LTE系统随机接入过程的实现*

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

1 引 言

LTE(Long Term Evolution)项目是近年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，是未来移动通信发展的重要方向[1]。目前LTE并没有市场化，尤其是LTE终端。对LTE终端随机接入过程的分析具有前瞻性，这也是终端获得网络服务的首要和必经过程，尤其涉及到具体实现过程。随机接入过程是建立终端和网络端的桥梁，也是UE获得连接模式下正常业务的前提。只有通过随机接入过程，方可获取上行同步，进而后续正常通信方可完成。所以如何有效、正确地完成随机接入过程，对于LTE终端研究及最终商用显得非常重要。本文从LTE系统底层协议入手，依托LTE重大专项，结合实现过程中涉及到的具体问题，对随机接入过程进行了深入分析。

2 基本过程与流程设计

随机接入目的是为了获得和网络端的上行同步以及申请上行资源。基于LTE随机接入过程分为两类，一是基于竞争的随机接入过程，一是基于无竞争的随机接入过程。对于无竞争的随机接入过程而言，网络端会通过显性行令ra-PreambleIndex参数明确告知UE在进行接入时所需要的前导，该前导为网络端预留前导，避免了竞争，这种非竞争机制处理简单，这此不作讨论。

在竞争模式下，随机接入过程主要有以下应用场景：从RRC-IDLE初始的接入；RRC连接重建过程；切换；RRC-CONNECTED连接模式下，DL数据到来，此时UL非同步；RRC-CONNECTED连接模式下，有UL数据发送，此时UL非同步或者没有PUCCH资源传输调度请求(SR)。对于后面的两类应用场景比较特殊，这和LTE的上行定时机制有关。上行时间对齐维持由MAC层控制，作用是维持上行同步。用于时间对齐的定时机制使用MAC控制元素来更新上行传输定时，当收到Timing Advance Command，就会启动或重启时间提前定时器timeAlignmentTimer。然而以这种方式维持上行同步，在没有数据发送的时间段内就会浪费无线资源和UE功耗。涉及的处理方法当定时时间间隔期满前，如果没有收到另一个定时提前更新，那么认定UE失去了上行同步[2]，在没有重新发起同步前，不允许进行任何形式的传输。当下行数据/上行数据传输开始时，使用随机接入过程重新获得上行同步。

基于终端和网络端通信机制，设计了随机接入流程及相应的处理方案，如图1所示。

图1 随机接入过程流程设计

基于竞争的随机接入过程分4步接入：前两步是前导的发送，获得定时提前量Timing Advance，调整上行发送时间，获取上行同步，即由非接入层(NAS)触发无线资源控制器(RRC)发送RRC 连接建立请求，通过原语CMAC-RANDOM-ACC-REQ触发MAC前导的发送，并之后进入ACC状态，按预定时刻接收Random Access Response；后两步是上行数据Msg3的发送[3]，通过原语PHY-UL-TASK-REQ发往空口，以及后续网络端响应消息通过PHY-DL-RECE-IND报给MAC。

3 涉及到的问题

在实现过程中，会涉及到具体细节，同时也会涉及具体的异常情况,包括发送前导时时频资源如何计算、网络端响应消息何时接收、如何控制上行传输时序以及处理过程中异常情况的处理。这也是基于实现中涉及的实际网络环境，并不同于理想化的网络模型，对于异常情况的处理显得尤为重要，这也是协议栈软件设计的难点和重点，也是系统设计稳定性的重要前提。

3.1 PRACH资源的选择

在竞争随机接入中，通过PHY-RACH-SEND-REQ发送前导，然而映射到怎样的资源上是不可回避的问题，下面给出PRACH时频资源的计算方法。

(1)时域资源

(2)频率资源

由于LTE下行采用OFDM技术，资源分配方式为时域和频域，上行链路基于时域和频率的正交分割，资源由时域频域的物理资源块(PRB)来体现，对于前导格式0～3,计算方法如下：

(1)

对于前导格式4，UpPTS属特殊子帧，对应的频率资源需单独计算，计算方法如下：

(2)

式中，nf为系统帧号，下行同步后便可获得；NSP为一个无线帧中下行-上行帧转化点的个数，最大为2；PRACH占用6个PRB，对应最小带宽1.08 MHz。

3.2 随机接入响应接收

终端处一个上行链路帧开始是相对于在终端处接收到的下行链路帧的起点进行定义的。当发送完随机接入前导，何时进行下行随机接入响应消息的接收，在发送前导时便需确定，如果发完前导一直检测PDCCH,虽然能避免估计误差造成响应接收遗漏，但大大浪费了UE功耗。在实现中，涉及的处理方案是前导发完间隔两帧开始接收随机接入响应，接收窗长度为ra-ResponseWindowSize，最大接收窗为一个无线帧长，具体如图2所示。

图2 随机接入响应接收时序设计

3.3 上行传输的时序控制

发送完随机接入前导后，根据随机接入响应信息的接收情况，上行传输的时序控制从以下几个方面进行讨论：

(1)如果在子帧n上检测到PDCCH的RA-RNTI，在DS-SCH上包含了与前导对应的随机接入响应，那么UE应依据响应消息头中的参数T，如果T设为0(需要延时)，则在n+k1(k1≥6)子帧上传输上行数据；如果T为1(不需要延时)，则在下一个可用的UL子帧上传输;

(2)如果随机接入响应在子帧n上接收，但在DL-SCH上的传输块不包含与前导相匹配的随机接入响应，那么UE应不迟于子帧n+5发送新的前导序列；

(3)如果在子帧n上没有收到随机接入响应，其中n为在随机接入响应窗的最后一子帧没有收到随机接入响应，如果高层请求，则不迟于子帧n+4发送新的前导序列;如果随机接入过程由PDCCH 指示在子帧n上有下行数据到达，如果高层请求，UE应在子帧n+k2(k2≥6)(PRACH资源可用)传输随机接入前导。

以上讨论中，第一种情况为正常的时序控制，从中可以看出数据的收发不需要网络端通过专用信令告知，是预先规划好的，实现中容易规划；第二种情况中的应用场景为多个用户选择了相同的时频资源发送前导，但只有同响应中的前导标识相匹配的前导，方可认为随机接入响应接收成功；第三种情况中的应用场景为在接收窗内没有接收到随机接入响应信息，如图2所示，在PRACH发送完间隔两帧开始接收响应，如果在窗长内没有收到Random Access Response，则需要重新发送前导，时序为不迟于子帧n+4，同时前导发送次数PREAMBLE-TRANSMISSION-COUNTER加1。

3.4 异常情况的处理

在随机接入过程中，上述第二、三种情况中涉及的具体问题是典型的异常情况，下面给出相应的异常解决方案，如图3所示。

图3 随机接入过程异常情况方案设计

在进行上行接入的过程中，如果在接收窗内没有收到随机接入响应信息，则按相应的时序调整重新通过原语PHY-RACH-SEND-REQ发送前导；如果利用RA-RNTI加扰PDCCH成功，但Random Access Response中的Random Access Preamble Identifiers与发送的Preamble不匹配，如果含有参数backoff，则按规避处理，否则在下一次可用的上行帧上进行前导的重传。一旦PREAMBLE-TRANSMISSION-COUNTER=preambleTransMax+1，则认为当前小区不允许接入，跳进MAC-SEL状态，进行小区选择过程。

3.5 实现

为了实现对随机过程过程设计方案的验证，根据整个软件结构，建立相应的仿真环境，在此采用Telelogic AB Tau的产品SDL and TCN Suite 4.0[5]作为开发工具，给出相应的消息顺序图(MSC)。仿真结果如图4所示。由图4可进一步看出协议的执行过程以及状态的跃迁直观地表现在MSC图上，与前面的方案设计情况一致，说明该设计有效地完成了协议所要求的随机接入功能，这也对LTE的商用化具有一定的参考价值。

图4 随机接入过程异常情况仿真结果

参考文献：

[1] 冯川，李小文. LTE终端小区选择方案设计及实现[J].电讯技术，2010，50(3)：81-84.

FENG Chuan, LI Xiao-wen. Research of LTE terminal cell selection strategy and schematic design[J].Telecommunication Engineering, 2010，50(3)：81-84.(in Chinese)

[2] Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker. LTE:The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice [M].London：John Wiley & Sons Ltd.，2009:106.

[3] 3GPP.TS36.321 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control(MAC)protocol specifieation[S].

[4] 3GPP.TS36.211 V8.8.0,3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation[S].

[5] 李小文，李贵勇，陈贤亮，等.TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现[M].北京：人民邮电出版社，2003.

LI Xiao-wen, LI Gui-yong, CHEN Xian-liang.et al. The 3rd generation mobile communication system, signaling and realization[M]. Beijing: People Posts & Telecommunications Press,2003.(in Chinese)