LTE系统随机接入过程研究

摘要：LTE系统中的随机接入是小区搜索完成后的第一步骤，也是终端和网络之间建立无线通信连接，保证终端能够发起并维持通信连接的必要过程^[1]。随机接入的目的在于实现上行同步、传输功率调整和上行资源请求。本文针对终端和基站侧的随机接入过程设计进行较为详细的分析。

1 随机接入概述

随机接入的目的是进行上行同步、传输功率调整和上行资源请求，只有在随机接入过程完成后，终端才能和网络进行正常的通信。

LTE系统中，以下六种场景可以触发随机接入过程^[2]：

1.UE从RRC_IDLE状态开始初始接入，即RRC连接建立;

2.无线链路失败后的随机接入，即RRC连接重建;

3.切换过程;

4.UE处于RRC_CONNECTED状态，有下行数据传输，且空口处于上行失步状态;

5.UE处于RRC_CONNECTED状态，有上行数据传输，且空口处于上行失步状态;

6.辅助定位，UE处于RRC_CONNECTED状态，网络利用随机接入获取时间提前量。

根据UE在发送前导码时，是否存在不同的UE同时发送相同前导码的可能，随机接入分为竞争随机接入和非竞争随机接入两种方式。

2 随机接入

2.1 竞争随机接入

竞争随机接入，是指终端发起随机接入前没有接收到来自网络分配的专用随机接入前导码，而是由终端自己随机选择前导码发起的随机接入^[3]。竞争随机接入适用于除辅助定位之外的其他5种场景。竞争随机接入过程分为以下4步完成^[2]，如图1所示。

1.消息1：发送随机接入前导码。UE通过发送随机接入前导码发起随机接入请求。在此之前，UE通过接收eNodeB发送的系统(广播)消息，来获得可用的随机接入前导码数量等信息。

2.消息2：随机接入响应。eNodeB接收到UE发送的随机接入前导码后，会向UE发送随机接入响应。随机接入响应包括：随机接入前导码标识、定时提前命令、上行授权、临时C-RNTI，以及退避指示等信息。

3.消息3：调度传输。UE接收到随机接入响应后，判断其中携带的随机接入前导码标识与自己发送的是否相同，如果相同，则根据其中携带的上行授权等信息进行消息3的发送。

4.消息4：竞争解决。eNodeB接收到UE的发送的消息3后，会向UE发送竞争解决消息，该消息中携带竞争成功的UE标识。

2.2 非竞争随机接入

非竞争随机接入是UE根据eNodeB指示，在指定的PRACH信道资源上使用指定的随机接入前导码进行的随机接入^[3]。非竞争随机接入适用于切换、有下行数据传输和辅助定位3种场景。非竞争随机接入过程分为以下3步完成^[2]，如图2所示。

1.消息0：随机接入指示。随机接入指示携带UE发起非竞争随机接入使用的随机接入前导码等信息。

2.消息1：发送随机接入前导码。UE通过接收eNodeB发送的随机接入指示，来获得随机接入前导码和用于发送随机接入前导码的PRACH信道资源信息。

3.消息2：随机接入响应。该消息与竞争随机接入情况下的随机接入响应相同。

3 随机接入过程设计

3.1 随机接入初始化

随机接入初始化由终端完成，在随机接入过程开始之前，需要由RRC层提供以下参数^[4]：

1. PRACH配置索引;

2. 随机接入前导码数量、前导码组A的大小、组B消息功率偏移、组A消息大小、前导码消息3功率偏移;

3. 随机接入响应窗口大小;

4. 功率抬升步长;

5. 前导码最大传输次数;

6. 前导码初始发送功率;

7. 基于前导码格式的偏移量;

8. Msg3 HARQ传输的最大次数;

9. 竞争解决定时器。

随机接入初始化过程如图3所示。

1. MAC层从RRC层获取相应参数，在随机接入过程中使用;

2. 设置前导码传输计数器为1;

3. 设置UE中的退避参数值为0 ms;

4. 进行随机接入前导码的选择。

3.2 随机接入资源选择

随机接入前导码选择由终端完成。TD-LTE系统中，每个小区有64个随机接入前导码可用，eNodeB可以将其中的部分或者全部随机接入前导码用于竞争随机接入。用于竞争的随机接入前导码，可以被分为前导码组A和前导码组B两个码组。随机接入资源选择流程如图4所示。

3.3 随机接入响应准备

随机接入响应准备由基站完成。当eNodeB接收到UE发送的随机接入前导码后，会为UE准备随机接入响应。随机接入响应的内容包括：随机接入前导码标识、定时提前命令、上行授权^[5]、临时C-RNTI，以及可能的退避指示。随机接入响应准备流程如图5所示：

3.4 随机接入响应接收

随机接入响应接收由终端完成。UE在发送完随机接入前导码后，就等待接收eNodeB发送的随机接入响应消息，UE必须在随机接入响应窗口内接收随机接入响应消息。一条随机接入响应消息可以响应多个UE的随机接入请求，包含向多个UE发送的随机接入响应控制单元，随机接入响应控制单元通过不同的随机接入前导码标识区分。UE通过解析随机接入响应消息，根据其中是否携带了其