gè)需求，因此選擇它作為前導(dǎo)碼序列。

LTE協(xié)議中，將用于競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入的preamble序列分成2組GroupA和Group B，這樣做的目的是因?yàn)閑NB收到preamble之后，就必須提前為UE配置msg3的頻域資源，并通過(guò)msg2 RAR消息下發(fā)給UE，但此時(shí)eNB并不知道后續(xù)UE發(fā)送MSG3數(shù)據(jù)的大小，通過(guò)分組eNB就能夠根據(jù)收到的前導(dǎo)碼類型提前知道該preamble所屬的Group，從而了解Msg3的大致資源需求。

前導(dǎo)碼相關(guān)參數(shù)從SIB2消息中獲取：num?berOfRA-Preambles參數(shù)表示該小區(qū)競(jìng)爭(zhēng)接入過(guò)程中可以使用前導(dǎo)碼的總個(gè)數(shù)，范圍是4～64。sizeO?fRA-PreamblesGroupA參數(shù)表示GroupA的前導(dǎo)碼個(gè)數(shù)，范圍是4～60。根據(jù)以上參數(shù)可以得到Grou?pA的前導(dǎo)碼集合是［0，sizeOfRA-PreamblesGrou?pA-1］，GroupB是可選的，它的前導(dǎo)碼范圍是［sizeOfRA-PreamblesGroupA，numberOfRA-Pream?bles-1］。如果eNB配置的參數(shù)numberOfRA-Pre?ambles和sizeOfRA-PreamblesGroupA相同，那么該小區(qū)就不存在Group B，競(jìng)爭(zhēng)接入的前導(dǎo)碼全部屬于GroupA。

值得注意的是，eNB在配置參數(shù)的時(shí)候，需要預(yù)留出非競(jìng)爭(zhēng)接入的前導(dǎo)碼集合，不應(yīng)該全部配置給競(jìng)爭(zhēng)前導(dǎo)碼。以numberOfRA-Preambles=52為例，64組前導(dǎo)碼分配如圖6所示。

圖6 64組前導(dǎo)碼分配范圍結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)LTE協(xié)議規(guī)定，競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入的場(chǎng)景中，如果UE接入時(shí)要傳輸?shù)腗sg3消息值比較大，大于messageSizeGroupA 的值，同時(shí)路損 PATHLOSS［8］滿足下式時(shí)，選擇前導(dǎo)碼組B；否則選擇前導(dǎo)碼組A。

其中，PCMAX表示UE配置的最大輸出功率。messageSizeGroupA參數(shù)表示GroupA的數(shù)據(jù)大小 ，范 圍 從 56bits～256bits。 preambleInitialRe?ceivedTargetPower表示初始發(fā)送功率，范圍從-120dBm～-90dBm。。deltaPreambleMsg3參數(shù)值的范圍是-1～+6，公式計(jì)算的時(shí)需要將該值*2［dB］。messagePowerOffsetGroupB參數(shù)是選擇前導(dǎo)碼的門限參數(shù)，單位是dB，以上參數(shù)除PCMAX由UE自行配置，其他參數(shù)均由SIB2消息下發(fā)。

UE側(cè)會(huì)根據(jù)以上場(chǎng)景及規(guī)則，在64組前導(dǎo)碼中選擇一個(gè)preamble發(fā)送到基站eNB。

3.1.2 UE發(fā)送前導(dǎo)碼的時(shí)頻位置

UE發(fā)送前導(dǎo)碼的時(shí)刻和位置由PRACH con?figuration Index參數(shù)和上下行子幀配置UL/DL con?figuration參數(shù)共同決定［9］。UL/DL configuration參數(shù)來(lái)自于系統(tǒng)廣播消息SIB1，PRACH configuration Index參數(shù)上文已提到，由SIB2消息配置下發(fā)，圖7為L(zhǎng)TE部分協(xié)議的截圖，該圖給出了前導(dǎo)碼的位置與 PRACH configuration Index和 UL/DL configura?tion兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。

圖7 前導(dǎo)碼的位置與PRACH configuration Index和UL/DL configuration兩個(gè)參數(shù)關(guān)系圖

從圖7中可以看到，根據(jù)PRACH configuration Index和UL/DL configuration參數(shù)，可以獲取一個(gè)或多 個(gè) 四 元 素 數(shù) 組［10～11］，分 別 對(duì) 應(yīng) 參 數(shù)。 fRA是一個(gè)頻率位置系數(shù)，用于計(jì)算PRACH頻域占用RB的起始位置表示PRACH無(wú)線幀的位置，0表示在所有的無(wú)線幀中，1表示在偶數(shù)無(wú)線幀，2表示在奇數(shù)無(wú)線幀。表示PRACH無(wú)線幀內(nèi)前后半幀的位置，0表示PRACH位于前半幀，1表示位于后半幀。表示前導(dǎo)碼開(kāi)始的上行子幀號(hào)。以UL/DL configu?ration等于1為例，即2號(hào)子幀和7號(hào)子幀值為0，3號(hào)子幀和8號(hào)子幀值為1，4號(hào)子幀和9號(hào)子幀值為2。

由以上四元組的信息，就可以知道前導(dǎo)碼在PRACH信道的時(shí)頻位置。由于PRACH固定占用6個(gè)RB，根據(jù) fRA參數(shù)計(jì)算出nRAPRB，可以得知PRACH在頻域上的位置這三個(gè)參數(shù)，UE就可以知道在哪個(gè)子幀發(fā)送PRACH，基站也會(huì)去對(duì)應(yīng)的子幀上盲檢PRACH信息。我們從圖7可以發(fā)現(xiàn)，四元組會(huì)有多組的情況，此時(shí)基站則需要對(duì)每個(gè)有可能的位置進(jìn)行盲檢。

計(jì)算Preamble Format 0/1/2/3在PRACH信道頻域上起始位置的公式如下式所示：

值得注意的是，PRACH信道每個(gè)子載波占1.25K帶寬，因此1.08MHZ的帶寬總共占有864個(gè)子載波。當(dāng)UE選擇了一個(gè)確定的前導(dǎo)碼ZC序列后（前導(dǎo)碼格式0-3），將映射到頻域中的839個(gè)子載波中，其中兩邊的25個(gè)子載波用于保護(hù)頻帶。如圖8所示。

圖8 前導(dǎo)碼的頻域位置圖

3.2 Msg2消息：隨機(jī)接入響應(yīng)RAR

3.2.1 UE如何接收RAR消息

UE發(fā)送了前導(dǎo)碼之后，將在RAR時(shí)間窗（RA Response window）內(nèi)監(jiān)聽(tīng)PDCCH，準(zhǔn)備接收對(duì)應(yīng)RA-RNTI的RAR消息，RAR時(shí)間窗通過(guò)系統(tǒng)廣播Sib2消息的ra-ResponseWindowSize來(lái)設(shè)置，監(jiān)聽(tīng)范圍是2ms～10ms。需要注意的是，根據(jù)LTE協(xié)議的規(guī)定，UE在發(fā)送前導(dǎo)碼之后并不是馬上開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)，而是等待三個(gè)子幀之后才開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)RAR消息，如圖9所示。

圖9 接收RAR消息時(shí)序圖

RAR消息通過(guò)RA-RNTI加擾，UE需要通過(guò)RA-RNTI來(lái)解RAR消息。LTE協(xié)議規(guī)定RA-RN?TI的計(jì)算公式為

其中，t_id表示發(fā)送前導(dǎo)碼起始位置的子幀號(hào)（范圍是0～9），f_id表示四元素組中的 值（范圍是0～5），UE側(cè)在發(fā)送Msg1消息時(shí)這兩個(gè)參數(shù)已經(jīng)確定，因此RA-RNTI也已確定。

如果UE在RAR時(shí)間窗沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到RAR消息，則認(rèn)為本次RAR消息接收失敗，UE將本地維護(hù)的變量PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1，如果該值小于preambleTransMax，則發(fā)送相同的preamble并進(jìn)行下一次監(jiān)測(cè)，否則停止監(jiān)測(cè)，重新執(zhí)行一次隨機(jī)接入過(guò)程。preambleTransMax由Sib2消息下發(fā)，范圍3～200次。

值得注意的是，UE并不會(huì)馬上進(jìn)行下一次隨機(jī)接入過(guò)程，而是會(huì)等待一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是在0到backoff參數(shù)之間隨機(jī)選擇一個(gè)值，作為當(dāng)前失敗時(shí)刻到下一次發(fā)送Preamble時(shí)刻的時(shí)延。Back?off值通過(guò)mac層解析獲取，后文會(huì)提到。

3.2.2 UE如何解析RAR消息

根據(jù)LTEMAC協(xié)議，RAR消息的MACPDU由MACheader、1個(gè)或多個(gè)RAR單元和可能存在的填充padding組成。MAC頭包含1個(gè)或多個(gè)MAC子頭，子頭類型主要是 BI（Backoff Indicator）和 RAP?ID。如果子頭包含BI，這個(gè)子頭只能放在第一個(gè)子頭位置并且只能有一個(gè)BI子頭，其他沒(méi)有包括BI的子頭均對(duì)應(yīng)一個(gè)RAR單元。MACRAR結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 MACRAR結(jié)構(gòu)圖

RAR控制單元的格式如圖11所示。每個(gè)RAR單元的長(zhǎng)度為6個(gè)字節(jié)。各字段的含義為

Timing Advance Command：時(shí)間提前命令，占11個(gè)bit位，告知UE進(jìn)行上行同步的TA值。TA是UE級(jí)的配置，每個(gè)UE的TA值都是不同的。在隨機(jī)接入過(guò)程中，eNB通過(guò)測(cè)量接收到的preamble來(lái)估計(jì)TA值，并通過(guò)RAR消息給UE下發(fā)TA值。TA值乘以16 Ts，就得到相對(duì)于當(dāng)前上行TA所需的實(shí)際調(diào)整值。

UL Grant：上行授權(quán)，占20個(gè)bit位。指示UE用于上行傳輸Msg3的資源，包括時(shí)頻位置、功控等參數(shù)。

Temporary C-RNTI：臨時(shí) C-RNTI，占 16 個(gè) bit位。Msg3/Msg4消息使用該值進(jìn)行加擾。

其中，UL Grant參照LTE 協(xié)議［12］，各字段如圖11所示。

圖11 RAR消息內(nèi)容圖

Hopping flag指示PUSCH是否執(zhí)行跳頻；

Fixed size resource block assignment，指 示MSG3的RB資源分配，即RIV參數(shù)，UE可根據(jù)RIV值計(jì)算出Msg3消息對(duì)應(yīng)的頻域資源；

Truncated modulation and coding scheme，對(duì)應(yīng)傳輸Msg3使用的MCS值；

TPC command for scheduled PUSCH指示PUSCH的TPC功控參數(shù)；

UL delay指示MSG3使用哪個(gè)時(shí)刻的PUSCH資源。如果UL_delay=0，Msg3將在RAR消息后的第一個(gè)上行子幀發(fā)送；如果UL_delay=1，Msg3將在RAR消息后的第二個(gè)上行子幀發(fā)送，并且第一個(gè)上行子幀和RAR消息的下行子幀之間要滿足大于或等于6個(gè)子幀的時(shí)間間隔。

CQIrequest指示UE是否上報(bào)CQI。

3.3 Msg3消息：競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生

3.3.1 UE如何發(fā)送Msg3消息

基于競(jìng)爭(zhēng)型的隨機(jī)接入，UE在發(fā)送MSG3時(shí)，如果在相同的時(shí)頻位置發(fā)送相同的前導(dǎo)碼，就會(huì)產(chǎn)生沖突。因此，所有的UE都要競(jìng)爭(zhēng)接入。最終eNB會(huì)解出某個(gè)UE發(fā)送的Msg3消息，再通過(guò)Msg4的競(jìng)爭(zhēng)消除消息，就可以讓這個(gè)UE成功接入。

Msg3通過(guò)攜帶RRC建鏈消息RRC Connec?tion Request［13］或者 通過(guò)攜帶 RRC 重建消息 RRC Connection Reestablishment Request向基站eNB發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)解決標(biāo)識(shí)CR（Contention Resolution Identi?ty），MAC層通過(guò)UL CCCH SDU存儲(chǔ)該信息。

Msg3在PUSCH信道上傳輸，并通過(guò)臨時(shí)C-RNTI加擾。其上行時(shí)頻資源通過(guò)Msg2 RAR消息UL GRANT來(lái)配置。Msg3消息支持HARQ過(guò)程，其最大重傳次數(shù)maxHARQ-Msg3Tx由Sib2消息指定，范圍是1～8次。

3.3.2 Msg3消息的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容

MAC PDU格式解析分三種：透?jìng)鱉AC、RAR以及普通MACPDU格式。Msg3消息屬于普通的MACPDU格式。該類MACPDU結(jié)構(gòu)包括含四個(gè)部分：MAC子頭（大小可變））、MACSDU（數(shù)據(jù)部分，大小可變）、MACCE（控制部分，大小固定）或padding（填充信息，可選項(xiàng)）。一個(gè)MAC頭包含一個(gè)或多個(gè)MAC子頭，每個(gè)子頭對(duì)應(yīng)MAC SDU或MACCE或padding類型，如圖12所示。

圖12 普通MACPDU結(jié)構(gòu)圖

Msg3 MACPDU的內(nèi)容主要在UL CCCH上傳輸，CCCH LCDID索引值為00000，如圖13所示。

圖13 Msg3 MACPDU內(nèi)容圖

3.4 Msg4消息：競(jìng)爭(zhēng)解決

3.4.1 UE如何接收Msg4消息

eNB成功收到UE的Msg3消息之后，會(huì)發(fā)送帶有該UE競(jìng)爭(zhēng)解決標(biāo)識(shí)CR的Msg4消息，UE接收到Msg4消息之后只要比較該CR與本地保存的CR值是否相同，如果相同則表示接入成功，隨機(jī)接入過(guò)程結(jié)束。

UE通過(guò)PUSCH發(fā)送了Msg3消息之后，將在競(jìng)爭(zhēng)消除時(shí)間窗（Contention Resolution window）內(nèi)監(jiān)聽(tīng)PDCCH，準(zhǔn)備接收臨時(shí)C-RNTI加擾的Msg4消息，競(jìng)爭(zhēng)消除時(shí)間窗通過(guò)系統(tǒng)廣播消息Sib2下發(fā)的mac-ContentionResolutionTimer來(lái)設(shè)置，監(jiān)聽(tīng)范圍是8～64ms。如果Msg4 MAC PDU解碼成功，則停止競(jìng)爭(zhēng)消除時(shí)間窗；如果MAC PDU包含UE的CR信息，并且該CRID跟上行發(fā)送的MSG3消息的CR ID匹配，則認(rèn)為競(jìng)爭(zhēng)消除成功，把臨時(shí)C-RNTI設(shè)置為C-RNTI，同時(shí)丟棄臨時(shí)C-RNTI，然后確認(rèn)隨機(jī)接入成功；否則，丟棄臨時(shí)C-RNTI，UE會(huì)認(rèn)為隨機(jī)接入失敗并丟棄這個(gè)MACPDU；如果競(jìng)爭(zhēng)消除定時(shí)器超時(shí)，則認(rèn)為接入失敗。

3.4.2 Msg4消息的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容

MSG4的MACPDU也是按照普通MACPDU格式進(jìn)行解析的，結(jié)構(gòu)如圖12所示。競(jìng)爭(zhēng)解決標(biāo)識(shí)CR的LCDID索引值為11100，如圖14所示。

圖14 Msg4 MACPDU內(nèi)容圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了TD-LTE系統(tǒng)中基于競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過(guò)程的基本原理。參照TD-LTE的相關(guān)協(xié)議，從UE側(cè)的角度出發(fā)，著重分析和梳理了隨機(jī)接入過(guò)程中物理層以及高層協(xié)議棧的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。通過(guò)本文將會(huì)對(duì)TD-LTE隨機(jī)接入過(guò)程有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)UE側(cè)隨機(jī)接入過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)也有很大的參考意義。

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