LTE随机接入流程

LTE信令之接入流程
今天我主要带大家了解一下LTE主要信令之随机接入流程，首先我们了解一下随机接入的概述：只有上行传输时间严格同步的情况下，才会被安排传送上行数据包，为了达成这条，LTE RACH(Random Access Channel)随机接入信道扮演了非常关键的角色，它是不同步的UE和正交同步的上行无线接入的接口。

在WCDMA网络，RACH（随机接入信道）的主要作用是初始网络接入和短消息传送。在LTE网络，RACH（随机接入信道）仍然用初始网络接入，但是不再承载任何用户数据，用户数据全部由PUSCH（物理上行共享信道）负责承载。LTE RACH（随机接入信道）负责帮助UE实现上行链路的时间同步，它面对的UE要么还没有获得上行时间同步，或者丢失了这种时间同步。一旦UE获得上行链路同步，eNodeB就可以给它分配上行链路的正交传输资源。RACH的相关场景包括：

（1）UE处于RRC_CONNECTED状态（从UE接收/发送单播数据），但没有实现上行链路同步。此时UE打算发送新的上行数据包或者控制信息（比如事件触发的测量报告）；

（2）UE处于RRC_CONNECTED状态，但没有实现上行链路同步。此时UE打算接收新的下行数据包，并且需要在上行链路回复相应的ACK/NACK信息；

（3）UE处于RRC_CONNECTED状态，正从服务小区切换到目标小区；

（4）UE正从RRCIDLE（空闲态）状态转换到RRCCONNECTED状态，比如正在进行初始接入或者位置区更新；

（5）UE正从无线链路失败的状态中恢复；

上述场景要求LTE RACH的时延比较小，同时在低信噪比（SINR）的情况下（比如小区边缘，切换状态等）确保良好的探测概率，从而使得RACH的覆盖范围与PUSCH（Physical Uplink Shared Channel物理上行共享信道）和PUCCH（Physical Uplink Control Channel物理上行链路控制信道）基本一致。

一次成功的RACH尝试意味着这个UE随后的上行数据包会被插入其它UE已经被分配好的同步数据包中，这决定了RACH必须能够达到所要求的时间估计精度，以及需要的RACH传输带宽。由于上行链路使用了循环前缀（CP），LTE RACH只需要估算双向时延，而需要的RACH带宽也比WCDMA网络少。

和WCDMA不同，LTE RACH必须要适应上行链路的同步时频结构，这样eNodeB就能够避免RACH和PUSCH/PUCCH之间的干扰。同样重要的是，应该尽可能小地减少RACH对相邻小区PUSCH/PUCCH信道的干扰。

随机接入的三点知识:随机接入过程、基于竞争的随机接入、基于非竞争的随机接入

随机接入过程是指从用户发送随机接入前导码，开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程。LTE随机接入过程有两种类型：有竞争的随机接入和没有竞争的随机接入。在上面提到的所有5种场景中，UE都会先初始化一个有竞争的随机过程。在这个过程中，UE随机选择一个随机接入前缀标志（preamble signature），为随后的竞争解决过程做准备。不同的UE有可能选择相同的前缀标志。

随机接入实现的基本功能是申请上行资源和与eNodeB间的上行时间同步。基于竞争接入过程的使用场景是：从RRC-IDLE状态到RRC-CONNECT的状态转换，即RRC连接过程，如初始接入和TAU更新无线链路失败后的初始接入，即RRC连接重建过程在RRC-CONNECTED状态，未获得上行同步但需发送上行数据和控制信息，或虽未上行失步但需要通过随机接入，申请上行资源在RRC-CONNECTED状态，从服务小区切换到目标小区，在RRC-CONNECTED状态，未获得上行同步但需接收下行数据。

基于非竞争接入过程的使用场景是：在RRC-CONNECTED状态，从服务小区切换到目标小区在RRC-CONNECTED状态，未获得上行同步但需接收下行数据，在RRC-CONNECTED状态，UE位置辅助定位需要，网络利用随机接入获取时间提前量（TA: Timing Advance），这里在RRC-CONNECTED状态，从服务小区切换到目标小区，在RRC-CONNECTED状态，未获得上行同步但需接收下行数据，既基于竞争接入过程的使用场景又基于非竞争接入过程的使用场景。

竞争的随机接入流程有四步，首先终端向eNodeB发送Random Access Preamble（随机接入前导）然后eNodeB向终端回复Random Access Response（随机接入响应，eNB检测到有UE发送接入前导之后向用户发送随机接入响应，以告知UE可以使用的上行资源信息），终端向基站发送First scheduled UL transmission（UE收到随机接入响应后，在随机接入响应消息所指定的上行资源中发送调度消息，该消息主要包括UE的唯一标示信息），基站发送Contention Resolution（eNB发送冲突解决消息到终端）。UE随机选择preamble码发起Msg1：发送Preamble码，eNB可以选择64个Preamble码中的部分或全部用于竞争接入，Msg1承载于PRACH上，Msg2：随机接入响应，Msg2由eNB的MAC层组织，并由DL_SCH承载一条Msg2，可同时响应多个UE的随机接入请求，eNB使用PDCCH（Physical Downlink Control Channel物理下行控制信道）调度Msg2，并通过RA-RNTI（标示用户发随机接入前导所使用的资源块）进行寻址，RA-RNTI由承载Msg1的PRACH（Physical Random Access Channel物理随机接入信道）时频资源位置确定，Msg2包含上行传输定时提前量、为Msg3分配的上行资源、临时C-RNTI等，Msg3：第一次调度传输，UE在接收Msg2后，在其分配的上行资源上传输Msg3，针对不同的场景，Msg3包含不同的内容：初始接入：携带RRC层生成的RRC连接请求，包含UE的S-TMSI（是临时UE识别号）或随机数；连接重建：携带RRC层生成的RRC连接重建请求，C-RNTI（Radio Network Temporary Identifier小区无线网络临时标识适用范围）和PCI；切换：传输 RRC层生成的RRC切换完成消息以及UE的C-RNTI；上/下行数据到达：传输UE的C-RNTI。最后一步Msg4：竞争解决，分为两种情况，初始接入和连接重建场景，切换，上下行数据到达场景，竞争判定在初始接入和连接重建场景下：Msg4携带成功解调的Msg3消息的拷贝，UE将其与自身在Msg3中发送的高层标识进行比较，两者相同则判定为竞争成功；在切换，上下行数据到达场景下：UE如果在PDCCH（Physical Downlink Control Channel物理下行控制信道）上接收到调度Msg4的命令，则竞争成功。调度在初始接入和连接重建场景下：Msg4使用由临时C-RNT加扰的PDCCH调度；在切换，上下行数据到达场景下：eNB使用C-RNT加扰的PDCCH调度Msg4。C-RNTI在初始接入和连接重建场景下：Msg2中下发的临时C-RNTI在竞争成功后升级为UE的C-RNTI；C-RNTI在切换，上下行数据到达场景下：UE之前分配C-RNTI，在Msg3中也将它传给eNB。竞争解决后，临时C-RNTI被收回，继续使用UE原C-RNTI。

基于非竞争的随机接入:UE根据eNB的指示，在指定的PRACH上使用指定的Preamble码发起随机接入。Msg0（Random Access Preamble assignment）：随机接入指示，对于切换场景，eNB通过RRC信令通知UE，对于下行数据到达和辅助定位场景，eNB通过PDCCH通知UE。Msg1（Random Access Preamble）：发送Preamble码，UE在eNB指定的PRACH信道资源上用指定的Preamble码发起随机接入。Msg2（Random Access Response）：随机接入响应，Msg2与竞争机制的格式与内容完全一样，可以响应多个UE发送的Msg1。

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