隨機(jī)接入過程

.PRACH

1.PRAC的類型

對于Preambleformat1和2,在時間上占用兩個完整的了幀；對于Preambleformat

3,在時間上占用三個完整的子幀。在頻

域上，Preambleformat03均占用一個

PRB即180KHz勺頻帶,區(qū)別是Preambleformat0~3的子載波間隔是1.25KHZ

并占用864個子載波，由于ZC序列的長度是839,因比Preambleformat0、3真正

占用中間的839個子載波傳輸Preamble,而剩余的25個子載波作為兩邊的保護(hù)帶

寬。

不同類型的Preamble有長度不一樣的CP和保護(hù)間隔，小區(qū)的覆蓋范圍和保護(hù)間隔GT有關(guān)，具

體可參考如下公式：

R=GT*C/2

其中，R為小區(qū)三徑、GT為保護(hù)間隔、C表示光速。至

于不同類型的Preamble

1ms可支持半徑約14km；

Preamble格式0:持續(xù)時間

2ms可支持半徑約77km；

Proamb1c格式1:持續(xù)時間

2nls可支持半徑約29km；

Preamble格式2:持續(xù)時間

3ms可支持半徑約107km;

Preamble格式3:持續(xù)時間

對應(yīng)的小區(qū)半徑可參考如下：

2.PRACI的時頻位置

首先給出PRACH的時域位置，協(xié)議中由參數(shù)prach-Configlnde給出，每個"ach-

Configindex給出了Preamble的類型、Systemframenumber(Even/Any)Suoframe

numbero具體如表2所示:

而對于PRACH的頻域位置，協(xié)議中由參數(shù)

nPRRABoflscl確定,它的取值范圍是

RAIL

◎

.-PRBoffset^RB.

表2:random

accessProjblSubframePre_<iblSubframe

eSystemeSystem

configuration

numberPRACHnumber

forpreamble

frame

formats03frame

FormatConfigurationFormat

PRACH

numbe

nu

Configurationmbe

Tndex

rr

Index

00Even1322Even1

10Even4332Even4

20Even7342Even7

30Any1352Any1

40Any4362Any4

50Any7372Any7

60Any1,6382Any1,6

70Any2,7392Any2,7

80Any3,8402Any3,8

90Any1,4,7412Any1,4,7

100Any2,5,8422Any2,5,8

110Any3,6,9432Any3,6,9

0,2,4,0,2,4,

120Any442Any

6,86,8

1,3,5,1,3,5,

130Any452Any

7,97,9

14Any46N/AN/AN/A

00,1,2,

3,4,5,

6,7,8,

150Even9472Even9

161Even1483Even1

171Even4493Even4

181Even7503Even7

191Any1513Any1

201Any4523Any4

211Any7533Any7

221Any1,6543Any1,6

231Any2,7553Any2,7

241Any3,8563Any3,8

251Any1,4,7573Any1,4,7

261Any2,5,8583Any2,5,8

271Any3,6,9593Any3,6,9

Any0,2,4,N/AN/AN/A

28160

6,8

29Any1,3,5,N/AN/AN/A

161

7,9

30N/AN/AN/A62N/AN/AN/A

311Even9633Even9

3.Prach在協(xié)議中的配置(331協(xié)議)

4.PRACHbasebandsignalgeneration

PRACH的時域波形通過下面的公式生成：

其中Xuv(n)是Preamble序列。而TheunrootZadoff-Chusequence被定義

為如下式：

如上所述，對于Preambleformat03的序列長度Nzc為839，而對于u的取值請參看

協(xié)議36.211的。

Xjv(n)實際上是通過X”n做循環(huán)移位生成的,

而C、的計算方式如下式：

vO.I...iOS0forunrestrictedsets

forunrestricted

CvONcs“

0,1,.seis

(vmodrC)N?/'RARAforrestrictedsets

,-4；，?一??一Rshift

從中可以看出，涉及到unrestrictedse和restrictedsets

High-Speed-flag確定的，而參數(shù)Ncs是由協(xié)議參數(shù)zeroCorrelationZoneConfig

和High-Speed-flag共同確定的，具體可參考協(xié)議。還有一些其它參數(shù)，按照下述的一些公

式計算：

當(dāng)NcsduNZC3,貝U：

5.當(dāng)NZC3du%吒>2,則:

6.Preambleresourcegroup

每個小區(qū)有64個可用的Preamble序列，UE會選擇其中一個在PRACHt傳輸。這些序列可以分成

兩部分，一部分用于基于競爭的隨機(jī)接入，另一部分用于基于非競爭的隨機(jī)接入。用于基于競爭

的隨機(jī)接入的Preamble又分為GroupA和GroupB,

這些都是由SIB2中的Rach-ConfigCommon中下發(fā)的。具體可參考圖1:

圖1:Preamble分類

分組GroupA和GroupB的原因是為了增加一定的先驗知識，從而方便ENB在RAR中給MSG分配適當(dāng)?shù)?/p>

上行資源。如果UE認(rèn)為自己的MSG3ize比較大(bigger大anthemessageSizeGroupA),并且路損小

于一門限,則UE選擇GroupB的Preamble，否則選擇GroupA的Preamble。

.隨機(jī)接入觸發(fā)的原因

1.觸發(fā)隨機(jī)接入的事件主要有如下6類：

2.初始建立無線連接。(即從RRC」DL態(tài)至URRC_CONNECTE或進(jìn)行attach)

3.RRC鏈接重建過程。(RRCCONNECTEDRe-establishmentprocedure)

4.3切換。（handover）注意：切換有可能是非競爭或者競爭隨機(jī)接入，要看

RRCReconfiguration消息里是否攜帶了Preambleindex和PrachMaskindex。

5.RRJCONNECT態(tài)時，上行不同步，此時下行數(shù)據(jù)到來。

RRCCONNECT態(tài)時，上行數(shù)據(jù)到達(dá)，但上行不同步或者在PUCC上沒有可用的SR資源。

RRC_CONNECT態(tài)時，需要timeadvanee。

隨機(jī)接入又分為基于競爭的和基于非競爭的，基于競爭的應(yīng)用于上述的前5類事件，而基于非競爭

的用于第3、4、6類事件。

三.隨機(jī)接入過程

首先給出基于競爭的隨機(jī)接入和非競爭隨機(jī)接入的基本流程，如下圖2圖3:

圖2:基于競爭隨機(jī)接入

圖3:基于非競爭的隨機(jī)接入

1.下面詳述隨機(jī)接入的過程：

UE發(fā)送Preamble,即MSG1

UE要發(fā)送Preamble,需要：1）選擇PreambleIndex;2）選擇用于發(fā)送Preamble的

Prach資源；3）確定RA-RNT1;4）確定目標(biāo)接收功率。

1）確定PreambleIndex

2)UE會根據(jù)Msg3size和路損綜合選擇用GroupA還是GroupB的Preambleindex,如果之

前發(fā)生過接入失敗，則再次接入時應(yīng)選擇和第一次發(fā)送的Preamble相同的Group。對于非

競爭接入，ENB通過RACH-ConfigDedicated中的raT'reamblelndex字段或者DC1format

1A的PDCC的PreambleIndex字段來設(shè)置UE所使用的Preamble。需要說明的是，在某

些基于非競爭的隨機(jī)接入中，如果ENB將PreambleIndex配置為0,貝UUE按照基于競爭

的隨機(jī)接入，自我選擇PreambleIndexo

3)PRAC資源選擇

首先，prach-Configlndcx確定了在一個無線幀內(nèi)，哪些個子幀可以用

于sendPrachc而prachMaskIndex指定了此UE具體用哪個資源，對于prach

MaskIndex可以參考表3:

表3:PrachMaskIndex

對于非競爭的隨機(jī)接入，ENB會通過RACH-ConfigDedicated中的

ra-Prach-Masklndex字段或者DCIformat1A的PDCCI的PrachMaskIndex字段

來設(shè)置UE的Maskindex,從而指名了UE使用哪些Prach資源。而對于非競爭隨機(jī)接

入如何選擇Prach的資源，協(xié)議中沒有明確指出。另外，還需要注意，如果非競爭的

隨機(jī)接入配置Maskindex為0,貝UUE可以任意選擇

Prach的時域資源。

物理層的Frachtiming的機(jī)制對于Prach時域資源的選擇也會有影響,

第一：如果UE在子幀n接收到RAR但是沒有一個響應(yīng)與其發(fā)送的

preamble對應(yīng)，則UE應(yīng)該在不遲于子幀n+5的時間內(nèi)重新發(fā)送Preambleo

第二：如果UE在時間窗內(nèi)沒有檢測到屬于自己的RAR則UE應(yīng)該在不

遲于子幀n+4的時間內(nèi)重新發(fā)送Preambleo

第三：如果隨機(jī)接入是由PDCC觸發(fā)的，則UE#在子幀n+k算起的第一個可用的

PRAC子幀發(fā)送Preamble,其中k>=2。

而在Mac層協(xié)議中，如果UE沒有收到RAR則會選擇一定的了?幀延遲發(fā)送新的Preamble,

這個是否和物力層協(xié)議中相矛盾呢？

此問題和朋朋交流后，認(rèn)為由高層觸發(fā)時，采用物理層的機(jī)制，而由MAC層觸發(fā)的時候采

用MAC勺機(jī)制。

3)確定RA-RNTI

RA-RNTI的計算方式如下式：

RA-RNTI=1+t_id+10*f_id

4)其中，t_id表示preamble發(fā)送的第一個子幀(0<=t_id<10),而f_id表示頻域位置

(f_id<6)對于FDD每個子幀只有一個頻域資源用來發(fā)送Preamble,因此f-id固定為

0°

5)Prach發(fā)射功率的確定

的最大發(fā)射功率，而則是UE通過小區(qū)參考信號測量出的路損，而

PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_R具體請參看36.321協(xié)議)表示ENB接

收Preamble時的期望到達(dá)功率。

2.UE接收RAR

UE發(fā)送Preamble之后，將在RAR的時間窗內(nèi)監(jiān)聽攜帶RA-RNT1的PDCCH以接

收自己的RAR如果在時間窗內(nèi)沒有檢測到屬于自己的RAR則認(rèn)為此次隨機(jī)接入失敗。RAM時間

窗起始于n+3子幀，并持續(xù)ra-ResponseWindo\vSize個子幀。具體如圖4：

圖4:RAF接收時間窗

那么RAR中會攜帶什么呢，下面結(jié)合RAR的結(jié)構(gòu)詳細(xì)說明,

如圖5,為MACRARPDU的完整結(jié)構(gòu):

圖5:MACRARPD結(jié)構(gòu)

從上圖可以看出，該MACPDU由一個MAC頭(MACheadcr)+。個或多個MACRAR

(MACRandomAccessRespons+可能存在的padding組成。

從MACPDU勺結(jié)構(gòu)可以看出，如果eNodeB同一時間內(nèi)檢測到來自多個UE的隨

機(jī)接入請求，則使用一個MACPD就可以對這些接入請求進(jìn)行響應(yīng)，每個隨機(jī)接入

請求的響應(yīng)對應(yīng)一個MACRAR

如果多個UE在同一PRAC資源（時頻位置相同，使用同一RA-RNT）發(fā)送preamble,

則對應(yīng)的RAF復(fù)用在同一MACPD中

MACPD在DL-SCH_L傳輸，并用以RA-RNTI加擾的FDCCH前面已經(jīng)介紹過，

使用相同時頻位置發(fā)送preamble的所有UE都監(jiān)聽相同的RA-RNT指示的PDCCH

MACheader由一個或多個MACsubheader組成。除了BackoffIndicatorsubheader、，

每個subheader對應(yīng)一個MACRAR如果包含BackoffIndicatorsubheader則該

subheader只出現(xiàn)一次，且位于MACheader的第一個subheader處。

BackoffIndicatorsubheader結(jié)構(gòu)如圖6:

圖6:BackoffIndicatorsubheader

BI（BackoffIndicator）指定了UE重發(fā)preamble前需要等待的時間范圍（取

值范圍見36.321的7.2節(jié)）。如果UE在RAR時間窗內(nèi)沒有接收到RAR或接收到的RAR中

沒有一個preamble與自己的相符合，則認(rèn)為此次RAR接收失敗。此時UE需要等待一段時

間后，再發(fā)起隨機(jī)接入。等待的時間為在0至BI指定的等待時間區(qū)間內(nèi)選取一個隨機(jī)值。

（注：如果在步驟四中，沖突解決失敗，也會有這樣的后退機(jī)制）

RARsubheader結(jié)構(gòu)如圖7:

圖7:RARsubheader

RAPID為RandomAccessPreambleIDentifier的

簡稱，為eNodeB在檢測preamble時得到的

preambleindex如果UE發(fā)現(xiàn)該值與自己發(fā)送

preamble時使用的索引相同，則認(rèn)為成功接收到對

應(yīng)的RAR。

圖8:RAR

TC-RNTI用于UE和eNodeB的后續(xù)傳輸。沖突解決后，該值可能變成C-RNIT。

11-bil的Timingadvancecomman用于指定UE上行同步所需要的時間調(diào)整量。

具體可以參考36.213協(xié)議。

20bitULgran指定了分配給msg3的上行資源。當(dāng)有上行數(shù)據(jù)傳輸時，例如需要解決沖突，

eNodeB在RAR中分配的grant不能小于56bi。Gant的結(jié)構(gòu)如圖9:

圖9:Grant結(jié)構(gòu)

UE隨機(jī)選擇一個preamble用于隨機(jī)接入，就可能導(dǎo)致多個UE同時選擇同一

PRACH資源的同一個preamble,從而導(dǎo)致沖突的出現(xiàn)（使用相同的RA-RNTI和preamble,

因此還不確定RAF是對哪個UE的響應(yīng)），這時需要一個沖突解決機(jī)制來解決這個問題。沖

突的存在也是RAR不使用HARQ勺原因之一。

如果UE使用專用的preamble用于隨機(jī)接入，則不會有沖突，也就不需要后續(xù)的沖突解決

處理，隨機(jī)接入過程也就到此結(jié)束了。（基于非競爭的隨機(jī)接入）

如果接入過程失?。丛赗AR窗內(nèi)沒有收到RAR或者有RAR但沒有屬于自己的RAR

PDU,UE需要將PREAMBLETRANSYISSIOCOUNTE加1（如果此時

PREAMBLE_TRANSMISS10N_COUNTER=preambleTransMax則通知上層隨機(jī)接入失

再發(fā)起隨林接入B好攣9屋1a編導(dǎo)劇例蝴蝌T諭帆。蜘便沒闡鋁券朦美佃豳V接人■后，

試次數(shù)preambleTransMax則UE將在上次發(fā)射功率的基礎(chǔ)上，提升功率

powerRampingStep來發(fā)送下次preamble,以提高發(fā)射成功的概率。

3.UE發(fā)送MSG3

基于非競爭的隨機(jī)接入，preamble是某個UE專用的，所以不存在沖突，又因為該UE已經(jīng)

擁有在接入小區(qū)內(nèi)的唯一標(biāo)志C-RNTI,所以也不需要eNodeB合它分配C-RNTI。因此，只有基于

競爭的隨機(jī)接入才需要步驟三和步驟四。

之所以稱為msg3而不是某一條具體消息的原因在于，根據(jù)UE狀態(tài)的不同和應(yīng)用場景的

不同，這條消息也可能不同，因此統(tǒng)稱為msg3即第3條消息。

如果UE在子幀n成功地接收了自己的RAR則UE應(yīng)該在n+k的第一個可用的上行子幀發(fā)送

msg3而對于FDD系統(tǒng)k為6。需要注意的是，在RAR中ULgrant包含Ibit的字段ULdelay,

如果delay為0,貝UUE會在n+k發(fā)送msg3如果為1,則UE會在n+k后的下一個子幀發(fā)送

msg3

msg3在UL-SCH上傳輸，使用HARQ且RAF中帶的ULgrant指定的用于msg3的TB大小至

少為80比特。

msg3中需要包含一個重要信息：每個UE唯一的標(biāo)志。該標(biāo)志將用于步驟四的沖突解決。

對于處于RRC_CONNEC態(tài)的UE來說，其唯一標(biāo)志是C-RNTLUE會通過C-RNTI

MACcontrolelement將自己的C-RNTI告訴eNodeBeNodeB在步驟四中使用這個C-RNTI來解

決沖突。C-RNTIMACcontrolelement如圖10:

圖10:C-RNTIMACcontrolelement

對于非RRC_CONNECT態(tài)的UE來說，將使用一個來自核心網(wǎng)的唯一的UE標(biāo)志

（S-TMSI或一個隨機(jī)數(shù)）作為其標(biāo)志。此時eNodeB需要先與核心、網(wǎng)通信，才能響應(yīng)

msg3。

對于msg能攜帶的消息主要有兩類，一類主要是UE要帶給ENB或者EPC端的一些信令，如

RRCConnectionRequesthandover相關(guān)等；另一類罡用于沖突解決的，比如處于連接態(tài)時需要

攜帶C-RNTI,而處于非連接態(tài)時需要攜帶S-TMSI或者一個由UE產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。注意：此時ENB

g用TC-RNT1加擾的PDCC調(diào)度UE

最后，需要注意的是，在MSG3階段，協(xié)議設(shè)計了一個定時器

Mac-ContentionRcsolutionTimcr,當(dāng)Mac-ContentionResolutionTimcr超時并且還沒有收到

MSG4寸，則認(rèn)為本次隨機(jī)接入失敗，并擇機(jī)重新發(fā)送Preamble,而當(dāng)MSG3出現(xiàn)HAR

（重傳時，此定時器需要復(fù)位并重啟。

最后再總結(jié)一下MSG3可能會攜帶的東西，主要包括：C-RNTIMACControlElementsBSKMAC

ControlElement、PHRMACControlElement、還有一些RRQ肖息等。

4沖突解決ENB發(fā)送MSG）

關(guān)于這個問題，我認(rèn)為只要關(guān)注如下：

如果在MSG中攜帶了UE的C-RNTI,此時UE只要檢測到了用C-RNTI加擾的PDCCH即可以認(rèn)

為沖突解決。

UE?Contention?Resolution?IdentityMACControlElement并且里面攜帶的信息

要和MSG3中的一下才可以認(rèn)為沖突解決，此時TC-RKTI升級為C-RNTIo

UE?Contention?Resolution?IdentityMACControlElement如圖11:

圖11:UE?Contention?Resolution?ldentityMACControlElement

如果沖突解決失敗，UE需要將PREAMBLE_TRANSMISSION_