LTE物理层介绍_随机接入
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a、用于竞争的随机接入的前导序列的数目个数为numberofRAPreambles,在SIB2系统消息中广播. b、用于竞争的随机前导序列, 又被分为GroupA和GroupB两组 . 其中GroupA的数目由参数preamblesGroupA来决定, 如果 GroupA的数目和用于竞争的随机前导序列的总数的数目相等, 就 意味着GroupB不存在. c、GroupA 和GroupB的主要区别在于将要在MSG3中传输的信 息的大小, 由参数messageSizeGroupA 表示。在GroupB存在的 情况下, 如果所要传输的信息的长度(加上MAC头部, MAC控制单 元等)大于 messageSizeGroupA,并且UE能够满足发射功率的条 件下, UE就会选择GroupB中的前导序列.
随机接入——接入触发
• 以下5种情况，UE会发起随机接入过程： ▫ UE处于RRC_IDLE状态，要做初始接入。 ▫ RRC连接重建过程。 ▫ 小区切换。 ▫ UE处于RRC_CONNECTED状态，下行数据到达要 求UE发起随机接入过程。 ▫ UE处于RRC_CONNECTED状态，上行数据到达要 求UE发起随机接入过程。
随机接入——竞争接入
3、在RAR消息中, 还可能存在一个backoff指示, 指 示了UE重传前导的等待时间范围. 如果UE在规定的 时间范围以内, 没有收到任何RAR消息, 或者RAR消 息中的前导序列索引与自己的不符, 则认为此次的 前导接入失败. UE 需要推迟一段时间, 才能进行下 一次的前导接入. 推迟的时间范围, 就由backoff indictor来指示, UE可以在0 到BackoffIndicator之 间随机取值. 这样的设计可以减少UE在相同时间再 次发送前导序列的几率.
随机接入——竞争接入
UE eNB
1
Random Access Preamble
Random Access Response
2
3
Scheduled Transmission
Contention Resolution
4
随机接入——竞争接入
• 步骤一：随机接入请求
1、每个小区有64个随机接入的前导序列, 分别被用于基于竞 争的随机接入 (如初始接入)和非竞争的随机接入(如切换时的 接入).
随机接入——非竞争接入
UE eNB
0
RA Preamble assignment
Random Access Preamble
1
2
Random Access Response
随机接入——非竞争接入
• 步骤一：前导分配 eNB通过专用信令给UE分配一个非竞争随机接入 前导，该前导有两种可能的分配形式：
随机接入——竞争接入
• 步骤三: RRC连接请求
1、UE接收到RAR消息, 获得上行的时间同步和上 行资源. 但此时并不能确定RAR消息是发送给UE自 己而不是发送给其他的UE的. 由于UE的前导序列是 从公共资源中随机选取的, 因此, 存在着不同的UE 在相同的时间-频率资源上发送相同的接入前导序 列的可能性, 这样, 他们就会通过相同的RA-RNTI接 收到同样的RAR. 而且, UE也无从知道是否有其他 的UE在使用相同的资源进行随机接入. 为此UE需要 通过随后的MSG3 和MSG4消息, 来解决这样的随机 接入冲突.
随机接入
葛午未
随机接入
随机接入
随机接入过程
随机接入——信道映射
• Msg1信道映射
随机接入——信道映射
• Msg2信道映射
随机接入——信道映射
• 发送Msg3时，如果 UE有C-RNTI则用 DCCH映射为 PUSCH，否则用 CCCH映射为 PUSCH。
随机接入——信道映射
• Msg4信道映射
随机接入——竞争接入
UE的路损> PCMAX – preambleInitialReceivedTargetPower – deltaPreambleMsg3 – messagePowerOffsetGroupB
2、所谓 UE满足发射功率指的是:
a、UE通过选择GroupA或者GroupB里面的前导序列, 可 以隐式地通知eNB其将要传输的MSG3 的大小. eNB可以据 此分配相应的上行资源, 从而避免了资源浪费. b、eNB 通过preambleinitialReceivedTargetPower通知 UE其所期待接收到的前导序列功率, UE 根据此目标值和 下行的路径损耗, 通过开环功控来设置初始的前导序列发 射功率. 下行的路径损耗, 可以通过RSRP (Reference Signal Received Power)的平均来得到. 这样 可以使得eNB接收到的前导序列功率与路径损耗基本无关, 从而利于eNB探测出在相同的时间-频率资源上发送的接入 前导序列.
随机接入——竞争接入
2、UE需要在PDCCH上使用RA-RNTI(Random Access RNTI)来监听RAR消息. RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id 其中，t_id是发送前导的PRACH的第一个subframe索 引号 (0 <= t_id < 10) f_id频域位置索引，(0 =< f-id <=6), 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. RA-RNTI与UE发送前导序列的时频位置一一对应. UE 和eNB可以分别计算出前导序列对应的RA-RNTI值 . UE监听PDCCH信道以RA-RNTI表征的RAR消息, 并 解码相应的PDSCH信道, 如果RAR中前导序列索引与 UE自己发送的前导序列相同, 那么UE就采用RAR中的 上行时间调整信息, 并启动相应的冲突调整过程.
1、切换模式：目标eNB生成切换命令并发给源eNB， 源eNB把该切换命令发给UE，该切换命令中含有非 竞争随机接入前导信息 2、下行数据到达触发模式：前导可由PDCCH直接 得到。
• 步骤二：接入请求 UE发送分配的非竞争随机接入前导。
随机接入——非竞争接入
• 步骤三：接入响应
1、切换模式：该响应至少包括定时信息和初始上行授权。 2、下行数据到达触发模式：该响应至少包含定时信息，但 是不一定需要上行授权，因为这种情况下的上行授权可能已 经从触发随机接入过程的下行数据得到。 3、除上述信息，接入响应消息还包括RAPID(RA-preamble identifier，6比特，取值范围是0~63)，用于指示特定的使用 该前导的UE；一条随机接入响应消息的DL-SCH可以承载一 个或多个UE的随机接入响应，如果是多个UE，那么多个UE 通过MAC子头中的RA-preamble identifier区分相应的MAC RAR。 4、随机接入响应消息不使用HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)。
随机接入——竞争接入
3、发送了接入前导序列以后, UE需要监听PDCCH信道, 是否存在ENODEB回复的RAR消息, (Random Access Response), RAR的时间窗是从UE发送了前导序列的子 帧 + 3个子帧开始, 长度为Ra-ResponseWindowSize个 子帧. 如果在此时间内没有接收到回复给自己的RAR, 就认为此次接入失败. 如果初始接入过程失败，但是还没有达到最大尝试 次数preambleTransMax，那么UE可以在上次发射功率 的基础上, 功率提升powerRampingStep, 来发送此次前 导, 从而提高发送成功的机率. 在LTE系统中, 由于随机 前导序列一般与其他的上行传输是正交的, 因此, 相对于 WCDMA系统, 初始前导序列的功率要求相对宽松一些, 初始前导序列成功的可能性也高一些.
如：UE上行失步 或 UE即使上行同步但是没有可用的PUCCH资源做 调度请求，那么UE会发起随机接入过程； 如：UE处于上行失步状态，DL数据到达要求UE发起随机接入过程， 并且会在DCI格式1a中携带相应的用于产生随机接入前导的参数和 时频资源分配信息；
Baidu Nhomakorabea
随机接入——接入类型
• 随机接入过程从大的方面可以分为两类：非竞争模式 和竞争模式；这5种情况均可进行基于竞争的随机接 入；仅有情况3和4可进行基于非竞争的随机接入，这 2种情况的随机接入是由eNB触发的，其他3种情况的 随机接入是由UE MAC直接触发的。 • 切换和下行数据到达都是通过PDCCH格式1a告知UE 需要的参数，如果当时没有可用的非竞争随机接入资 源，那么在相应的PDCCH格式1a信息中，preamble index会设为全零，这种情况下，随机接入过程虽然 是由PDCCH格式1a触发，但是UE执行竞争随机接入 过程。
随机接入——竞争接入
• 步骤二: 随机接入响应
1、当eNB检测到UE发送的前导序列，就会在DLSCH上发送一个响应，包含：检测到的前导序列的 索引号、用于上行同步的时间调整信息、初始的上 行资源分配(用于发送随后的MSG3), 以及一个临时 C-RNTI, 此临时的C-RNTI将在步骤四(冲突解决)中 决定是否转换为永久的C-RNTI.
随机接入——竞争接入
2、MSG3是第一条基于上行调度,通过HARQ (Hybrid Automatic Repeat request), 在PUSCH上传输的消息. 其最 大重传次数由maxHARQ-Msg3TX定义. 在初始的随机接入 中, MSG3中传输的是RRCConnectionRequest. 如果不同的 UE接收到相同的RAR消息, 那么他们就会获得相同的上行资 源, 同时发送Msg3消息, 为了区分不同的UE, 在MSG3中会携 带一个UE特定的ID, 用于区分不同的UE. 在初始接入的情况 下, 这个ID可以是UE的S-TMSI(如果存在的话)或者随机生成 的一个40 位的值(可以认为, 不同UE随机生成相同的40 位值 的可能性非常小). 3、UE在发完MSg3消息后就要立刻启动竞争消除定时器 mac-ContentionResolutionTimer（而随后每一次重传消息3 都要重启这个定时器）, UE需要在此时间内监听eNodeB返回 给自己的冲突解决消息。
随机接入——竞争接入
• 步骤四: 冲突解决
1、如果在mac-ContentionResolutionTimer时间内, UE 接收到eNodeB返回的ContentionResolution消息, 并且 其中携带的UE ID与自己在Msg3中上报给eB的相符,那 么UE就认为自己赢得了此次的随机接入冲突, 随机接入 成功. 并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI置为自己的 C-RNTI. 否则, UE认为此次接入失败, 并按照上面所述的规 则进行随机接入的重传过程. 2、值得注意的是, 冲突解决消息MSG4, 也是基于 HARQ的. 只有赢得冲突的UE才发送ACK值, 失去冲突 或无法解码Msg4 的UE不发送任何反馈消息.
随机接入——接入准备
• 发起随机接入前，UE需从SIB2中获取随机接入的初 始参数。
prach-Config { rootSequenceIndex 22,（逻辑根序列索引） prach-ConfigInfo { prach-ConfigIndex 5,（prach配置索引） highSpeedFlag FALSE,（高速标识） zeroCorrelationZoneConfig 1,（零相关配置） prach-FreqOffset 6（prach频域补偿） } }
rach-ConfigCommon { preambleInfo { numberOfRA-Preambles n32,竞争随机接入前导数目（在前导组A 或B中随机选） preamblesGroupAConfig { sizeOfRA-PreamblesGroupA n32,（前导组A的前导数目） messageSizeGroupA b144, （消息3大小的阈值） messagePowerOffsetGroupB dB0 （组B的功率补偿） } }, powerRampingParameters { powerRampingStep dB2,（功率爬坡步长） preambleInitialReceivedTargetPower dBm-100（初始到达功率） }, ra-SupervisionInfo { preambleTransMax n200,（重传次数） ra-ResponseWindowSize sf4,（窗长） mac-ContentionResolutionTimer sf56（竞争决议定时器） }, maxHARQ-Msg3Tx 1（消息3的重传次数） }
随机接入——接入触发
• 以下5种情况，UE会发起随机接入过程： ▫ UE处于RRC_IDLE状态，要做初始接入。 ▫ RRC连接重建过程。 ▫ 小区切换。 ▫ UE处于RRC_CONNECTED状态，下行数据到达要 求UE发起随机接入过程。 ▫ UE处于RRC_CONNECTED状态，上行数据到达要 求UE发起随机接入过程。
随机接入——竞争接入
3、在RAR消息中, 还可能存在一个backoff指示, 指 示了UE重传前导的等待时间范围. 如果UE在规定的 时间范围以内, 没有收到任何RAR消息, 或者RAR消 息中的前导序列索引与自己的不符, 则认为此次的 前导接入失败. UE 需要推迟一段时间, 才能进行下 一次的前导接入. 推迟的时间范围, 就由backoff indictor来指示, UE可以在0 到BackoffIndicator之 间随机取值. 这样的设计可以减少UE在相同时间再 次发送前导序列的几率.
随机接入——竞争接入
UE eNB
1
Random Access Preamble
Random Access Response
2
3
Scheduled Transmission
Contention Resolution
4
随机接入——竞争接入
• 步骤一：随机接入请求
1、每个小区有64个随机接入的前导序列, 分别被用于基于竞 争的随机接入 (如初始接入)和非竞争的随机接入(如切换时的 接入).
随机接入——非竞争接入
UE eNB
0
RA Preamble assignment
Random Access Preamble
1
2
Random Access Response
随机接入——非竞争接入
• 步骤一：前导分配 eNB通过专用信令给UE分配一个非竞争随机接入 前导，该前导有两种可能的分配形式：
随机接入——竞争接入
• 步骤三: RRC连接请求
1、UE接收到RAR消息, 获得上行的时间同步和上 行资源. 但此时并不能确定RAR消息是发送给UE自 己而不是发送给其他的UE的. 由于UE的前导序列是 从公共资源中随机选取的, 因此, 存在着不同的UE 在相同的时间-频率资源上发送相同的接入前导序 列的可能性, 这样, 他们就会通过相同的RA-RNTI接 收到同样的RAR. 而且, UE也无从知道是否有其他 的UE在使用相同的资源进行随机接入. 为此UE需要 通过随后的MSG3 和MSG4消息, 来解决这样的随机 接入冲突.
随机接入
葛午未
随机接入
随机接入
随机接入过程
随机接入——信道映射
• Msg1信道映射
随机接入——信道映射
• Msg2信道映射
随机接入——信道映射
• 发送Msg3时，如果 UE有C-RNTI则用 DCCH映射为 PUSCH，否则用 CCCH映射为 PUSCH。
随机接入——信道映射
• Msg4信道映射
随机接入——竞争接入
UE的路损> PCMAX – preambleInitialReceivedTargetPower – deltaPreambleMsg3 – messagePowerOffsetGroupB
2、所谓 UE满足发射功率指的是:
a、UE通过选择GroupA或者GroupB里面的前导序列, 可 以隐式地通知eNB其将要传输的MSG3 的大小. eNB可以据 此分配相应的上行资源, 从而避免了资源浪费. b、eNB 通过preambleinitialReceivedTargetPower通知 UE其所期待接收到的前导序列功率, UE 根据此目标值和 下行的路径损耗, 通过开环功控来设置初始的前导序列发 射功率. 下行的路径损耗, 可以通过RSRP (Reference Signal Received Power)的平均来得到. 这样 可以使得eNB接收到的前导序列功率与路径损耗基本无关, 从而利于eNB探测出在相同的时间-频率资源上发送的接入 前导序列.
随机接入——竞争接入
2、UE需要在PDCCH上使用RA-RNTI(Random Access RNTI)来监听RAR消息. RA-RNTI =1 + t_id + 10*f_id 其中，t_id是发送前导的PRACH的第一个subframe索 引号 (0 <= t_id < 10) f_id频域位置索引，(0 =< f-id <=6), 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. RA-RNTI与UE发送前导序列的时频位置一一对应. UE 和eNB可以分别计算出前导序列对应的RA-RNTI值 . UE监听PDCCH信道以RA-RNTI表征的RAR消息, 并 解码相应的PDSCH信道, 如果RAR中前导序列索引与 UE自己发送的前导序列相同, 那么UE就采用RAR中的 上行时间调整信息, 并启动相应的冲突调整过程.
1、切换模式：目标eNB生成切换命令并发给源eNB， 源eNB把该切换命令发给UE，该切换命令中含有非 竞争随机接入前导信息 2、下行数据到达触发模式：前导可由PDCCH直接 得到。
• 步骤二：接入请求 UE发送分配的非竞争随机接入前导。
随机接入——非竞争接入
• 步骤三：接入响应
1、切换模式：该响应至少包括定时信息和初始上行授权。 2、下行数据到达触发模式：该响应至少包含定时信息，但 是不一定需要上行授权，因为这种情况下的上行授权可能已 经从触发随机接入过程的下行数据得到。 3、除上述信息，接入响应消息还包括RAPID(RA-preamble identifier，6比特，取值范围是0~63)，用于指示特定的使用 该前导的UE；一条随机接入响应消息的DL-SCH可以承载一 个或多个UE的随机接入响应，如果是多个UE，那么多个UE 通过MAC子头中的RA-preamble identifier区分相应的MAC RAR。 4、随机接入响应消息不使用HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)。
随机接入——竞争接入
3、发送了接入前导序列以后, UE需要监听PDCCH信道, 是否存在ENODEB回复的RAR消息, (Random Access Response), RAR的时间窗是从UE发送了前导序列的子 帧 + 3个子帧开始, 长度为Ra-ResponseWindowSize个 子帧. 如果在此时间内没有接收到回复给自己的RAR, 就认为此次接入失败. 如果初始接入过程失败，但是还没有达到最大尝试 次数preambleTransMax，那么UE可以在上次发射功率 的基础上, 功率提升powerRampingStep, 来发送此次前 导, 从而提高发送成功的机率. 在LTE系统中, 由于随机 前导序列一般与其他的上行传输是正交的, 因此, 相对于 WCDMA系统, 初始前导序列的功率要求相对宽松一些, 初始前导序列成功的可能性也高一些.
如：UE上行失步 或 UE即使上行同步但是没有可用的PUCCH资源做 调度请求，那么UE会发起随机接入过程； 如：UE处于上行失步状态，DL数据到达要求UE发起随机接入过程， 并且会在DCI格式1a中携带相应的用于产生随机接入前导的参数和 时频资源分配信息；
Baidu Nhomakorabea
随机接入——接入类型
• 随机接入过程从大的方面可以分为两类：非竞争模式 和竞争模式；这5种情况均可进行基于竞争的随机接 入；仅有情况3和4可进行基于非竞争的随机接入，这 2种情况的随机接入是由eNB触发的，其他3种情况的 随机接入是由UE MAC直接触发的。 • 切换和下行数据到达都是通过PDCCH格式1a告知UE 需要的参数，如果当时没有可用的非竞争随机接入资 源，那么在相应的PDCCH格式1a信息中，preamble index会设为全零，这种情况下，随机接入过程虽然 是由PDCCH格式1a触发，但是UE执行竞争随机接入 过程。
随机接入——竞争接入
• 步骤二: 随机接入响应
1、当eNB检测到UE发送的前导序列，就会在DLSCH上发送一个响应，包含：检测到的前导序列的 索引号、用于上行同步的时间调整信息、初始的上 行资源分配(用于发送随后的MSG3), 以及一个临时 C-RNTI, 此临时的C-RNTI将在步骤四(冲突解决)中 决定是否转换为永久的C-RNTI.
随机接入——竞争接入
2、MSG3是第一条基于上行调度,通过HARQ (Hybrid Automatic Repeat request), 在PUSCH上传输的消息. 其最 大重传次数由maxHARQ-Msg3TX定义. 在初始的随机接入 中, MSG3中传输的是RRCConnectionRequest. 如果不同的 UE接收到相同的RAR消息, 那么他们就会获得相同的上行资 源, 同时发送Msg3消息, 为了区分不同的UE, 在MSG3中会携 带一个UE特定的ID, 用于区分不同的UE. 在初始接入的情况 下, 这个ID可以是UE的S-TMSI(如果存在的话)或者随机生成 的一个40 位的值(可以认为, 不同UE随机生成相同的40 位值 的可能性非常小). 3、UE在发完MSg3消息后就要立刻启动竞争消除定时器 mac-ContentionResolutionTimer（而随后每一次重传消息3 都要重启这个定时器）, UE需要在此时间内监听eNodeB返回 给自己的冲突解决消息。
随机接入——竞争接入
• 步骤四: 冲突解决
1、如果在mac-ContentionResolutionTimer时间内, UE 接收到eNodeB返回的ContentionResolution消息, 并且 其中携带的UE ID与自己在Msg3中上报给eB的相符,那 么UE就认为自己赢得了此次的随机接入冲突, 随机接入 成功. 并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI置为自己的 C-RNTI. 否则, UE认为此次接入失败, 并按照上面所述的规 则进行随机接入的重传过程. 2、值得注意的是, 冲突解决消息MSG4, 也是基于 HARQ的. 只有赢得冲突的UE才发送ACK值, 失去冲突 或无法解码Msg4 的UE不发送任何反馈消息.
随机接入——接入准备
• 发起随机接入前，UE需从SIB2中获取随机接入的初 始参数。
prach-Config { rootSequenceIndex 22,（逻辑根序列索引） prach-ConfigInfo { prach-ConfigIndex 5,（prach配置索引） highSpeedFlag FALSE,（高速标识） zeroCorrelationZoneConfig 1,（零相关配置） prach-FreqOffset 6（prach频域补偿） } }
rach-ConfigCommon { preambleInfo { numberOfRA-Preambles n32,竞争随机接入前导数目（在前导组A 或B中随机选） preamblesGroupAConfig { sizeOfRA-PreamblesGroupA n32,（前导组A的前导数目） messageSizeGroupA b144, （消息3大小的阈值） messagePowerOffsetGroupB dB0 （组B的功率补偿） } }, powerRampingParameters { powerRampingStep dB2,（功率爬坡步长） preambleInitialReceivedTargetPower dBm-100（初始到达功率） }, ra-SupervisionInfo { preambleTransMax n200,（重传次数） ra-ResponseWindowSize sf4,（窗长） mac-ContentionResolutionTimer sf56（竞争决议定时器） }, maxHARQ-Msg3Tx 1（消息3的重传次数） }