随机接入过程总结

随机接入过程总结
1.随机接入流程概述
随机接入过程是指从用户发送随机接入前导码开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程。

LTE中的随机接入过程包括下图所示的四个步骤：
UE eNB
1)UE向eNB发送随机接入前导
2)eNB检测到有UE发送接入前导之后向用户发送随机接入响应以告知UE
可以使用的上行资源信息
3)UE收到随机接入响应后，在随机接入相应消息所指定的上行资源中发送
调度消息，该消息主要包括UE的唯一标示信息
4)eNB发送冲突解决消息到终端
2.随机接入过程详解
3.1Message 1处理流程详解
UE尝试随机接入的时候，需要解决以下问题：
1)在哪一个时频资源上发送信息
2)发送什么信息
上述两方面的信息是通过读取系统消息2中的相关信息获得的。

与随机接入过程相关的系统消息2中的信息如下图所示：
SIB2中的PRACH的配置信息主要指明了可以在哪些时频资源上发送接入前导信息。

例如样例配置下Prach_ConfigurationIndex = 3，于是sub-frame = 1；
prachFrequencyOffset = 2.MSG1所占用的资源块的大小为固定值6，则MSG1
随机接入前导中发送的内容为由SIB2中RACH配置消息所配置的64个随机接入前导码中的任意一个。

【随机接入前导的长度为839，如果不考虑任何参考信号的话一个RB可以承载7*12 = 72bit的数据，所以需要839/72 + 1 = 12RB，这样就是6PRB 了。

前导信号将由循环移位的Zadoff-Chu 序列添加循环前缀产生，这是由于该序列有着良好的自相关与互相关特性，便于基站进行随机信号检测，减少邻小区随机接入信号的干扰。

3.2Message 2处理流程详解
前导信号将由循环移位的Zadoff-Chu 序列添加循环前缀产生，这是由于该序列
有着良好的自相关与互相关特性，便于基站进行随机信号检测，减少邻小区随机接入信号的干扰。

这样eNB可以通过自相关运算检测是否接收到接入前导信息。

检测到用户发送的接入前导之后，eNB需要在PDSCH中发送的MSG2中包含以下信息： RAPID：随机接入前导ID
TA ：时间提前调整量
Ul Grant：上行MSG3发送时所使用的时频资源
Temp C-RNTI：无线网络临时标识
为了使得UE能够收到自己所发送的接入前导所对应的接入响应消息MSG2，eNB需要通过PDCCH指示MSG2所使用的DL grant。

同时PDCCH采用RA-RNTI进行扰码。

RA-RNTI是与UE发送随机接入前导时所使用的时频单元相对应的。

RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id
其中，t_id，指定PRACH的第一个subframe索引号(0 <= t_id < 10)，f_id，在这个subframe里的PRACH索引，也就是频域位置索引，不过对于FDD系统来说，只有一个频域位置，因此f_id永远为零。

因此对于2.1中所述样例PRACH所采用的时频资源RA-RNTI = 1 + 1 + 0 = 2。

随机接入时序与时间提前量
由于同步过程中，eNB的信号发送到UE需要经历一定的传输时延Td，所以eNB 与UE的下行帧的时序关系如上图中的上半部分所示。

UE发送接入前导的时候并没有取得上行同步，所以UE发送的接入前导会在经历一个Td的延时才能到达eNB，这样UE在帧N中发送的接入前导在eNB中会跨越第N和N+1帧。

以最大的小区半径100km为例，Td = 0.33ms，这样UE发送的接入前导，在eNB中是在一帧开始后的0.67ms时候才能开始接收的。

这样一般会对下一帧的数据产生干扰。

由于接入前导设计的时候已经考虑了这一因素。

然而，对于一般的数据，如果这种上行帧之间的不同步依然存在，则干扰的影响会比较大。

所以在MSG2中会向UE发送TA = 2Td，这样UE和eNB之间的的时序关系如上图的下半部分所示。

这样UE发送的第N帧数据刚好在eNB的第N帧内。

下面将以下图为例详细描述MSG2的发送过程：
Format 1A
为承载MSG2的PDSCH分配资源，本例中假设为RB1-17 选择DCI format 1A来承载上述的资源分配信息，其中资源块分配采用的是type2的分配方式，指示中数值为248
在公共搜索空间中为PDCCH分配CCE，假设Aggregation Level=4，则可以用CCE0-3来承载上述DCI信息。

4个CCE所能承载的数据比较多，上述DCI中有效的数据部分长度为：
1 bits：指示format 0/ format 1
1 bits：指示是集中式分配还是分散式分配
9 bits：指示所使用的RB资源
6 bits：指示前导索引
4 bits：指示PRACH掩码索引
合计21bits，由于5M的时候format 0的数据长度为23bits，所以需要填充2和0。

这样23bits的信息经过CRC之后变成了39bits，39bits信息将采用RA-RNTI进行扰码。

信道编码之后变成了117bits。

4个CCE包含4*36 = 144个symbol，由于PDCCH 的调制方式为QPSK，所以可以承载288bits的数据。

经过RM之后变成288bits。

PDSCH中承载的MAC PDU信息如下图所示：
Oct 1
Oct 2Oct 3Oct 4Oct 5Oct 6
Oct 1
Oct 1
MAC PDU 包含一个MAC 头和一个或者多个MAC RAR 以及可能的填充域。

MAC 头包含一个或者多个MAC 子头。

每一个子头与一个MAC RAR 相关。

回退指示子头例外，它只有一个，而且是在第一个子头的位置上。

上图中各个域简要说明如下：
BI(Backoff Indicator): 回退指示。

在系统处于过载的情况下，它无法再分配
更多的MSG3使用的资源等等，这个时候它自然希望一些UE 能够晚一点发。

BI 就是回退机制的参数了，如果监听RAR 消息的UE 发现有一个backoff 指示，那么它就会把这个值保存起来，在随后需要重新做随机接入的时候，可以随机从0到backoff 值里的选一个值作为推迟发前导序列的时间。

RAPID(Radom Access Preamble Index):随机接入前导标识，该标识用于指示
所检测到的随机接入前导码的索引。

其他信息参考上面的描述。

3.3 Message 3处理流程详解
UE 通过盲解解除PDCCH 之后，可以比较本地所存储的RA-RNTI 以及RAPID 与PDCCH 中所包含的RA-RNTI 以及MAC PDU 中所包含的RAPID 是否相同来得知是否收到了自己所发送的随机接入前导对应的随机接入响应。

因为多个UE 可能选择了相同的前导序列，因此在第二步他们获得的资源是一样的，那么发送消息3时，就会在相同的地方选择相同的方式发送，那么自然就会有冲突，这就相当于大家都要竞争接入了。

虽然有冲突，但是eNB 还是有可能解出某个UE 发送的MSG3，那么通过第四步的竞争消除消息，就可以让这个UE 成功接入了。

例如某一个UE 离基站比较远，信号比较弱，而另外一个UE 里基站近，信号比较强，较远的UE 可能造成的干扰并不是很大，那么eNB 还是可以解出较近的那个UE 的消息3了。

冲突的解决依赖于后面的过程。

接收到MSG2之后，UE 将在MAC PDU 中所指示的UL GRANT 所对应的上行资源块中发送MSG3消息。

MSG3中主要包含L3消息RRC CONNECTION REQUEST ，该消息中包含有UE 的标识信息，如IMSI 或者TMSI 之类。

Bit
Bit
7
Byte N ( i f any
)Byte 1Byte 2Byte 3Byte
4Byte 9Byte 10
( if any )
R R C C o n n e c t i o n S e t u p R
e q u e s t s i z e = 6 b y t e s
3.4 Message 4处理流程详解
接收到MSG3之后，由于该消息中包含有用户的唯一标示，所以这时候eNB 就能够确切的知道是那一个UE 发起来随机接入过程了。

MSG4的MAC PDU结构如上图，上面的Contention Resolution中包含有MSG3中发送的CCCH SDU，这样UE接收到MSG4之后只要比较该信息与本地存贮的信息，如果相同则表示接入成功，冲突也就解决了。