基于TD-LTE UE侧随机接入过程的研究与分析∗

彭 迪 何 健

1 引言

随机接入是用户终端通过发送前导码序列和基站之间建立上行同步和无线链路的过程，只有在随机接入过程完成之后，终端和基站之间才能进行上下行数据的传输。目前，LTE技术一直处于高速发展的状态，并且智能手机已得到普遍的运用，用户对于LTE系统的容量、传输速率以及时延方面都有了更高的要求［1～3］。因此，高效快速的随机接入过程对于提高LTE的整体性能具有重要意义。

2 随机接入过程的分类和场景

2.1 随机接入过程及分类

终端UE通过小区搜索获取到基站的基本信息，随后通过随机接入过程，UE实现接入基站的功能，同时基站也获取到UE的必要信息。和UMTS随机接入过程不同，LTE的随机接入过程不仅完成UE信息的初始注册，同时还需要完成上行同步（Time Advanced，TA，时间提前量）与用户上行带宽资源的申请（UL_GRANT）的功能。

在LTE系统中，根据业务触发方式的不同，可以将随机接入分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入［4］。所谓“竞争”，是指可能存在这样一种情况，UE-1/2/3/4多个终端，使用相同的时频资源，向基站eNB发送了相同的前导码序列，希望得到基站的资源授权，但此时基站无法知道这个请求是哪个UE发出的，因此每个UE需要再发送一条具有身份标识的消息，基站收到这条消息后回传到UE，最终确认当前接入成功的UE。这种机制就是竞争解决机制［5］（Contention Resolution）。竞争型的随机接入通过四条消息完成：Msg1，UE向eNB发送随机前导码preamble；Msg2，eNB收到消息后向UE回复随机接入响应；Msg3，为解决竞争，UE向eNB发送竞争标识消息；Msg4，UE接收到竞争解决标识，完成随机接入过程。而非竞争随机接入是UE根据eNB的指示，在指定的PRACH物理信道，使用指定的前导码完成随机接入的过程。该过程已经处于同步状态，没有上行同步的目的，其主要目的是进行带宽资源的申请，因此只需要完成Msg1和Msg2两条消息的收发，即可完成随机接入过程。两种随机接入的流程及消息收发的物理信道如图1所示。

图1 两种随机接入流程框图

2.2 随机接入过程的场景

按照LTE协议的规定，发生竞争接入的具体场景［3］有：1）UE的初始接入；2）UE的重建；3）UE有上行数据发送，但检测到上行失步；4）UE有上行数据发送，但没有上行调度请求SR（Scheduling Request）资源。发生非竞争接入的场景较少，主要有：5）切换（Handover；6）eNB有下行数据发送，但检测到上行失步。在实际应用中，如果非竞争接入过程中，基站eNB没有获取到非竞争的资源，也会转换到竞争接入过程，此类转换在场景5）、6）中都存在一定的概率。随机接入的场景和分类如图2所示。

图2 随机接入的场景和分类

由于竞争型随机接入场景较多且具有普遍性，下面以UE侧为例，对基于TD-LTE竞争型随机接入过程进行分析。

3 基于竞争随机接入的实现过程

3.1 Msg1消息：前导码的选择与发送

3.1.1 UE如何选择前导码Preamble

1）前导码Preamble结构及格式

根据LTE协议规定，前导码Preamble由循环前缀 CP（Cyclic Prefix）、ZC 序列 Sequence［6］以及保护间隔GT组成。加CP前缀的作用主要是因为在UE初次接入或者上行失步时，直接传输前导码Se⁃quence会出现基站eNB上行接收窗错位，导致前导码Sequence内容接收不完整的情况，通过加CP前缀可以规避或减小该问题发生的概率。前导码Preamble结构如图3所示。

图3 前导码Preamble的结构

TD-LTE的前导码有5种格式，分别是Pream⁃ble Format 0/1/2/3/4，如图4所示。Format 4较特殊，本文不做讨论。

图4 前导码Preamble的格式

LTE以1ms为调度单位，每1ms的长度是30720Ts，前导码之所以设计成5种格式主要对应于不同的覆盖半径，而不同的GT保护时间决定了小区的最大覆盖半径，GT时间越长，小区的覆盖面积越大。UE具体选择哪一种前导码格式通过PRACH configuration Index参数决定，该参数来自于系统广播SIB2消息［7］，从TD_LTE协议可以得到该参数值与前导码格式的对应关系如图5所示。

图5 参数值PRACH configuration Index与前导码格式的对应关系

2）前导码Preamble的选择

在LTE中，每个小区固定有64组前导码，前导码序列Preamble Sequence需要选择冲突概率小，相关性较低的同步序列来做上行同步，ZC序列（Zadoff-Chu）满足这个需求，因此选择它作为前导码序列。

LTE协议中，将用于竞争随机接入的preamble序列分成2组GroupA和Group B，这样做的目的是因为eNB收到preamble之后，就必须提前为UE配置msg3的频域资源，并通过msg2 RAR消息下发给UE，但此时eNB并不知道后续UE发送MSG3数据的大小，通过分组eNB就能够根据收到的前导码类型提前知道该preamble所属的Group，从而了解Msg3的大致资源需求。

前导码相关参数从SIB2消息中获取：num⁃berOfRA-Preambles参数表示该小区竞争接入过程中可以使用前导码的总个数，范围是4～64。sizeO⁃fRA-PreamblesGroupA参数表示GroupA的前导码个数，范围是4～60。根据以上参数可以得到Grou⁃pA的前导码集合是［0，sizeOfRA-PreamblesGrou⁃pA-1］，GroupB是可选的，它的前导码范围是［sizeOfRA-PreamblesGroupA，numberOfRA-Pream⁃bles-1］。如果eNB配置的参数numberOfRA-Pre⁃ambles和sizeOfRA-PreamblesGroupA相同，那么该小区就不存在Group B，竞争接入的前导码全部属于GroupA。

值得注意的是，eNB在配置参数的时候，需要预留出非竞争接入的前导码集合，不应该全部配置给竞争前导码。以numberOfRA-Preambles=52为例，64组前导码分配如图6所示。

图6 64组前导码分配范围结构图

根据LTE协议规定，竞争随机接入的场景中，如果UE接入时要传输的Msg3消息值比较大，大于messageSizeGroupA 的值，同时路损 PATHLOSS［8］满足下式时，选择前导码组B；否则选择前导码组A。

其中，PCMAX表示UE配置的最大输出功率。messageSizeGroupA参数表示GroupA的数据大小 ，范 围 从 56bits～256bits。 preambleInitialRe⁃ceivedTargetPower表示初始发送功率，范围从-120dBm～-90dBm。。deltaPreambleMsg3参数值的范围是-1～+6，公式计算的时需要将该值*2［dB］。messagePowerOffsetGroupB参数是选择前导码的门限参数，单位是dB，以上参数除PCMAX由UE自行配置，其他参数均由SIB2消息下发。

UE侧会根据以上场景及规则，在64组前导码中选择一个preamble发送到基站eNB。

3.1.2 UE发送前导码的时频位置

UE发送前导码的时刻和位置由PRACH con⁃figuration Index参数和上下行子帧配置UL/DL con⁃figuration参数共同决定［9］。UL/DL configuration参数来自于系统广播消息SIB1，PRACH configuration Index参数上文已提到，由SIB2消息配置下发，图7为LTE部分协议的截图，该图给出了前导码的位置与 PRACH configuration Index和 UL/DL configura⁃tion两个参数之间的关系。

图7 前导码的位置与PRACH configuration Index和UL/DL configuration两个参数关系图

从图7中可以看到，根据PRACH configuration Index和UL/DL configuration参数，可以获取一个或多 个 四 元 素 数 组［10～11］，分 别 对 应 参 数。 fRA是一个频率位置系数，用于计算PRACH频域占用RB的起始位置表示PRACH无线帧的位置，0表示在所有的无线帧中，1表示在偶数无线帧，2表示在奇数无线帧。表示PRACH无线帧内前后半帧的位置，0表示PRACH位于前半帧，1表示位于后半帧。表示前导码开始的上行子帧号。以UL/DL configu⁃ration等于1为例，即2号子帧和7号子帧值为0，3号子帧和8号子帧值为1，4号子帧和9号子帧值为2。

由以上四元组的信息，就可以知道前导码在PRACH信道的时频位置。由于PRACH固定占用6个RB，根据 fRA参数计算出nRAPRB，可以得知PRACH在频域上的位置这三个参数，UE就可以知道在哪个子帧发送PRACH，基站也会去对应的子帧上盲检PRACH信息。我们从图7可以发现，四元组会有多组的情况，此时基站则需要对每个有可能的位置进行盲检。

计算Preamble Format 0/1/2/3在PRACH信道频域上起始位置的公式如下式所示：

值得注意的是，PRACH信道每个子载波占1.25K带宽，因此1.08MHZ的带宽总共占有864个子载波。当UE选择了一个确定的前导码ZC序列后（前导码格式0-3），将映射到频域中的839个子载波中，其中两边的25个子载波用于保护频带。如图8所示。

图8 前导码的频域位置图

3.2 Msg2消息：随机接入响应RAR

3.2.1 UE如何接收RAR消息

UE发送了前导码之后，将在RAR时间窗（RA Response window）内监听PDCCH，准备接收对应RA-RNTI的RAR消息，RAR时间窗通过系统广播Sib2消息的ra-ResponseWindowSize来设置，监听范围是2ms～10ms。需要注意的是，根据LTE协议的规定，UE在发送前导码之后并不是马上开始监听，而是等待三个子帧之后才开始监听RAR消息，如图9所示。

图9 接收RAR消息时序图

RAR消息通过RA-RNTI加扰，UE需要通过RA-RNTI来解RAR消息。LTE协议规定RA-RN⁃TI的计算公式为

其中，t_id表示发送前导码起始位置的子帧号（范围是0～9），f_id表示四元素组中的 值（范围是0～5），UE侧在发送Msg1消息时这两个参数已经确定，因此RA-RNTI也已确定。

如果UE在RAR时间窗没有监听到RAR消息，则认为本次RAR消息接收失败，UE将本地维护的变量PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1，如果该值小于preambleTransMax，则发送相同的preamble并进行下一次监测，否则停止监测，重新执行一次随机接入过程。preambleTransMax由Sib2消息下发，范围3～200次。

值得注意的是，UE并不会马上进行下一次随机接入过程，而是会等待一段时间，这个时间是在0到backoff参数之间随机选择一个值，作为当前失败时刻到下一次发送Preamble时刻的时延。Back⁃off值通过mac层解析获取，后文会提到。

3.2.2 UE如何解析RAR消息

根据LTEMAC协议，RAR消息的MACPDU由MACheader、1个或多个RAR单元和可能存在的填充padding组成。MAC头包含1个或多个MAC子头，子头类型主要是 BI（Backoff Indicator）和 RAP⁃ID。如果子头包含BI，这个子头只能放在第一个子头位置并且只能有一个BI子头，其他没有包括BI的子头均对应一个RAR单元。MACRAR结构如图10所示。

图10 MACRAR结构图

RAR控制单元的格式如图11所示。每个RAR单元的长度为6个字节。各字段的含义为

Timing Advance Command：时间提前命令，占11个bit位，告知UE进行上行同步的TA值。TA是UE级的配置，每个UE的TA值都是不同的。在随机接入过程中，eNB通过测量接收到的preamble来估计TA值，并通过RAR消息给UE下发TA值。TA值乘以16 Ts，就得到相对于当前上行TA所需的实际调整值。

UL Grant：上行授权，占20个bit位。指示UE用于上行传输Msg3的资源，包括时频位置、功控等参数。

Temporary C-RNTI：临时 C-RNTI，占 16 个 bit位。Msg3/Msg4消息使用该值进行加扰。

其中，UL Grant参照LTE 协议［12］，各字段如图11所示。

图11 RAR消息内容图

Hopping flag指示PUSCH是否执行跳频；

Fixed size resource block assignment，指 示MSG3的RB资源分配，即RIV参数，UE可根据RIV值计算出Msg3消息对应的频域资源；

Truncated modulation and coding scheme，对应传输Msg3使用的MCS值；

TPC command for scheduled PUSCH指示PUSCH的TPC功控参数；

UL delay指示MSG3使用哪个时刻的PUSCH资源。如果UL_delay=0，Msg3将在RAR消息后的第一个上行子帧发送；如果UL_delay=1，Msg3将在RAR消息后的第二个上行子帧发送，并且第一个上行子帧和RAR消息的下行子帧之间要满足大于或等于6个子帧的时间间隔。

CQIrequest指示UE是否上报CQI。

3.3 Msg3消息：竞争产生

3.3.1 UE如何发送Msg3消息

基于竞争型的随机接入，UE在发送MSG3时，如果在相同的时频位置发送相同的前导码，就会产生冲突。因此，所有的UE都要竞争接入。最终eNB会解出某个UE发送的Msg3消息，再通过Msg4的竞争消除消息，就可以让这个UE成功接入。

Msg3通过携带RRC建链消息RRC Connec⁃tion Request［13］或者 通过携带 RRC 重建消息 RRC Connection Reestablishment Request向基站eNB发送竞争解决标识CR（Contention Resolution Identi⁃ty），MAC层通过UL CCCH SDU存储该信息。

Msg3在PUSCH信道上传输，并通过临时C-RNTI加扰。其上行时频资源通过Msg2 RAR消息UL GRANT来配置。Msg3消息支持HARQ过程，其最大重传次数maxHARQ-Msg3Tx由Sib2消息指定，范围是1～8次。

3.3.2 Msg3消息的结构及内容

MAC PDU格式解析分三种：透传MAC、RAR以及普通MACPDU格式。Msg3消息属于普通的MACPDU格式。该类MACPDU结构包括含四个部分：MAC子头（大小可变））、MACSDU（数据部分，大小可变）、MACCE（控制部分，大小固定）或padding（填充信息，可选项）。一个MAC头包含一个或多个MAC子头，每个子头对应MAC SDU或MACCE或padding类型，如图12所示。

图12 普通MACPDU结构图

Msg3 MACPDU的内容主要在UL CCCH上传输，CCCH LCDID索引值为00000，如图13所示。

图13 Msg3 MACPDU内容图

3.4 Msg4消息：竞争解决

3.4.1 UE如何接收Msg4消息

eNB成功收到UE的Msg3消息之后，会发送带有该UE竞争解决标识CR的Msg4消息，UE接收到Msg4消息之后只要比较该CR与本地保存的CR值是否相同，如果相同则表示接入成功，随机接入过程结束。

UE通过PUSCH发送了Msg3消息之后，将在竞争消除时间窗（Contention Resolution window）内监听PDCCH，准备接收临时C-RNTI加扰的Msg4消息，竞争消除时间窗通过系统广播消息Sib2下发的mac-ContentionResolutionTimer来设置，监听范围是8～64ms。如果Msg4 MAC PDU解码成功，则停止竞争消除时间窗；如果MAC PDU包含UE的CR信息，并且该CRID跟上行发送的MSG3消息的CR ID匹配，则认为竞争消除成功，把临时C-RNTI设置为C-RNTI，同时丢弃临时C-RNTI，然后确认随机接入成功；否则，丢弃临时C-RNTI，UE会认为随机接入失败并丢弃这个MACPDU；如果竞争消除定时器超时，则认为接入失败。

3.4.2 Msg4消息的结构及内容

MSG4的MACPDU也是按照普通MACPDU格式进行解析的，结构如图12所示。竞争解决标识CR的LCDID索引值为11100，如图14所示。

图14 Msg4 MACPDU内容图

4 结语

本文详细分析了TD-LTE系统中基于竞争随机接入过程的基本原理。参照TD-LTE的相关协议，从UE侧的角度出发，着重分析和梳理了随机接入过程中物理层以及高层协议栈的关键技术点和实现细节。通过本文将会对TD-LTE随机接入过程有一个全面的认识和理解，对UE侧随机接入过程的具体实现也有很大的参考意义。

［1］胡乐明.LTE的商用化发展和主要挑战［J］.广东通信技术，2013（1）：2-5.

［2］胡海宁，林奇兵.下一代无线网络LTE介绍［J］.电信网技术，2006，7（7）：49-51.

［3］Kishiyama Y，Benjebbour A，Ishii H，et al.Evolution con⁃cept and candidate technologies for future steps of LTE-A［C］//Communication Systems（ICCS），2012 IEEEInterna⁃tional Conference on.IEEE，2012：473-477.

［4］候清莲.3GLTE中随机接入过程分析与仿真［J］.中国新通信，2009（9）：35-39.

［5］贾铃彭.TD-LTE基站侧随机接入技术研究［D］.成都：电子科技大学2010：13-15.

［6］ Mansour M M.Optimized architecture for computing Zadoff-Chu sequences with application to LTE［C］//Glob⁃al Telecommunications Conference，2009.GLOBECOM 2009.IEEEIEEE，2009：1-6.

［7］3GPP TS 36.331 V14.2.2，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Radio Resource Control（RRC） protocol specification（Release 14）［S］.2017：319-323.

［8］3GPP TS 36.321 V14.2.1，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Medium Access Control（MAC） protocol specification（Release 14）［S］.2017：21-23.

［9］陈建龙.基于GPP的LTE PRACH发送与接收的设计与实现［D］.北京：北京邮电大学 2013：22-25.

［10］3GPP TS 36.211 V14.2.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical channels and modu⁃lation（Release14）［S］.2017：62-66.

［11］3GPP TS 36.212 V14.2.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Multiplexing and channel coding（Release 14）［S］.2017：23-24.

［12］3GPPTS 36.213 V14.2.0，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）；Physical layer procedures（Release 14）［S］.2017：52-55.

［13］孙达，芮鹤龄，陈霞等.TD-LTE系统信令流程参数解读［M］.北京：人民邮电出版社2012：170-176.