基于TD-LTE UE側隨機接入過程的研究與分析?

彭 迪 何 健

1 引言

隨機接入是用戶終端通過發送前導碼序列和基站之間建立上行同步和無線鏈路的過程，只有在隨機接入過程完成之后，終端和基站之間才能進行上下行數據的傳輸。目前，LTE技術一直處于高速發展的狀態，并且智能手機已得到普遍的運用，用戶對于LTE系統的容量、傳輸速率以及時延方面都有了更高的要求［1～3］。因此，高效快速的隨機接入過程對于提高LTE的整體性能具有重要意義。

2 隨機接入過程的分類和場景

2.1 隨機接入過程及分類

終端UE通過小區搜索獲取到基站的基本信息，隨后通過隨機接入過程，UE實現接入基站的功能，同時基站也獲取到UE的必要信息。和UMTS隨機接入過程不同，LTE的隨機接入過程不僅完成UE信息的初始注冊，同時還需要完成上行同步（Time Advanced，TA，時間提前量）與用戶上行帶寬資源的申請（UL_GRANT）的功能。

在LTE系統中，根據業務觸發方式的不同，可以將隨機接入分為基于競爭的隨機接入和基于非競爭的隨機接入［4］。所謂“競爭”，是指可能存在這樣一種情況，UE-1/2/3/4多個終端，使用相同的時頻資源，向基站eNB發送了相同的前導碼序列，希望得到基站的資源授權，但此時基站無法知道這個請求是哪個UE發出的，因此每個UE需要再發送一條具有身份標識的消息，基站收到這條消息后回傳到UE，最終確認當前接入成功的UE。這種機制就是競爭解決機制［5］（Contention Resolution）。競爭型的隨機接入通過四條消息完成：Msg1，UE向eNB發送隨機前導碼preamble；Msg2，eNB收到消息后向UE回復隨機接入響應；Msg3，為解決競爭，UE向eNB發送競爭標識消息；Msg4，UE接收到競爭解決標識，完成隨機接入過程。而非競爭隨機接入是UE根據eNB的指示，在指定的PRACH物理信道，使用指定的前導碼完成隨機接入的過程。該過程已經處于同步狀態，沒有上行同步的目的，其主要目的是進行帶寬資源的申請，因此只需要完成Msg1和Msg2兩條消息的收發，即可完成隨機接入過程。兩種隨機接入的流程及消息收發的物理信道如圖1所示。

圖1 兩種隨機接入流程框圖

2.2 隨機接入過程的場景

按照LTE協議的規定，發生競爭接入的具體場景［3］有：1）UE的初始接入；2）UE的重建；3）UE有上行數據發送，但檢測到上行失步；4）UE有上行數據發送，但沒有上行調度請求SR（Scheduling Request）資源。發生非競爭接入的場景較少，主要有：5）切換（Handover；6）eNB有下行數據發送，但檢測到上行失步。在實際應用中，如果非競爭接入過程中，基站eNB沒有獲取到非競爭的資源，也會轉換到競爭接入過程，此類轉換在場景5）、6）中都存在一定的概率。隨機接入的場景和分類如圖2所示。

圖2 隨機接入的場景和分類

由于競爭型隨機接入場景較多且具有普遍性，下面以UE側為例，對基于TD-LTE競爭型隨機接入過程進行分析。

3 基于競爭隨機接入的實現過程

3.1 Msg1消息：前導碼的選擇與發送

3.1.1 UE如何選擇前導碼Preamble

1）前導碼Preamble結構及格式

根據LTE協議規定，前導碼Preamble由循環前綴 CP（Cyclic Prefix）、ZC 序列 Sequence［6］以及保護間隔GT組成。加CP前綴的作用主要是因為在UE初次接入或者上行失步時，直接傳輸前導碼Se?quence會出現基站eNB上行接收窗錯位，導致前導碼Sequence內容接收不完整的情況，通過加CP前綴可以規避或減小該問題發生的概率。前導碼Preamble結構如圖3所示。

圖3 前導碼Preamble的結構

TD-LTE的前導碼有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 前導碼Preamble的格式

LTE以1ms為調度單位，每1ms的長度是30720Ts，前導碼之所以設計成5種格式主要對應于不同的覆蓋半徑，而不同的GT保護時間決定了小區的最大覆蓋半徑，GT時間越長，小區的覆蓋面積越大。UE具體選擇哪一種前導碼格式通過PRACH configuration Index參數決定，該參數來自于系統廣播SIB2消息［7］，從TD_LTE協議可以得到該參數值與前導碼格式的對應關系如圖5所示。

圖5 參數值PRACH configuration Index與前導碼格式的對應關系

2）前導碼Preamble的選擇

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

LTE協議中，將用于競爭隨機接入的preamble序列分成2組GroupA和Group B，這樣做的目的是因為eNB收到preamble之后，就必須提前為UE配置msg3的頻域資源，并通過msg2 RAR消息下發給UE，但此時eNB并不知道后續UE發送MSG3數據的大小，通過分組eNB就能夠根據收到的前導碼類型提前知道該preamble所屬的Group，從而了解Msg3的大致資源需求。

前導碼相關參數從SIB2消息中獲取：num?berOfRA-Preambles參數表示該小區競爭接入過程中可以使用前導碼的總個數，范圍是4～64。sizeO?fRA-PreamblesGroupA參數表示GroupA的前導碼個數，范圍是4～60。根據以上參數可以得到Grou?pA的前導碼集合是［0，sizeOfRA-PreamblesGrou?pA-1］，GroupB是可選的，它的前導碼范圍是［sizeOfRA-PreamblesGroupA，numberOfRA-Pream?bles-1］。如果eNB配置的參數numberOfRA-Pre?ambles和sizeOfRA-PreamblesGroupA相同，那么該小區就不存在Group B，競爭接入的前導碼全部屬于GroupA。

值得注意的是，eNB在配置參數的時候，需要預留出非競爭接入的前導碼集合，不應該全部配置給競爭前導碼。以numberOfRA-Preambles=52為例，64組前導碼分配如圖6所示。

圖6 64組前導碼分配范圍結構圖

根據LTE協議規定，競爭隨機接入的場景中，如果UE接入時要傳輸的Msg3消息值比較大，大于messageSizeGroupA 的值，同時路損 PATHLOSS［8］滿足下式時，選擇前導碼組B；否則選擇前導碼組A。

其中，PCMAX表示UE配置的最大輸出功率。messageSizeGroupA參數表示GroupA的數據大小 ，范 圍 從 56bits～256bits。 preambleInitialRe?ceivedTargetPower表示初始發送功率，范圍從-120dBm～-90dBm。。deltaPreambleMsg3參數值的范圍是-1～+6，公式計算的時需要將該值*2［dB］。messagePowerOffsetGroupB參數是選擇前導碼的門限參數，單位是dB，以上參數除PCMAX由UE自行配置，其他參數均由SIB2消息下發。

UE側會根據以上場景及規則，在64組前導碼中選擇一個preamble發送到基站eNB。

3.1.2 UE發送前導碼的時頻位置

UE發送前導碼的時刻和位置由PRACH con?figuration Index參數和上下行子幀配置UL/DL con?figuration參數共同決定［9］。UL/DL configuration參數來自于系統廣播消息SIB1，PRACH configuration Index參數上文已提到，由SIB2消息配置下發，圖7為LTE部分協議的截圖，該圖給出了前導碼的位置與 PRACH configuration Index和 UL/DL configura?tion兩個參數之間的關系。

圖7 前導碼的位置與PRACH configuration Index和UL/DL configuration兩個參數關系圖

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

由以上四元組的信息，就可以知道前導碼在PRACH信道的時頻位置。由于PRACH固定占用6個RB，根據 fRA參數計算出nRAPRB，可以得知PRACH在頻域上的位置這三個參數，UE就可以知道在哪個子幀發送PRACH，基站也會去對應的子幀上盲檢PRACH信息。我們從圖7可以發現，四元組會有多組的情況，此時基站則需要對每個有可能的位置進行盲檢。

計算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信道每個子載波占1.25K帶寬，因此1.08MHZ的帶寬總共占有864個子載波。當UE選擇了一個確定的前導碼ZC序列后（前導碼格式0-3），將映射到頻域中的839個子載波中，其中兩邊的25個子載波用于保護頻帶。如圖8所示。

圖8 前導碼的頻域位置圖

3.2 Msg2消息：隨機接入響應RAR

3.2.1 UE如何接收RAR消息

UE發送了前導碼之后，將在RAR時間窗（RA Response window）內監聽PDCCH，準備接收對應RA-RNTI的RAR消息，RAR時間窗通過系統廣播Sib2消息的ra-ResponseWindowSize來設置，監聽范圍是2ms～10ms。需要注意的是，根據LTE協議的規定，UE在發送前導碼之后并不是馬上開始監聽，而是等待三個子幀之后才開始監聽RAR消息，如圖9所示。

圖9 接收RAR消息時序圖

RAR消息通過RA-RNTI加擾，UE需要通過RA-RNTI來解RAR消息。LTE協議規定RA-RN?TI的計算公式為

其中，t_id表示發送前導碼起始位置的子幀號（范圍是0～9），f_id表示四元素組中的 值（范圍是0～5），UE側在發送Msg1消息時這兩個參數已經確定，因此RA-RNTI也已確定。

如果UE在RAR時間窗沒有監聽到RAR消息，則認為本次RAR消息接收失敗，UE將本地維護的變量PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1，如果該值小于preambleTransMax，則發送相同的preamble并進行下一次監測，否則停止監測，重新執行一次隨機接入過程。preambleTransMax由Sib2消息下發，范圍3～200次。

值得注意的是，UE并不會馬上進行下一次隨機接入過程，而是會等待一段時間，這個時間是在0到backoff參數之間隨機選擇一個值，作為當前失敗時刻到下一次發送Preamble時刻的時延。Back?off值通過mac層解析獲取，后文會提到。

3.2.2 UE如何解析RAR消息

根據LTEMAC協議，RAR消息的MACPDU由MACheader、1個或多個RAR單元和可能存在的填充padding組成。MAC頭包含1個或多個MAC子頭，子頭類型主要是 BI（Backoff Indicator）和 RAP?ID。如果子頭包含BI，這個子頭只能放在第一個子頭位置并且只能有一個BI子頭，其他沒有包括BI的子頭均對應一個RAR單元。MACRAR結構如圖10所示。

圖10 MACRAR結構圖

RAR控制單元的格式如圖11所示。每個RAR單元的長度為6個字節。各字段的含義為

Timing Advance Command：時間提前命令，占11個bit位，告知UE進行上行同步的TA值。TA是UE級的配置，每個UE的TA值都是不同的。在隨機接入過程中，eNB通過測量接收到的preamble來估計TA值，并通過RAR消息給UE下發TA值。TA值乘以16 Ts，就得到相對于當前上行TA所需的實際調整值。

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

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

其中，UL Grant參照LTE 協議［12］，各字段如圖11所示。

圖11 RAR消息內容圖

Hopping flag指示PUSCH是否執行跳頻；

Fixed size resource block assignment，指 示MSG3的RB資源分配，即RIV參數，UE可根據RIV值計算出Msg3消息對應的頻域資源；

Truncated modulation and coding scheme，對應傳輸Msg3使用的MCS值；

TPC command for scheduled PUSCH指示PUSCH的TPC功控參數；

UL delay指示MSG3使用哪個時刻的PUSCH資源。如果UL_delay=0，Msg3將在RAR消息后的第一個上行子幀發送；如果UL_delay=1，Msg3將在RAR消息后的第二個上行子幀發送，并且第一個上行子幀和RAR消息的下行子幀之間要滿足大于或等于6個子幀的時間間隔。

CQIrequest指示UE是否上報CQI。

3.3 Msg3消息：競爭產生

3.3.1 UE如何發送Msg3消息

基于競爭型的隨機接入，UE在發送MSG3時，如果在相同的時頻位置發送相同的前導碼，就會產生沖突。因此，所有的UE都要競爭接入。最終eNB會解出某個UE發送的Msg3消息，再通過Msg4的競爭消除消息，就可以讓這個UE成功接入。

Msg3通過攜帶RRC建鏈消息RRC Connec?tion Request［13］或者 通過攜帶 RRC 重建消息 RRC Connection Reestablishment Request向基站eNB發送競爭解決標識CR（Contention Resolution Identi?ty），MAC層通過UL CCCH SDU存儲該信息。

Msg3在PUSCH信道上傳輸，并通過臨時C-RNTI加擾。其上行時頻資源通過Msg2 RAR消息UL GRANT來配置。Msg3消息支持HARQ過程，其最大重傳次數maxHARQ-Msg3Tx由Sib2消息指定，范圍是1～8次。

3.3.2 Msg3消息的結構及內容

MAC PDU格式解析分三種：透傳MAC、RAR以及普通MACPDU格式。Msg3消息屬于普通的MACPDU格式。該類MACPDU結構包括含四個部分：MAC子頭（大小可變））、MACSDU（數據部分，大小可變）、MACCE（控制部分，大小固定）或padding（填充信息，可選項）。一個MAC頭包含一個或多個MAC子頭，每個子頭對應MAC SDU或MACCE或padding類型，如圖12所示。

圖12 普通MACPDU結構圖

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

圖13 Msg3 MACPDU內容圖

3.4 Msg4消息：競爭解決

3.4.1 UE如何接收Msg4消息

eNB成功收到UE的Msg3消息之后，會發送帶有該UE競爭解決標識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，隨機接入過程結束。

UE通過PUSCH發送了Msg3消息之后，將在競爭消除時間窗（Contention Resolution window）內監聽PDCCH，準備接收臨時C-RNTI加擾的Msg4消息，競爭消除時間窗通過系統廣播消息Sib2下發的mac-ContentionResolutionTimer來設置，監聽范圍是8～64ms。如果Msg4 MAC PDU解碼成功，則停止競爭消除時間窗；如果MAC PDU包含UE的CR信息，并且該CRID跟上行發送的MSG3消息的CR ID匹配，則認為競爭消除成功，把臨時C-RNTI設置為C-RNTI，同時丟棄臨時C-RNTI，然后確認隨機接入成功；否則，丟棄臨時C-RNTI，UE會認為隨機接入失敗并丟棄這個MACPDU；如果競爭消除定時器超時，則認為接入失敗。

3.4.2 Msg4消息的結構及內容

MSG4的MACPDU也是按照普通MACPDU格式進行解析的，結構如圖12所示。競爭解決標識CR的LCDID索引值為11100，如圖14所示。

圖14 Msg4 MACPDU內容圖

4 結語

本文詳細分析了TD-LTE系統中基于競爭隨機接入過程的基本原理。參照TD-LTE的相關協議，從UE側的角度出發，著重分析和梳理了隨機接入過程中物理層以及高層協議棧的關鍵技術點和實現細節。通過本文將會對TD-LTE隨機接入過程有一個全面的認識和理解，對UE側隨機接入過程的具體實現也有很大的參考意義。

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