[4G&5G专题-77]：流程 - 4G LTE 接入网的随机接入流程

Posted 2021-05-15 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 L3层信令架构

1.1 RAN协议栈

1.2 信令流与数据流

1.3 信道映射

1.4 连接管理

1.5 手机附着的整体流程

第2章 随机接入流程概述

2.1 概述

2.2 分类

2.3 终端的L3信令标识

第3章 竞争性随机接入流程

3.1 概述

3.2 SIB2消息的读取

3.3 MSG1：UE发送preamble

3.4 MSG2：eNodeB发送Random Access Response

3.5 MSG3

3.6 MSG4

3.7 MSG5

3.8降低多个终端同时随机接入的冲突的手段

第4章 非竞争性随机接入流程

---

第1章 L3层信令架构

1.1 RAN协议栈

 

1.2 信令流与数据流

 

1.3 信道映射

 

1.4 连接管理

 

1.5 手机附着的整体流程

 

第2章 随机接入流程概述

2.1 概述

手机通过基站的大喇叭：广播信道（频率同步FCCH、时隙同步SCH、广播控制信道BCCH）广播的信息找到了基站。

但这并不代表手机就可以使用基站的无线资源访问无线网络。

蜂窝无线通信与WIFI通信不同，WIFI访问无线资源是不需要申请的，先访问，再看有没有冲突，采用的是公平竞争策略。

然后蜂窝无线通信是彻底的中央集权制策略，手机必须先申请无线资源，由基站统一分配载波与时隙后才能使用无线资源。

这里其实有一个悖论：没有无线资源，就无法访问基站，要访问基站需要预先申请无线资源，这是一个死循环。

蜂窝无线通信是如何解决这个问题呢？

蜂窝无线通信借用了医院在解决类似的紧张的专家资源分配的方法：

在固定的窗口、固定的时间段，预约挂号！超过挂号时间、或者资源全部用完，挂号失败。

挂号成功后，给病人分配医生载波资源以及对应时隙，病人才能享受到看病服务，

这个过程在蜂窝无线通信中称为“随机接入过程”！

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。

随机接入过程是在手机通过小区搜索完成小区选择和驻留之后，是手机在完成与基站的下行同步之后，发起的一个新的流程。

该流程达到两个目的：

• 上行同步

不同的手机，离基站的距离是不同的。

所谓上行同步，就是手机通过已知的随机接入信道，在基站侧进行“挂号”的过程，通过随机接入过程，基站能够算出手机与基站的距离，并通过TA的形式告诉手机，要发送上行数据，需要提前TA的时间发送上行数据，不同手机的TA值不同，这样可以确保不同手机，发送相同时隙的数据，在相同时间得到基站。

通过这个过程，手机就知道，如果需要发送上行数据，需要”提前“多长时间出发。比较基站就像医院，他不会等人的。

这个过程是通过物理随机接入信道完成的。

 

• 上行调度资源的分配

基站预先为手机分配上行PUSCH信道的资源，以便手机有上行资源向基站发起RRC request连接请求。

 

• 竞争冲突的解决

PRACH物理信道的资源是已知的，当多个终端同时发起随机接入时，有可能会发送冲突，这时候就需要有一种机制能够解决这种冲突。

 

更多可以参考：

《星星之火-19：在基站没有给手机终端分配资源前，手机是如何先基站申请资源？随机接入过程！》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/109125068

2.2 分类

（1）竞争性随机接入流程

这种情形是：手机在没有接入到无线网络，需要接入到无线接入网中的情形。

 

（2）非竞争性随机接入流程

这种情形是：手机已经接入到无线接入网中，并已经在提供服务。但由于手机的移动性，需要有一个小区切换到信号更好的相邻小区中，这种有服务小区切换到另一个小区中的随机接入过程，称为非竞争性随机接入流程。

 

2.3 终端的L3信令标识

RNTI: RadioNetworkTemporaryIdentifier，网络临时标识符，用于区分网络中不同的用户。

RNTI的基本工作原理如下：即使用RNTI去加扰无线信道信息的CRC部分，也就是如果UE侧的RNTI值不同，即使UE接收到信息，也无法正确解码。以此用来区分不同的用户。

RA-RNTI（ Random Access-RNTI）: 有随机前导码直接映射而来。

T-CRNTI（temporary Cell-RNTI）：临时性分配的C-RNTI。

C-RNTI（Cell-RNTI）：RRC连接状态下的终端的网络标识。

 

第3章 竞争性随机接入流程

3.1 概述

（1）UE通过 SIB2获取物理随机接入信道的配置信息

（2）UE通过随机接入信道向基站发起随机接入请求

（3）基站在下行共享信道DL-SCH对UE的随机接入请求做出响应，

• 告诉UE的TA值
• 为UE分配的上行共享信道UL-SCH的资源信息

（4）UE通过上行共享信道UL-SCH发起上行信息

（5）基站通过下行共享信道DL-SCH应答，为UE分配后续通信所需要C-RNTI. 这一步同时解决竞争冲突问题。

 

3.2 SIB2消息的读取

SIB2中包含公共的无线资源配置信息：

• 上行RACH、PUCCH、PUSCH、SRS的资源分配与调度，上行信道功率控制信息；
• 下行BCCH、PDSCH、PCCH信道资源配置等.

这些信息对理解当前系统上下行的资源使用及分析网络资源问题有很大帮助。

SIB2主要有三大部分：

• radioResourceConfigCommon（公共无线资源配置信息）
• ue-TimersAndConstants（定时器与常量）
• freqInfo（频率信息）。除此之外还包含小区接入禁止相关信息。

 

SIB2中关于PRACH的配置信息有：

• numberOfRA-Preambles: n52 (12) 保留给竞争模式使用的随机接入探针个数,PRACH探针共有64。当前参数设置52，表示52个探针用于竞争模式随机接入
• preambleInitialReceivedTargetPower:dBm-104 (8) 探针初始接收功率目标. 当PRACH前导格式为0时，在满足前导检测性能时，eNodeB所期望的目标功率水平。当前参数设置-104 dBm，即期望的功率值，用于计算探针的初始发射功率。
• prach-ConfigIndex:0x6 (6) 该值与探针格式一同确定探针频域/时域资源。当前参数设置为6，对应探针格式0，可占用任意系统帧的第1或6子帧资源
• prach-FreqOffset:0x6 (6)  FDD小区的每个PRACH所占用的频域资源起始位置的偏置值。取值范围0=< prach-FreqOffset ul-rb-6，当前参数设置为6，即在第6个PRB位置。

 

关于物理层随机接入信道PRCH的时频资源, 请参考：《[4G&5G专题-41]：物理层-物理随机接入信道PRACH与随机接入过程》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113838466

 

3.3 MSG1：UE发送preamble

UE发送random access preamble给eNodeB，以告诉eNodeB有一个随机接入请求，同时使得eNodeB能估计其与UE之间的传输时延并以此校准uplink timing。

UE要成功发送preamble，需要：

1）选择preamble index；

在这个阶段，是通过随机接入前导码来区分终端的随机接入请求的，因此多个终端同时发起随机接入过程，有可能使用相同的随机接入前导码。

因此，随机接入前导码有一定的使用规律，就在有限的随机接入前导码的情况下，尽量避免冲突。

 

在LTE里，每个小区都有64个前导码集合，那么这些前导码序列Preamble Sequences是怎么生成的呢？

前导码序列集合包括根序列和由该根序列生成的循环移位序列CP，

计算过程分为两个大的步骤：

步骤1：生成一个ZC（Zadoff-Chu）根序列Xu(n)，作为一个基准序列；基准序列Xu(n)，也就是物理根序列号为u的ZC序列，按照以下公式计算得到。

其中，Nzc表示ZC序列的长度，

前导码格式0-3时，Nzc固定等于839；//适用与大多数小区半径

前导码格式为4时，Nzc固定等于139。//适用与超短的小区半径

 

u是物理根序列号（Physical root sequence number），由逻辑根序列号（Logical root sequence number）查协议表Table 5.7.2-4（前导码格式0-3时查该表）和Table 5.7.2-5（前导码格式4时查该表）得到。

逻辑根序列号（Logical root sequence number）由SIB2消息中的PRACH-Config信元的rootSequenceIndex字段配置，

 

步骤2：将基准序列Xu(n)进行循环移位，生成64个不同的循环序列Xuv(n)

 

终端选择前导码的规则：从64个中随机选择一个，降低不同终端同时接入的冲突。

当然，64个随机前导码，有分为两大部分，一部分用于竞争性随机接入，另一部分是用于非竞争性随机接入。

 

2）确定目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。

由于手机离基站的距离是不确定的，当UE收不到基站的PRACH响应时，需逐渐抬高PRACH信道的发送功率。

 

获取上述参数后，UE就可以通过PRACH信道发送PRACH请求了。

 

3.4 MSG2：eNodeB发送Random Access Response

基站在预先知道的物理随机接入信道中接收终端的随机接入后：

（1）计算该UE的上行同步的时间提前量TA

关于TA值的计算方法，可参考：

《星星之火-19：在基站没有给手机终端分配资源前，手机是如何先基站申请资源？随机接入过程！》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/109125068

TA值的大小与小区半径以及UE离基站的距离相关。

 

（2）映射RA-RNTI

为UE映射RA-RNTI，RA-RNTI是由前导码按照既定的规则映射而来，而不是有基站分配的，因此UE不需要基站告知，也能够知道自己的RA-RNTI。

 

（3）分配T-CRNTI: Temporary-CRNTI 

为终端分配随机接入过程中的临时无线网络标识，用于后续在UL-SCH信道中UE身份标识。

 

（4）为UE分配上行资源：

在上行UL-SCH信道上，为终端的MSG3消息分配无线资源。

 

（5）基站在下行共享信道DL-SCH对UE的随机接入请求做出响应。

该响应包含的主要内容为：

• RA-RNTI
• 该UE的时间提前量TA值
• T-CRNTI: Temporary-CRNTI 

 

3.5 MSG3

（1）UE对收到的MSG2进行判断，判断该MSG2是否属于自己的RAR消息

• 如果MS2中RA-RNTI与自己发送的RA-RNTI不一致，则丢弃。（RA-RNTI是通过随机接入前导码直接映射而来的，无需基站分配）
• 如果MS2中RA-RNTI与自己发送的RA-RNTI一致，则表明是自己的RAR消息。

由于RA-RNTI是根据随机接入前导码直接映射而来，因此当有多个手机使用相同的前导码接入时，这些手机的RA-RNTI可能是相同的，不唯一。

这就需要MSG4来进行仲裁。

 

（2）修正自己的上行时间提前量，与基站完成上行同步。

 

（3）发起MSG3 RRC连接请求,包含的内容有：

• T-CRNTI
• TMSI:  Temporary Mobile Subscriber Identity，不同的终端其TMSI是不相同的。

UE的RRC层产生RRC Connection Request 并映射到UL –SCH上的CCCH逻辑信道上发送；

CCCH(Common Control Channel)：公共控制信道，处于逻辑信道。
 

3.6 MSG4

这里会出现一种情况：

就是两个UE使用了相同的随机接入序列，因此他们可能都会认为MSG3是自己的，这就是竞争。

竞争的解除是基站的责任，并是通过RRC层的MSG4来完成的。

基站通过TMSI，区分不同的终端，选择一个终端，作为MSG4的应答标识。

MSG4的内容有：

• TMSI
• CRNTI

 

终端根据MSG4中的TMSI，确认基站对随机接入的最终授权：

（1）MSG4中的TMSI与自己不一致，该该终端重新发起随机接入过程。

（2）MSG4中的TMSI与自己一致，该该终端回应MSG5, 作为多基站决策的最终确认。

 

3.7 MSG5

终端通过CRNTI作为对随机接入过程的最终确认，整个随机接入过程就完成了。

该终端就使用CRNTI作为后续流程的身份标识。

 

3.8降低多个终端同时随机接入的冲突的手段

（1）使用多个正交的前导码作为备选？

使用64个不同的前导码，区分不同的接入请求。

当然，前导码区分不用用户，不同的用户，有可能在某一次随机接入中随机选择了相同的前导码。

（2）使用码分复用支持多终端同时发起随机接入

ZC序列的前导码是正交的，可是现实码分复用的功能。

因此不同用户，如果随机选择的前导码不同，则可以同时发起随机接入请求，不会发生冲突。

（3）通过MSG4的TMSI来区分不同的用户

对于不同用户，在某一时刻，同时选择了相同的随机接入前导码下的冲突情形，可以通过MSG4来解除竞争冲突。

 

第4章 非竞争性随机接入流程

 

非竞争性随机接入的情形是：

手机已经接入到无线接入网中，并已经在提供服务。但由于手机的移动性，需要有一个小区切换到信号更好的相邻小区中，这种有服务小区切换到另一个小区中的随机接入过程。

由于不存在竞争，因此流程比竞争性随机接入流程简单。

 

1）MSG0：基站通过下行信令给UE指派非冲突的随机接入前导码（non-contention Random Access Preamble ）。

该非冲突的随机接入前导码是服务小区的机制通过X2接口从目标小区的基站那里获取的。

由于该前导码属于：

• 非冲突的随机接入前导码
• 是由目标基站预分配的

因此，当该终端在目标小区发起随机接入请求时，不会出现多个终端使用相同的随机接入前导码导致的冲突问题。

与竞争性随机接入流程相比，该过程的前提：是小区切换流程，需要通过源小区和目标小区之间有一个消息的预交互。

 

2） MSG1：UE在RACH上发送由基站指派的随机接入前缀。

 

3）MSG2：基站的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送。对于非竞争随机接入过程，preamble码由基站分配的。

整个流程到MS2 正确接受后就结束, 不需要MSG3和MSG4.