关于LTE随机接入过程研究

余 昊

（南京欣网通信科技股份有限公司，江苏 南京 210019）

关于LTE随机接入过程研究

余 昊

（南京欣网通信科技股份有限公司，江苏 南京 210019）

LTE中规定了两种随机接入过程：同步随机接入过程和非同步随机接入过程。在开始非同步过程的随机接入之前，L1需要先从高层获得以下信息：随机接入信道参数（PRACH的配置，频率位置和Preamble格式）；以及用于确定根序列的参数、小区的Preamble循环移位的设置（根序列表的索引，循环移位Ncs和集合的类型（普通和高速的设置））。

LTE随机接入；确定根序列的参数；循环移位的设置

1 物理层非同步随机接入过程

从物理层的角度，L1的随机接入过程仅包括Preamble的发送和随机接入响应，高层在共享信道上传输随机接入相关消息不考虑为物理层随机接入过程。一个随机接入信道在频域上占据6个RB块的位置，时域上占有高层配置下来的预留给随机接入Preamble的连续子帧。NodeB侧可以调度为随机接入Preamble预留的资源块中的数据。

L1的随机接入过程遵循以下步骤进行：L1的随机接入过程通过高层请求启动；Preamble的序号，Preamble的发送功率（PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER），相关的RNTI和PRACH的资源都在高层下发的请求中一起发给物理层；通过Preamble索引以及其他相关参数（循环移位等）在Preamble序列集合中选择Preamble序列；在指定的PRACH资源上使用PREAMBLE_TRANSMISSION_ POWER作为初始发射功率进行单个的Preamble发送；如果没有在PDCCH检测到相关的RA-RNTI，则随机接入过程结束；如果在PDCCH上检测到RA-RNTI，则需在高层收到DL-SCH上的传输块后结束随机接入过程。

2 MAC随机接入过程的描述

2.1 初始的随机接入过程

下面所描述的随机接入过程由MAC或者是高层触发。在随机接入过程开始之前，以下的参数假设UE已经获得：

可用的随机接入Preamble资源配置和对应的RARNTI；随机接入Preamble的组和每组中可用的Preamble集合；选择两组Preamble集合中的其中一组的门限，可以用来捕获TTI窗的参数。

功率爬升步长POWER_RAMP_STEP PREAMBLE_ TRANS_MAX；初始发射功率PREAMBLE_INITIAL_ POWER；[注意：以上参数在每次发起随机接入过程前都需要进行更新]；随机接入过程要按照下面描述进行：

设置PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER为1。

选择随机接入资源。

2.2 随机接入资源选择

随机接入的Preamble可以来自其他层配置（从RRC或者是在L1/L2的控制信道[FFS]或者是MAC的一个控制PDU[FFS]）或者由MAC自己选择。

如果随机接入Preamble和PRACH资源由外部获得则可以直接开始Preamble的传输。

如果随机接入Preamble必须由MAC选择，UE需要：

根据需要在UL上传输的消息的大小或者申请的资源块的个数[这个选择也要依靠无线资源的环境]，在RRC配置中选出一组或两组随机接入Preamble；

在选择的Preamble组中，随机选取一个接入的Preamble。随机选取的条件必须满足每次选择是等概率的；

（TDD模式）如果在一个子帧中有超过一个的PRACH的资源可用，随机选择一个。随机功能要保证每次选择是等概率的；

开始Preamble的传输。

2.3 随机接入Preamble的传输

随机接入过程按照下面描述进行：

设置参数PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER to PREAMBLE_INITIAL_POWER+（PREAMBLE_ TRANSMISSION_COUNTER-1）* POWER_RAMP_ STEP。

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER小于最小发射功率，则设置其为最小发射功率；如果PREAMBLE_ TRANSMISSION_POWER大于最大发射功率，则设置其为最大发射功率；如果PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER=1，检测下一次可用的随机接入Preamble的位置。如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER>1，随机接入的位置在后面的过程中检测；指示物理层使用选择的PRACH资源、响应的RA-RNTI、Preamble索引和PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER启动随机接入过程。

2.4 随机接入反馈接收

一旦随机接入的Preamble发送之后，UE需要在TTI窗口范围内监测[PDCCH]信道，窗口长度为[RA_WINDOW_ BEGIN—RA_WINDOW_END]，由网络侧通过广播信息发送到UE。UE在成功收到随机接入响应后可以停止对PDCCH的监测。

如果已经收到底层上报的随机接入响应，UE需要：

如果随机接入响应中包含了对应于发送Preamble的指示：

UE需要：

（1）确认此次随机接入响应接收成功并给高层做出回应；

（2）使用收到的定时调整（Timing Alignment）；（3）如果上行grant收到，则传输UL grant的值；（4）如果UE没有一个C-RNTI，临时的C-RNTI需要根据随机接入的响应消息来设置；

如果在TTI窗口内没有收到随机接入响应，或者所有包含随机接入Preamble指示的随机接入反馈都与之前发的Preamble匹配不上，则随机接入的反馈的接收失败，UE需要：

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER小于PREAMBLE_TRANS_MAX，即Preamble的重传次数小区冲传得最大次数； PREAMBLE_TRANSMISSION_ COUNTER加一；当一个新的随机接入的传输需要尝试时，完成参数计算；进行随机接入资源的选择。

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER等于PREAMBLE_TRANS_MAX：指示高层随机接入失败。

3 协议理解

3.1 Preamble序列生成分析

NodeB在检测UE的Preamble时存在两个要求：为了保证检测出UE Preamble序列到达NodeB的时间并测出相对NodeB的时间偏差，Preamble需要有着非常好的自相关（ACF）特性；另一方面，为了在所有可选的Preamble序列中正确地识别出UE所用的序列，Preamble序列还需要有很好的互相关性质。Zadoff-Chu序列正是具备这两种条件。

为了区分在同一时刻进行随机接入尝试的两个UE，UE需要在可用的序列组中随机选取，在下一次随机接入尝试时，UE需要重新进行序列的选取。为了减小其他小区的干扰，相邻的NodeB会分配不同的随机接入序列组，每个组中包含64个可用的序列。

PRACH占用的带宽为15 kHz×12×6＝1.08MHz，PRACH的子载波间隔为1.25 kHz（这里考虑Preamble格式0～3），则PRACH的子载波数为12×12×6＝864。但是从前面分析知道Preabmle长度为839，为什么不等于864？这是为了降低PRACH和PUSCH之间的干扰，预留了保护子载波。仿真结果表明，Preamble每个边带上增加12个1.25 kHz子载波的保护带，最坏的情况下干扰抑制的增益也有0.5dB。

3.2 网络为UE随机接入过程分配的资源

首先，网络侧会向覆盖范围内的所有的UE广播用于随机接入的时频资源。因此对于UE在开机接收完系统消息后，UE就已经获得了随机接入的时频信息。

在固定的网络环境下，实际网络的上行时频资源中用于随机接入的时频位置都是固定的，可能占用一个固定频带资源，也可能占用固定频带资源内的固定的时频块，这与之前协议中提到的随机接入格式有关，简单示意如图1所示。

图1 随机接入的时频资源分布

3.3 Non-syc随机接入过程的产生场景

在UE刚开机时、从IDLE向ACTIVE状态迁移或者是发生重选等过程中，NodeB与UE之间未建立同步关系，在此过程中发起的随机接入就为协议中描述的非同步的随机接入过程。NodeB在检测到UE的Preamble后会下发TA来调整UE的上行定时关系，自此上行进入同步状态，如图2所示。

图2 随机接入的非同步和同步的两个阶段

4 随机接入过程总结（见表1）

表1 随机接入过程总结

续表1

在几个待确认参数中，都与物理层最终配置Preamble序列的产生相关。 协议中没有提到，而其他几项是不确认在实际网络中那些参数会由网络测下发，那些参数需要物理层自身查表得到。而在物理层最终发射Preamble之前，最终需要确认u，Ncs和v即可。

目前随机接入具体流程如下：

UE高层根据任务启动随机接入过程；

UE设置基本随机接入参数：

重传次数++；

UE发射功率设置:发射功率 = 初始发射功率+重传次数*功率爬升步长；发射功率保证在最大最小发射功率之间；

由目前UE从网络侧获得的Preamble序列中随机选择一组，作为Preamble的生成序列；

UE完成物理层Preamble生成及基带信号产生，过程主要根据211协议中的产生方法，利用相关参数首先产生Preamble序列，然后再根据基带信号生成方式进行映射。网络会通过广播信道向所有UE发送用于随机接入的时频资源，UE在此时频资源内发送各自的Preamble信号。

UE在PDCCH上接收数据，接收窗口[RA_WINDOW_ BEGIN—RA_WINDOW_END]此期间收到的是网络对UE Preamble发回的响应，响应中包含UE发送Preamble所用的序列的index和RA-RNTI。

U E没有在规定时间窗内收到网络的响应，如果Preamble传输次数小于最大发送次数，则回到步骤2继续重新发送Preamble，否则表示此次随机接入过程失败。

U E检测到网络侧响应后，使用网络分配的R ARNTI向网络侧发起信令原语，如在初始接入时发送网侧建链请求。

网络侧进行冲突检测，由于在相同的RA信道分配的RA-RNTI是相同的，可能会出现不同UE的随机接入过程分配到相同的RA-RNTI情况。网络侧根据此时成功收到的UE信息向所有正在监听RA-RNTI消息的UE发送冲突解决消息，只有成功被eNB解析出消息的UE继续随机接入过程，其他UE重新开始接入。

如图3所示，网络侧向UE发送信令消息的回复，对于初始接入过程，网络侧会在此处分配UE C-RNTI，UE完成从Idle向Connect状态的迁移。

图3 随机接入过程

5 结语

从物理层的角度来看，随机接入过程只包括Preamble的发送和网络反馈的接收。从UE整体考虑，随机接入过程主要包括：随机接入参数计算、随机接入Preamble发送，随机接入成功失败处理等几个主要部分。

随机接入相关参数包含：初始发射功率、功率爬升参数、重传次数、Preamble相关参数、最大最小发射功率等，这些参数都是通过广播消息发给UE的。UE在每次发送Preamble之间，需要计算这些参数并进行配置。

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，大专，助理工程师；研究方向：网络通信LTE随机接入。