一：舉例——一個完整的隨機接入過程
http://www.360doc.com/content/17/0828/20/46887361_682852152.shtml
先簡要分析一個隨機接入的例子，本例是用高通工具QCAT來說明，一次隨機接入過程如下圖所示：
從協議棧的工作機制來做一個簡要解釋：
UE的NAS層的MM子層，需要發起一次業務請求serviceRequest。因為NAS的MM層需要干活了，所以調用其下層的功能。於是，AS層的RRC層，開始工作並為NAS的MM提供服務。注意，規范中經常的一種描述是“上層調用下層的功能、下層給上一層提供服務”。
第二條信令，我們看到，RRC層封裝了RRC CONNECTION REQUEST的包，並傳遞給其下層PDCP/RLC/MAC去進一步處理。PDCP/RLC層因與隨機過程接入基本無關，故在QCAT的filter中已將其過濾。
於是，MAC層，開始組織並觸發隨機接入過程，於是我們順次看到了MSG1/MSG2/MSG3，並在MSG4中競爭成功並解決沖突（contention resolution）。
后面其他的信令這里不解釋。
很明顯，，這是從UE角度來看的、一次完整的隨機接入過程。 通過調用隨機接入過程，RRC層也完成了從一次從idle到connected的狀態轉換，並最終為MM層傳遞NAS信令Servicerequest至MME。
再看下時間： 如果從139到210定義這次時間，大概是71ms。 即可以認為，UE花了大約70ms，完成了一次從空閑態到連接態的RRC狀態轉換。 大家應該還記得LTE在25.913規范中的約定，LTE UE連接態到空閑態的遷徙時長不得超過100ms。
為了讓大家看清楚里面的碼流，順次截圖如下
1. LTE NAS EMM Plain OTAOutgoing Message -- Service Request Msg （MM層的消息）
2. LTE RRC OTA Packet -- UL_CCCH （RRC層的消息，RRC CONREQ，注意里面有ue-identity這個IE）
3. LTE Random Access Request (MSG1) Report (注意里面的RA-RNTI)
4. LTE Random AccessResponse (MSG2) Report （注意里面的Temp-C-RNTI）
5. LTE UE Identification Message (MSG3)Report
6. LTE Contention Resolution Message (MSG4) Report (注意 contentionresult=Pass)
7. LTE RRC OTA Packet -- DL_CCCH （rrcConnectionSetup）
8. LTE RRC OTA Packet -- UL_DCCH（rrcConnectionSetupComplete）
這些截圖具體里面涉及到的參數太多，限於篇幅，此處不能一一詳述。
二：隨機接入過程的流程解析
在LTE中，有五種情況，需要觸發隨機接入過程，描述如下：
-
在RRC_IDLE態下，進行RRC連接建立請求。
-
進行RRC連接重建請求。（RRC重建有5種原因，前面博文有描述。無線鏈路失敗、切換失敗、完整性保護失敗、RRC重配置失敗，mobility from E-UTRA失敗）
-
切換過程中，通過隨機接入獲取與目標小區的上行同步。
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在RRC_CONNECTED態下，當有上行數據需要發送時，但卻沒有可用的PUCCH SR資源時，此時UE需要通過隨機接入請求獲得上行的調度資源授權；或在RRC_CONNECTED態下，當有上行數據需要發送時，而上行處於失步狀態（定時器TimeAlignmentTimer超時），那么需要通過隨機接入過程，進行上行同步並請求上行調度資源授權。
-
在RRC_CONNECTED態下，當有下行數據需要發送時，而上行處於失步狀態（定時器TimeAlignmentTimer超時），此時由網絡通過下發PDCCH order、從而觸發隨機接入。
每個小區中的UE可通過公共信令（比如SIB2中的RACH-ConfigCommon）或專用信令（比如RRC重配置中的RACH-ConfigDedicated）等這些方式，獲得的RACH配置及隨機接入相關參數。UE生成最多64個Preamble，而這64個Preamble又被分為2組，因此隨機接入過程也被分為2種，即大家熟知的，基於競爭的隨機接入和非競爭的隨機接入。
1． 基於競爭（contention based）的隨機接入：由UE自行選擇前導（preamble）序列，存在沖突的可能，需進行競爭解決（contention resolutioon）。
2. 基於非競爭（contention free）的隨機接入：由網絡側eNodeB指定前導preamble，因為基站在某個時刻唯一指定前導序列所以不存在沖突，無需進行競爭解決。比如上面列舉的第3/5兩種情況，可以采用無競爭的隨機接入。
競爭的和無競爭的隨機接入過程如下圖所示：
隨機接入的具體步驟解釋
第一步：隨機接入前導發送
確定前導序列
若eNodeB指定隨機接入前導，則采用該分配的前導；否則由UE進行前導選擇：根據Msg 3消息長度進行隨機接入序列組（A組或B組）選擇，然后在所選擇的序列組中，按等概率原則隨機選擇一個前導序列號。
根據eNodeB指示的根ZC序列號、循環移位配置、是否采用restricted set（僅FDD）、以及前導序列號，進行ZC序列的選擇和循環移位的計算。
PRACH資源選擇和發射功率計算
根據PRACH配置、PRACH Mask索引、以及PRACH的相關定時約束，按等概率隨機原則，選擇一個PRACH資源進行前導發送。
根據eNodeB指示的PRACH期望接收功率、前導格式和前導發送計數，進行PRACH開環發射功率計算和power ramping過程。可參考36.213.
第二步：隨機接入響應接收
在由eNodeB指示長度的搜索時間窗口內，進行PDCCH監測及盲檢，注意此時PDCCH的DCI的CRC部分，是用RA-RNTI來加擾的。
根據前導發送的子幀號和頻率索引來計算RA-RNTI（取值范圍1~60）
eNodeB采用DCI Format 1A或1C發送該PDCCH
DCI的格式大家可參考其他文檔，后面再專文解釋
若UE盲檢到一個由RA-RNTI加擾的PDCCH，則根據該PDCCH所含的下行調度信息，接收同一TTI（1ms）內的PDSCH信道。
此時，PDSCH攜帶了隨機接入響應RAR的MAC PDU。
提取MAC PDU包含BI MAC子頭（若存在的話），用於更新Backoff值。
在RAR中讀取與發送前導相匹配的RAPIDMAC子頭和對應的MAC RAR。
對該MAC RAR進行解碼，提取TA命令、20-bit的上行授權（UL grant，也稱為隨機接入響應授權）和Temporary C-RNTI。
若是非競爭的，則隨機接入過程成功結束；若是競爭的則設定Temporary C-RNTI，並進行UL grant解碼，准備進行Msg 3發送。
倘若UE未檢測到任何一個由RA-RNTI加擾的PDCCH，或者對應隨機接入響應中並沒有與發送前導相匹配的RAPID MAC子頭，則退回第一步，進行一次新的前導發送嘗試。
若是基於競爭的，基於Backoff值加入一個隨機延遲后，再進行一次新的前導發送嘗試
將前導發送計數器加1，並相應的調整前導發送功率（power ramping的過程也可參考36.213）
若前導發送次數達到最大限定次數，則認為該次隨機接入過程失敗，並向高層（RRC層）指示隨機接入失敗。
MAC PDU及MAC RAR結構如下圖所示。
第三步：Msg 3發送
根據eNodeB指示的相關功控參數、路損估計、PUSCH發送所占RB數等等，計算Msg 3的開環發射功率；
根據隨機接入響應授權，按指定的資源和格式在PUSCH上進行Msg 3發送；
采用Temporary C-RNTI（第二步中收到的）進行加擾；
Msg 3中包含了用於競爭解決的信息；
在由RRC連接建立/重建觸發的隨機接入中，在CCCHSDU中包含了UE Identity
其它情況（切換、上/下行數據待傳輸）觸發的隨機接入中，在C-RNTI MAC控制信元中包含了UE的C-RNTI
Msg 3會采用上行HARQ來提高接收可靠性
采用上行HARQ來提高Msg 3的接收質量。可采用非自適應重傳、或自適應重傳，直到競爭解決成功、或達到Msg 3最大重傳次數為止。
eNodeB通過TemporaryC-RNTI的上行授權，來指示Msg 3的自適應重傳，無論UE是否已經被分配了一個C-RNTI，且無論NDI（新數指示）值是什么。
第四步：競爭解決（MSG4）
每次Msg 3新傳輸/重傳后，啟動或重新啟動競爭解決定時器mac-ContentionResolutionTimer。
競爭解決情形一：在由RRC連接建立/重建觸發的隨機接入中，在CCCHSDU中包含了UE Identity。
檢測由TemporaryC-RNTI加擾的PDCCH，並根據該下行分配將對應的PDSCH進行解碼（MSG4）。
若該PDSCH解碼OK，檢查UEContention Resolution Identity MAC控制信元中所含內容是否與Msg 3發送的CCCH SDU攜帶的UEIdentity相匹配，若匹配，競爭通過。
若競爭解決通過，UE將TemporaryC-RNTI升級為C-RNTI 。
競爭解決情形二：其它情況（切換、上/下行數據待傳輸）觸發的隨機接入中，在C-RNTI MAC控制信元中包含了UE的C-RNTI 。
若隨機接入過程由UE發起，檢測由C-RNTI加擾的PDCCH上行授權。
若隨機接入過程由eNodeB發起（PDCCHorder），檢測由C-RNTI加擾的PDCCH。
若競爭解決成功，丟棄TemporaryC-RNTI 。
競爭解決中的下行HARQ過程
eNodeB發送用於競爭解決的PDSCH時，也采用HARQ過程來提高該PDSCH接收可靠性。
僅競爭解決成功的UE反饋ACK，否則（PDSCH未成功譯碼、或PDSCH成功譯碼但競爭解決失敗）不反饋任何ACK/NACK。這樣做，能防止由於PUCCH ACK/NACK信道上的沖突而導致ACK/NACK接收質量惡化。
若競爭解決失敗，或競爭解決定時器超時，則認為競爭解決失敗，退回第一步進行一次新的前導發送嘗試
若是基於競爭的，基於Backoff值加入一個隨機延遲后，再進行一次新的前導發送嘗試。功率ramping。
若前導發送次數達到最大限定次數，則認為該次隨機接入過程失敗，並向高層RRC指示本次隨機接入失敗。
一次隨機接入過程示意圖如下（這是找到的最好的圖了）：
三：幾點解釋：
1. 關於UE-identity，只有兩種可能，S-TMSI或randomvalue。RandoVaule的空間、協議定義是2的40次方。即如果UE有S-TMSI就使用S-TMSI；若沒有S-TMSI，那么在MSG3中，會在0到2^40-1中選擇一個隨機數，作為MSG3中的UE-Identity IE。 UE-identity是用來解決沖突的唯一判據。
2. 關於前文提到的TimeAlignmentTime定時器的解釋，在TS36.331中的描述摘錄如下，此定時器通過公共信令或專用信令傳遞到UE：
– TimeAlignmentTimer
The IE TimeAlignmentTimer is used to control how long the UE is considereduplink time aligned. Corresponds to the Timer for time alignment inTS 36.321 [6]. Value in number of sub-frames. Value sf500 corresponds to500 sub-frames, sf750 corresponds to 750 sub-frames and so on. In this releaseof the specification, uplink time alignment is common for all serving cells.
TimeAlignmentTimer informationelement
-- ASN1START
TimeAlignmentTimer ::= ENUMERATED {
sf500, sf750, sf1280, sf1920, sf2560, sf5120,
sf10240, infinity}
-- ASN1STOP
關於TimeAlignmentTime的解釋，在TS 36.321中的描述摘錄如下：
5.2 Maintenance of Uplink Time Alignment
The UE has aconfigurable timer timeAlignmentTimer which is used to control how long the UE is considered uplink timealigned [8].
The UE shall:
- when a Timing Advance Command MAC control element is received:
- apply the Timing Advance Command;
- start or restart timeAlignmentTimer.
- when a TimingAdvance Command is received in a Random AccessResponse message:
- if the Random Access Preamble was not selected by UE MAC:
- apply the Timing Advance Command;
- start or restart timeAlignmentTimer.
- else, if the timeAlignmentTimer is not running:
- apply the Timing Advance Command;
- start timeAlignmentTimer;
- when the contention resolution isconsidered not successful as described in subclause 5.1.5, stop timeAlignmentTimer.
- else:
- ignore the received Timing Advance Command.
- when timeAlignmentTimerexpires:
- flush all HARQ buffers;
- notifyRRC torelease PUCCH/SRS;
- clearany configured downlink assignments and uplink grants.
The UE shall notperform any uplink transmission except the Random Access Preamble transmissionwhen timeAlignmentTimer is notrunning.
3. 信令中關於RACH及隨機接入參數的IE定義
– RACH-ConfigDedicated
The IE RACH-ConfigDedicated is used to specify thededicated random access parameters.
RACH-ConfigDedicated informationelement
-- ASN1START
RACH-ConfigDedicated::= SEQUENCE {
ra-PreambleIndex INTEGER(0..63),
ra-PRACH-MaskIndex INTEGER(0..15)
}
-- ASN1STOP
– RACH-ConfigCommon
The IE RACH-ConfigCommon is used to specify thegeneric random access parameters.
RACH-ConfigCommon information element
-- ASN1START
RACH-ConfigCommon ::= SEQUENCE {
preambleInfo SEQUENCE{
numberOfRA-Preambles ENUMERATED{
n4, n8, n12, n16 ,n20,n24, n28,
n32, n36, n40, n44, n48,n52, n56,
n60, n64},
preamblesGroupAConfig SEQUENCE{
sizeOfRA-PreamblesGroupA ENUMERATED{
n4, n8, n12, n16,n20, n24, n28,
n32, n36, n40, n44,n48, n52, n56,
n60},
messageSizeGroupA ENUMERATED{b56, b144, b208, b256},
messagePowerOffsetGroupB ENUMERATED{
minusinfinity, dB0,dB5, dB8, dB10, dB12,
dB15, dB18},
...
} OPTIONAL --Need OP
},
powerRampingParameters SEQUENCE{
powerRampingStep ENUMERATED{dB0, dB2,dB4, dB6},
preambleInitialReceivedTargetPower ENUMERATED {
dBm-120, dBm-118,dBm-116, dBm-114, dBm-112,
dBm-110, dBm-108,dBm-106, dBm-104, dBm-102,
dBm-100, dBm-98, dBm-96,dBm-94,
dBm-92, dBm-90}
},
ra-SupervisionInfo SEQUENCE{
preambleTransMax ENUMERATED{
n3, n4, n5, n6, n7, n8, n10, n20, n50,
n100, n200},
ra-ResponseWindowSize ENUMERATED{
sf2, sf3, sf4, sf5, sf6,sf7,
sf8, sf10},
mac-ContentionResolutionTimer ENUMERATED {
sf8,sf16, sf24, sf32, sf40, sf48,
sf56,sf64}
},
maxHARQ-Msg3Tx INTEGER(1..8),
...
}
-- ASN1STOP
最后，SIB2中下發的關於RACH的相關參數見下圖：
而切換的時候，基站傳遞到UE的專用的RACH參數見下圖：
限於篇幅和時間關系，春天工作室 關於隨機接入過程的討論和分享，今天就到此為止，歡迎指正、勘誤和探討。