余 昊

（南京欣網(wǎng)通信科技股份有限公司，江蘇 南京 210019）

關(guān)于LTE隨機接入過程研究

余 昊

（南京欣網(wǎng)通信科技股份有限公司，江蘇 南京 210019）

LTE中規(guī)定了兩種隨機接入過程：同步隨機接入過程和非同步隨機接入過程。在開始非同步過程的隨機接入之前，L1需要先從高層獲得以下信息：隨機接入信道參數(shù)（PRACH的配置，頻率位置和Preamble格式）；以及用于確定根序列的參數(shù)、小區(qū)的Preamble循環(huán)移位的設(shè)置（根序列表的索引，循環(huán)移位Ncs和集合的類型（普通和高速的設(shè)置））。

LTE隨機接入；確定根序列的參數(shù)；循環(huán)移位的設(shè)置

1 物理層非同步隨機接入過程

從物理層的角度，L1的隨機接入過程僅包括Preamble的發(fā)送和隨機接入響應(yīng)，高層在共享信道上傳輸隨機接入相關(guān)消息不考慮為物理層隨機接入過程。一個隨機接入信道在頻域上占據(jù)6個RB塊的位置，時域上占有高層配置下來的預(yù)留給隨機接入Preamble的連續(xù)子幀。NodeB側(cè)可以調(diào)度為隨機接入Preamble預(yù)留的資源塊中的數(shù)據(jù)。

L1的隨機接入過程遵循以下步驟進行：L1的隨機接入過程通過高層請求啟動；Preamble的序號，Preamble的發(fā)送功率（PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER），相關(guān)的RNTI和PRACH的資源都在高層下發(fā)的請求中一起發(fā)給物理層；通過Preamble索引以及其他相關(guān)參數(shù)（循環(huán)移位等）在Preamble序列集合中選擇Preamble序列；在指定的PRACH資源上使用PREAMBLE_TRANSMISSION_ POWER作為初始發(fā)射功率進行單個的Preamble發(fā)送；如果沒有在PDCCH檢測到相關(guān)的RA-RNTI，則隨機接入過程結(jié)束；如果在PDCCH上檢測到RA-RNTI，則需在高層收到DL-SCH上的傳輸塊后結(jié)束隨機接入過程。

2 MAC隨機接入過程的描述

2.1 初始的隨機接入過程

下面所描述的隨機接入過程由MAC或者是高層觸發(fā)。在隨機接入過程開始之前，以下的參數(shù)假設(shè)UE已經(jīng)獲得：

可用的隨機接入Preamble資源配置和對應(yīng)的RARNTI；隨機接入Preamble的組和每組中可用的Preamble集合；選擇兩組Preamble集合中的其中一組的門限，可以用來捕獲TTI窗的參數(shù)。

功率爬升步長POWER_RAMP_STEP PREAMBLE_ TRANS_MAX；初始發(fā)射功率PREAMBLE_INITIAL_ POWER；[注意：以上參數(shù)在每次發(fā)起隨機接入過程前都需要進行更新]；隨機接入過程要按照下面描述進行：

設(shè)置PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER為1。

選擇隨機接入資源。

2.2 隨機接入資源選擇

隨機接入的Preamble可以來自其他層配置（從RRC或者是在L1/L2的控制信道[FFS]或者是MAC的一個控制PDU[FFS]）或者由MAC自己選擇。

如果隨機接入Preamble和PRACH資源由外部獲得則可以直接開始Preamble的傳輸。

如果隨機接入Preamble必須由MAC選擇，UE需要：

根據(jù)需要在UL上傳輸?shù)南⒌拇笮』蛘呱暾埖馁Y源塊的個數(shù)[這個選擇也要依靠無線資源的環(huán)境]，在RRC配置中選出一組或兩組隨機接入Preamble；

在選擇的Preamble組中，隨機選取一個接入的Preamble。隨機選取的條件必須滿足每次選擇是等概率的；

（TDD模式）如果在一個子幀中有超過一個的PRACH的資源可用，隨機選擇一個。隨機功能要保證每次選擇是等概率的；

開始Preamble的傳輸。

2.3 隨機接入Preamble的傳輸

隨機接入過程按照下面描述進行：

設(shè)置參數(shù)PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER to PREAMBLE_INITIAL_POWER+（PREAMBLE_ TRANSMISSION_COUNTER-1）* POWER_RAMP_ STEP。

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER小于最小發(fā)射功率，則設(shè)置其為最小發(fā)射功率；如果PREAMBLE_ TRANSMISSION_POWER大于最大發(fā)射功率，則設(shè)置其為最大發(fā)射功率；如果PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER=1，檢測下一次可用的隨機接入Preamble的位置。如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER>1，隨機接入的位置在后面的過程中檢測；指示物理層使用選擇的PRACH資源、響應(yīng)的RA-RNTI、Preamble索引和PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER啟動隨機接入過程。

2.4 隨機接入反饋接收

一旦隨機接入的Preamble發(fā)送之后，UE需要在TTI窗口范圍內(nèi)監(jiān)測[PDCCH]信道，窗口長度為[RA_WINDOW_ BEGIN—RA_WINDOW_END]，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過廣播信息發(fā)送到UE。UE在成功收到隨機接入響應(yīng)后可以停止對PDCCH的監(jiān)測。

如果已經(jīng)收到底層上報的隨機接入響應(yīng)，UE需要：

如果隨機接入響應(yīng)中包含了對應(yīng)于發(fā)送Preamble的指示：

UE需要：

（1）確認此次隨機接入響應(yīng)接收成功并給高層做出回應(yīng)；

（2）使用收到的定時調(diào)整（Timing Alignment）；（3）如果上行g(shù)rant收到，則傳輸UL grant的值；（4）如果UE沒有一個C-RNTI，臨時的C-RNTI需要根據(jù)隨機接入的響應(yīng)消息來設(shè)置；

如果在TTI窗口內(nèi)沒有收到隨機接入響應(yīng)，或者所有包含隨機接入Preamble指示的隨機接入反饋都與之前發(fā)的Preamble匹配不上，則隨機接入的反饋的接收失敗，UE需要：

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER小于PREAMBLE_TRANS_MAX，即Preamble的重傳次數(shù)小區(qū)沖傳得最大次數(shù)； PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER加一；當(dāng)一個新的隨機接入的傳輸需要嘗試時，完成參數(shù)計算；進行隨機接入資源的選擇。

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER等于PREAMBLE_TRANS_MAX：指示高層隨機接入失敗。

3 協(xié)議理解

3.1 Preamble序列生成分析

NodeB在檢測UE的Preamble時存在兩個要求：為了保證檢測出UE Preamble序列到達NodeB的時間并測出相對NodeB的時間偏差，Preamble需要有著非常好的自相關(guān)（ACF）特性；另一方面，為了在所有可選的Preamble序列中正確地識別出UE所用的序列，Preamble序列還需要有很好的互相關(guān)性質(zhì)。Zadoff-Chu序列正是具備這兩種條件。

為了區(qū)分在同一時刻進行隨機接入嘗試的兩個UE，UE需要在可用的序列組中隨機選取，在下一次隨機接入嘗試時，UE需要重新進行序列的選取。為了減小其他小區(qū)的干擾，相鄰的NodeB會分配不同的隨機接入序列組，每個組中包含64個可用的序列。

PRACH占用的帶寬為15 kHz×12×6＝1.08MHz，PRACH的子載波間隔為1.25 kHz（這里考慮Preamble格式0～3），則PRACH的子載波數(shù)為12×12×6＝864。但是從前面分析知道Preabmle長度為839，為什么不等于864？這是為了降低PRACH和PUSCH之間的干擾，預(yù)留了保護子載波。仿真結(jié)果表明，Preamble每個邊帶上增加12個1.25 kHz子載波的保護帶，最壞的情況下干擾抑制的增益也有0.5dB。

3.2 網(wǎng)絡(luò)為UE隨機接入過程分配的資源

首先，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會向覆蓋范圍內(nèi)的所有的UE廣播用于隨機接入的時頻資源。因此對于UE在開機接收完系統(tǒng)消息后，UE就已經(jīng)獲得了隨機接入的時頻信息。

在固定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實際網(wǎng)絡(luò)的上行時頻資源中用于隨機接入的時頻位置都是固定的，可能占用一個固定頻帶資源，也可能占用固定頻帶資源內(nèi)的固定的時頻塊，這與之前協(xié)議中提到的隨機接入格式有關(guān)，簡單示意如圖1所示。

圖1 隨機接入的時頻資源分布

3.3 Non-syc隨機接入過程的產(chǎn)生場景

在UE剛開機時、從IDLE向ACTIVE狀態(tài)遷移或者是發(fā)生重選等過程中，NodeB與UE之間未建立同步關(guān)系，在此過程中發(fā)起的隨機接入就為協(xié)議中描述的非同步的隨機接入過程。NodeB在檢測到UE的Preamble后會下發(fā)TA來調(diào)整UE的上行定時關(guān)系，自此上行進入同步狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 隨機接入的非同步和同步的兩個階段

4 隨機接入過程總結(jié)（見表1）

表1 隨機接入過程總結(jié)

續(xù)表1

在幾個待確認參數(shù)中，都與物理層最終配置Preamble序列的產(chǎn)生相關(guān)。 協(xié)議中沒有提到，而其他幾項是不確認在實際網(wǎng)絡(luò)中那些參數(shù)會由網(wǎng)絡(luò)測下發(fā)，那些參數(shù)需要物理層自身查表得到。而在物理層最終發(fā)射Preamble之前，最終需要確認u，Ncs和v即可。

目前隨機接入具體流程如下：

UE高層根據(jù)任務(wù)啟動隨機接入過程；

UE設(shè)置基本隨機接入?yún)?shù)：

重傳次數(shù)++；

UE發(fā)射功率設(shè)置:發(fā)射功率 = 初始發(fā)射功率+重傳次數(shù)*功率爬升步長；發(fā)射功率保證在最大最小發(fā)射功率之間；

由目前UE從網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲得的Preamble序列中隨機選擇一組，作為Preamble的生成序列；

UE完成物理層Preamble生成及基帶信號產(chǎn)生，過程主要根據(jù)211協(xié)議中的產(chǎn)生方法，利用相關(guān)參數(shù)首先產(chǎn)生Preamble序列，然后再根據(jù)基帶信號生成方式進行映射。網(wǎng)絡(luò)會通過廣播信道向所有UE發(fā)送用于隨機接入的時頻資源，UE在此時頻資源內(nèi)發(fā)送各自的Preamble信號。

UE在PDCCH上接收數(shù)據(jù)，接收窗口[RA_WINDOW_ BEGIN—RA_WINDOW_END]此期間收到的是網(wǎng)絡(luò)對UE Preamble發(fā)回的響應(yīng)，響應(yīng)中包含UE發(fā)送Preamble所用的序列的index和RA-RNTI。

U E沒有在規(guī)定時間窗內(nèi)收到網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，如果Preamble傳輸次數(shù)小于最大發(fā)送次數(shù)，則回到步驟2繼續(xù)重新發(fā)送Preamble，否則表示此次隨機接入過程失敗。

U E檢測到網(wǎng)絡(luò)側(cè)響應(yīng)后，使用網(wǎng)絡(luò)分配的R ARNTI向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起信令原語，如在初始接入時發(fā)送網(wǎng)側(cè)建鏈請求。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)進行沖突檢測，由于在相同的RA信道分配的RA-RNTI是相同的，可能會出現(xiàn)不同UE的隨機接入過程分配到相同的RA-RNTI情況。網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)此時成功收到的UE信息向所有正在監(jiān)聽RA-RNTI消息的UE發(fā)送沖突解決消息，只有成功被eNB解析出消息的UE繼續(xù)隨機接入過程，其他UE重新開始接入。

如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)側(cè)向UE發(fā)送信令消息的回復(fù)，對于初始接入過程，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會在此處分配UE C-RNTI，UE完成從Idle向Connect狀態(tài)的遷移。

圖3 隨機接入過程

5 結(jié)語

從物理層的角度來看，隨機接入過程只包括Preamble的發(fā)送和網(wǎng)絡(luò)反饋的接收。從UE整體考慮，隨機接入過程主要包括：隨機接入?yún)?shù)計算、隨機接入Preamble發(fā)送，隨機接入成功失敗處理等幾個主要部分。

隨機接入相關(guān)參數(shù)包含：初始發(fā)射功率、功率爬升參數(shù)、重傳次數(shù)、Preamble相關(guān)參數(shù)、最大最小發(fā)射功率等，這些參數(shù)都是通過廣播消息發(fā)給UE的。UE在每次發(fā)送Preamble之間，需要計算這些參數(shù)并進行配置。

Research on the LTE random access process

Yu Hao
（Nanjing Xin Network Communications Polytron Technology Inc., Nanjing 210019, China）

LTE provides two kinds of random access procedure: synchronous random access process and non synchronous random access process. Before starting asynchronous random access process, L1 must obtain the following information from the top: random access channel parameters (PRACH configuration, frequency position and Preamble format); and the parameters for determining root sequence the Preamble cell cycle shift set (root order list index, cyclic shift Ncs and setting the type (ordinary and high speed settings)).

LTE random access; determine parameters of the root sequence; setting of the cyclic shift

余昊（1986— ），女，安徽合肥，大專，助理工程師；研究方向：網(wǎng)絡(luò)通信LTE隨機接入。