LTE随机接入过程

LTE随机接入过程
1概述
只有上行传输时间严格同步的情况下，LTE UE才会被安排传送上行数据包，为了达成这个条件，LTE RACH(Random Access CHannel)信道扮演了非常关键的角色，它是不同步的UE和正交同步的LTE上行无线接入的接口。

2LTE随机接入的需求
在WCDMA网络，RACH的主要作用是初始网络接入和短消息传送。

在LTE网络，RACH仍然用户初始网络接入，但是不再承载任何用户数据，用户数据全部由PUSCH负责承载。

LTE RACH负责帮助UE 实现上行链路的时间同步，它面对的UE要么还没有获得上行时间同步，或者丢失了这种时间同步。

一旦UE获得上行链路同步，eNodeB 就可以给它分配上行链路的正交传输资源。

RACH的相关场景包括：（1）UE处于RRC_CONNECTED状态，但没有实现上行链路同步。

此时UE打算发送新的上行数据包或者控制信息（比如事件触发的测量报告）；
（2）UE处于RRC_CONNECTED状态，但没有实现上行链路同步。

此时UE打算接收新的下行数据包，并且需要在上行链路回复相应的ACK/NACK信息；
（3）UE处于RRC_CONNECTED状态，正从服务小区切换到目标小区；
（4）UE正从RRC_IDLE状态转换到RRC_CONNECTED状态，比如正在进行初始接入或者位置区更新；
（5）UE正从无线链路失败的状态中恢复；
上述场景要求LTE RACH的时延比较小，同时在低信噪比（SNR）的情况下（比如小区边缘，切换状态等）情况下确保良好的探测概率，从而使得RACH的覆盖范围与PUSCH和PUCCH基本一致。

一次成功的RACH尝试意味着这个UE随后的上行数据包会被插入其它UE已经被分配好的同步数据包中，这决定了RACH必须能够达到所要求的时间估计精度，以及需要的RACH传输带宽。

由于上行链路使用了循环前缀（CP），LTE RACH只需要估算双向时延，而需要的RACH带宽也比WCDMA网络少。

和WCDMA不同，LTE RACH必须要适应上行链路的同步时频结构，这样eNodeB就能够避免RACH和PUSCH/PUCCH之间的干扰。

同样重要的是，应该尽可能小地减少RACH对相邻小区PUSCH/PUCCH信道的干扰。

3LTE随机接入流程
LTE随机接入过程有两种类型：有竞争的随机接入（必然增加碰撞的风险），和没有竞争的随机接入。

在上一章节提到的所有5种场景中，UE都会先初始化一个有竞争的随机过程。

在这个过程中，UE随机选择一个随机接入前缀标志（preamble signature），为随后的竞争解决过程做准备。

不同的UE有
可能选择相同的前缀标志。

在场景2（新的下行数据）和场景3（切换）中，eNodeB可以选择阻止竞争的发生，方法是为每个UE分配一个不同的前缀标志，从而将接入过程变成没有竞争的随机接入。

没有竞争的随机接入的速度比有竞争的随机接入快——这在切换场景中是非常关键的，切换过程对时间非常敏感。

和WCDMA网络不同，前缀标志是固定的64比特的长度。

两种类型的接入过程的使用取决于有多少前缀标志预留给有竞争的随机接入，有多少前缀标志预留给没有竞争的随机接入。

3.1有竞争的随机接入过程
图1可以看到，有竞争的随机接入过程包括4个步骤：
步骤1：前缀传送
步骤2：随机接入响应
步骤3：层2/层3消息
步骤4：竞争解决消息
图1 有竞争的随机接入过程
3.1.1步骤1：前缀传送
UE从（64-N cf）个PRACH的竞争性前缀标志中选择一个，其中N cf是eNodeB为无竞争RACH预留的数目。

竞争性前缀标志进一步分成两组，UE从哪个组选择竞争性前缀标志取决于这次RACH申请需要的传输资源的大小。

eNodeB根据每个组的负荷控制每个组里的前缀标志的数量。

初始前缀的发射功率根据开环估算决定，需要考虑对路径损耗进行全额补偿，以确保接收到的前缀的功率与路径损耗完全无关，从而帮助eNodeB区分同一块PRACH时频资源内几个同时发生的前缀传输。

UE根据下行链路RSRP（Reference Signal Received Power）平均测量值估算路径损耗。

eNodeB可能还需要配置额外的功率偏移，因为需要考虑目标SINR要求、上行链路分配给RACH前缀的时频时隙的干扰和噪声水平，和前缀格式等因素。

3.1.2步骤2：随机接入响应
eNodeB通过PDSCH信道发送随机接入响应（RAR，Random Access Response），并用RA-RNTI（Random Access Radio Network Temporary ID）加以识别，以识别在哪个时频时隙侦测到了接入前缀。

如果因为几个UE在相同的前缀时频资源中选择了相同的标志而发生碰撞，这些UE 也都会收到RAR。

RAR消息携带的参数包括：侦测到的接入前缀、要求UE同步随后的上行数据包的时间调整指令、一个用于传送步骤3中层3消息的初始上行资源授予命令，以及系统分配的C-RNTI（Cell Radio Network Temporary ID）。

UE希望在一个时间窗口内收到RAR，这个时间窗口由eNodeB确定，并通过小区特定的系统信息广播消息发送给UE。

如果UE没有在规定的时间窗口收到RAR，则重发前缀。

eNodeB可以设置前缀功率调整斜坡，这样每个重发的前缀的功率可以根据一个固定的数值增加。

然而，由于在LTE网络中，每个随机接入前缀都与其它的上行传输正交，因此不需要向WCDMA网络那样强调第一个前缀的发射功率必须尽可能地小以减少干扰，即LTE初始随机接入前缀的功率要比WCDMA高，所以初始接入尝试的成功几
率比较高，也就是说前缀功率调整斜坡这个功能往往可以省略。

3.1.3步骤3：层2/层3消息
这是调度分配在PUSCH信道的第一个与随机接入相关的消息，并启用了HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）机制。

这个消息携带了确定的随机接入过程消息，比如RRC连接请求消息、位置区更新消息，或者调度请求消息。

这个消息还携带了在步骤2的RAR消息中分配的临时C-RNTI消息，以及C-RNTI（如果UE处于RRC连接状态且已经分配有C-RNTI）或者一个唯一的48比特UE ID。

如果在步骤1发生前缀冲突，这些彼此冲突的UE就会从RAR消息中获取相同的临时C-RNTI，于是在用相同的上行链路时频资源发送L2/L3消息时也会发生冲突。

产生的干扰可能导致这些彼此冲突的UE没有一个能使其上传的数据被解码，这些UE达到HARQ最大重传次数后，被迫重新开始随机接入过程。

即便有一个UE被成功解码，其它UE的问题仍然没有得到解决。

在步骤4中，相关的下行消息能为这个竞争问题提供一个快速解决方案。

3.1.4步骤4：竞争解决消息
竞争解决消息是针对C-RNTI或者临时C-RNTI的。

在后一种情况下，竞争解决消息回应的是L2/L3消息中携带的UE ID。

竞争解决消息支持HARQ。

如果竞争冲突发生之后，有一个L2/L3消息被成功解码，则只有那个侦测到自己的UE ID（或者C-RNTI）的UE才会发HARQ
反馈消息，而其它UE则意识到存在一个冲突，就不会发HARQ反馈消息，而是尽快结束这次接入过程，并开始一个新的随机接入。

UE 根据接收到的竞争解决消息的三种情况采取不同的行为对策： UE正确解码了消息，并侦测到了自己的ID；UE回一个ACK确认消息；
UE正确解码了消息，并侦测到该消息携带的是其它UE的ID；
UE不回任何消息
UE无法解码消息，或者错过了DL授予；UE不回任何消息3.2没有竞争的随机接入过程
大多数应用场景能够容忍有竞争的随机接入过程固有的轻微时延，但是有些对时延要求特别苛刻的场景，比如切换或者下行链路流量的恢复，却希望尽量规避这种时延。

这是就需要为每个UE分配一个唯一的前缀标志，不会与其它UE产生竞争冲突。

于是接入流程就简化成图2，整个流程终止与接收到RAR消息。

图2 没有竞争的随机接入过程。