LTE-TDD随机接入过程（1）-目的和分类

1.随机接入的目的

随机接入是UE和网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，eNB和UE之间才能正常进行数据互操作（Normal DL/UL transmission can take place after the random access procedure）。UE可以通过随机接入实现两个基本的功能：

（1）取得与eNB之间的上行同步（TA）。一旦上行失步，UE只能在PRACH中传输数据。（as long as the L1 is non-synchronised, uplink transmission can only take place on PRACH.）

（2）申请上行资源（UL_GRANT）。

2.随机接入的种类

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（Contention based random access procedure）和基于非竞争的随机接入（Non-Contention based random access procedure）。所谓“竞争”，就是说可能存在这么一种情况，UE-A/B/C/D多个终端，在同个子帧、使用同样的PRACH资源，向eNB发送了同样的前导码序列，希望得到eNB的资源授权，但此时eNB无法知道这个请求是哪个UE发出的，因此后续各UE需要通过发送一条只与自己本UE相关的、独一无二的消息（MSG3），以及eNB收到这条消息后的回传（MSG4）到UE，来确认当前接入成功的UE是哪一个。这种机制就是竞争解决机制。类似GSM系统的SABM/UA帧的握手机制。

2.1.竞争随机接入的场景

当eNB不知道UE的业务或者状态，而UE又必须申请上行资源或上行TA同步的时候，UE就需要发起竞争随机接入。这种情况下，eNB没有为UE分配专用的Preamble码，而是由UE在指定范围内（以后博文会具体介绍这个范围）随机选择Preamble码并发起随机接入过程。发生竞争接入的具体场景有（36300-10.1.5）：

（1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此时RRC层的状态为RRC_IDLE，UE需要CONNECTION REQUEST，而eNB无法知道，因此需要UE执行竞争接入过程。

（2）UE的重建（RRC Connection Re-establishment procedure）。重建的原因有多种，比如UE侧的RLC上行重传达到最大次数，就会触发重建，此时eNB也不知道UE的重建状态，也需要UE执行竞争接入过程。

（3）UE有上行数据发送，但检测到上行失步（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is "non-synchronised"）。这个情况与初始接入类似，eNB无法知道UE什么时候有上行业务要做，因此需要UE执行竞争接入过程。

（4）UE有上行数据发送，但没有SR资源（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when there are no PUCCH resources for SR available"）。一般的，如果没有UL_GRANT用于发送BSR，UE会通过SR发送上行资源申请，但如果也没有SR资源，则只能通过竞争接入过程申请UL_GRANT。此时，eNB显然也不知道UE是否有上行数据发送。

（5）如果非竞争接入过程中，eNB发现没有了非竞争资源，此时也会转到竞争接入过程（定位过程除外）。（非竞争接入过程的具体定义和消息交互过程见后文描述）包括：

（5.1）切换（Handover）。切换是由eNB侧发起的，因此优先执行非竞争接入过程。

（5.2）eNB有下行数据发送，但检测到上行失步（DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is “non-synchronised”）。eNB侧可以由MAC和RRC配合处理，优先执行非竞争接入过程。

（5.3）RRC连接态下需要执行定位过程但UE此时并没有TA（For positioning purpose during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when timing advance is needed for UE positioning）。本过程只能进行非竞争接入。

2.2.非竞争随机接入的场景

非竞争随机接入是UE根据eNB的指示，在指定的PRACH信道资源上使用指定的Preamble码发起的随机接入，适用于

（1）切换（Handover）。

（2）eNB有下行数据发送，但检测到上行失步（DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is “non-synchronised”）。

（3）定位过程。

等场景。

3.竞争随机接入的主要流程

本文仅描述主要流程，一些细节内容以后会分不同的主题再描述。

下图是36300给出的竞争随机接入的四步过程，包括Random Access Preamble （MSG1）和Random Access Response（MSG2）、Scheduled Transmission（MSG3）和Contention Resolution（MSG4）。

A.UE向eNB发送前导码(Random Access Preamble on RACH in uplink)。

随机接入前导序列码集合是由物理层生成的最大数目为64个Zadoff-Chu序列及其移位序列组成。eNB侧的RRC分配部分或全部Preamble序列的索引值用于竞争随机接入，并通过系统信息SIB2广播到UE。UE随机接入需要的PRACH物理信道资源如PRACH个数和时频位置等也由RRC通过系统消息SIB2广播到UE。UE侧的RRC收到SIB2后，解析出其中的Preamble信息并配置到MAC，由MAC根据路损等信息在Preamble集合中随机选择一个Preamble索引配置给物理层，物理层根据MAC的Preamble索引，通过查表/公式生成有效的Preamble ZC序列并发送到eNB。关于前导码时频位置更详细的内容，请参考我的另一篇文章《LTE-TDD随机接入过程（2）-前导码Preamble的格式与时频位置》。

每个小区可用的Preamble码总数不超过64个，在所有用于竞争随机接入的Preamble码中，eNB侧的RRC可以选择性的将其分为2组：Group A和Group B。UE触发随机接入的时候，需要根据待发的MSG3大小和路损大小确定Preamble码集合(If both groups are configured the size of message 3 and the pathloss are used to determine which group a preamble is selected from)。其中，Group B用于MSG3较大而路损较小的场景，Group A用于其它不适合Group B的场合。那么如何衡量MSG3和路损是大还是小，这些值衡量的门限参数是由eNB在SIB2信息中通知给UE的。UE确定Preamble码使用集合A或B后，从该集合中随机选择一个Preamble码发送。关于前导码分组的更详细内容，请参考我的另一篇文章《LTE-TDD随机接入过程（4）-RIV的解析和Preamble资源的选择》。

如果eNB将小区内所有的Preamble码都划归为Group A（即SIB2中配置的总SIZE=Group A SIZE），则UE直接从Group A中随机选择一个Preamble码发送。eNB侧RRC配置的Group A SIZE和Group total SIZE一般可以由管理工具配置，不需要RRC代码静态分配，UE侧RRC根据Group A SIZE和total SIZE即可计算出Group B的SIZE。

UE根据从SIB2中获取到的信息，生成随机接入前导Preamble序列，并在PRACH信道的相应随机接入资源上发起随机接入。 此时UE并不知道eNB与UE之间的距离，为避免对其它用户干扰，Preamble序列设计时，后面会有一个GT保护间隔。

B.eNB向UE发送MSG2（Random Access Response generated by MAC on DL-SCH）。

eNB会在PRACH中盲检测前导码，如果eNB检测到了随机接入前导序列码Radom Access Preamble，则上报给MAC，后续会在随机接入响应窗口内，在下行共享信道PDSCH中反馈MAC的随机接入响应Radom Access Response。解码PDSCH信道内容，需要UE先通过RA-RNTI解码出PDCCH资源分配信息，然后继续解码PDSCH信道内容。而RA-RNTI是由承载MSG1的PRACH时频资源位置确定的，UE和eNB均可以计算出RA-RNTI值，因此空口中并不需要传输RA-RNTI。关于RAR的更详细内容，请参考我的另一篇文章《LTE-TDD随机接入过程（3）-RAR（MSG2）以及MSG1的重传》。

随机接入响应窗口的起点是与MSG1（RA Preamble）间隔3个子帧，长度为2-10ms，由eNB的RRC配置，并通过系统信息SIB2发送到UE。

RA Response（MSG2）消息中包含：MSG1中的RA Preamble（供UE匹配操作）、UE上行定时提前量TA（11位，粗调）、backoff回退参数（重新发起Preamble码应延迟再次接入的时间）、为传输MSG3分配的PUSCH上行调度信息UL_Grant（包括是否跳频、调制编码率、接入资源和接入时刻等内容）、Temple C-RNTI（供MSG3加扰使用）。

RA response（MSG2）是一个独立的MAC PDU，在DL-SCH中承载。一个MSG2中可以包含多个UE的Preamble，即响应多个UE的随机接入请求。UE通过检测MSG2中是否携带了其发送的Preamble码来标识是否收到了eNB的随机接入响应，但此时还没有完成竞争解决，并不表示此次eNB侧的应答就是针对本UE的应答。

C.UE向eNB发送MSG3（First scheduled UL transmission on UL-SCH）。

UE根据RA Response中的TA调整量可以获得上行同步，并在eNB为其分配的上行资源中传输MSG3，以便进行后续的数据传输。

Msg3的初始传输是唯一通过MAC层MSG2消息指示的上行数据动态调度传输，当随机接入过程完成后，其他动态调度上行初始传输都是通过DCI0进行资源分配指示。MSG3消息开始支持HARQ过程，重传的资源和位置通过Temple C-RNTI加扰的DCI0告诉UE。

MSG3可能携带RRC建链消息（RRC Connection Request），也可能携带RRC重建消息（RRC Connection Re-establishment Request ）。如果有层3消息，那么MAC需要保存该CCCH SDU信息，因为eNB MAC发送MSG4的时候需要将UE的这个CCCH SDU信息回发给UE，当做竞争解决标识（UE Contention Resolution Identity）使用，以便完成最终的竞争解决。

D.eNB向UE发送MSG4（Contention Resolution on DL）。

eNB和UE最终通过MSG4完成竞争解决：
（1）对于初始接入和重建的情况，MSG4中的MAC PDU会携带竞争解决标识（UE Contention Resolution Identity，即MSG3中的CCCH SDU，RRC Connection Request、RRC Connection Re-establishment Request 等消息）。UE在解码TC-RNTI加扰的PDCCH信道后（The Temporary C-RNTI on PDCCH for initial access and after radio link failure），继续在PDSCH信道中获取MSG4的MAC PDU内容，解码成功后，与UE之前在MSG3中发送的CCCH SDU进行比较，二者相同则竞争解决成功（因为不同的UE，其标识不同）。此时MSG3的MAC-CE中不会携带CRNTI字段，对于重建而言，CCCH SDU中则会携带CRNTI信息，RRC据此区分不同的UE。竞争解决后，TCRNTI转正为CRNTI(The Temporary C-RNTI is promoted to C-RNTI for a UE which detects RA success and does not already have a C-RNTI; it is dropped by others. )
（2）对于切换、上/下行数据传输但失步等其他场景进行的竞争随机接入场景，此时因为UE已经分配了C-RNTI，在MSG3的MAC-CE中会将C-RNTI通知到eNB，因此eNB使用旧的C-RNTI加扰的PDCCH调度MSG4，而不使用TCRNTI加扰MSG4(The C-RNTI on PDCCH for UE in RRC_CONNECTED)。UE解码出PDCCH调度命令的时候表示完成竞争解决，MSG4中的具体内容已经与竞争解决无关。这时，MSG2中由eNB分配的TC-RNTI失效，后续由eNB继续分配给其它UE使用(A UE which detects RA success and already has a C-RNTI, resumes using its C-RNTI.)。因此，此种场景MSG4中不包括UE竞争解决标识。

MSG4消息也支持HARQ过程，UE通过PUCCH指示ACK，eNB PHY收到ACK后报给MAC。只有成功完成竞争解决的UE才反馈ACK。

5.非竞争随机接入的主要过程

非竞争随机接入是UE根据eNB的指示，在指定的PRACH信道资源上使用指定的Preamble码发起的随机接入，适用于切换、下行数据到达但失步、定位的场景。

A.eNB向UE发送RA Preamble assignment（Random Access Preamble assignment via dedicated signalling in DL）

eNB向UE发送非竞争随机接入过程需要的Preamble码和PRACH信道接入资源。若此时前导码资源不够，eNB只能通知UE发起竞争随机接入，方式是将PDCCH格式1a中的Preamble index设置为全0，UE解码出的Preamble Index全0后，会执行基于竞争的随机接入过程。

对于切换，非竞争前导码通过切换命令发到UE；而其他的两种场景，需要通过CRNTI加扰的DCI1A发到UE。

B.UE向eNB发送Preamble码（Random Access Preamble on RACH in uplink）

如果指定了多个PRACH信道资源，UE在连续三个可用的、有PRACH信道资源的子帧中随机选择一个指定的PRACH信道资源用于承载MSG1。eNB侧MAC处理过程同基于竞争的随机接入过程。

C.eNB向UE反馈随机接入响应Radom Access Response（Random Access Response on DL-SCH）

eNB侧MAC处理过程同基于竞争的随机接入过程。

6.参考文献

（1）3GPP TS 36.300 V9.10.0 (2012-12) Overall description