随机接入流程优化方案

由于LTE和WCDMA都使用了前导和前导功率相似增幅，因而LTE随机接入（RACH）操作与WCDMA相似。初始功率主要基于下行链路中的路径衰耗测量值，由于UE路径衰耗精确度和绝对功率值不高，因而功率渐增是必要的，用于补偿上行链路衰落。LTEPRACH资源与PUSCH和PUCCH是分离的，因而功率渐增对于不同前导序列的同步检测和降低干扰是非常重要的，这种干扰主要是由邻近PUCCH和PUSCH资源处PRACH异步传输导致的。物理层进程的步骤主要包括：

1）使用MAC所选的PRACH资源、前导序列和功率来传输前导码。

2）等待具有匹配前导信息（PRACH资源和前导序列）的RACH响应。除了前导信息之外，响应信息还包含用于进一步交换信息和使用定时提前功能的上行链路资源信息。正如第13章中将讲到的Release 8 HSPA（High Speed Packet Access，高速分组接入）操作内容那样，在WCDMARACH过程中，当确认收到前导码后，UE将继续传送数据，数据持续时间为10/20ms帧，甚至更长。LTE的主要不同是在接收到包含必要信息的随机接入响应后，设备将直接使用UL-SCH（Uplink Shared Channel，上行链路共享信道）。

3）如果没有收到匹配随机接入响应，则根据MAC指令，需要在下一个可用PRACH资源传输前导，如图5-42所示。

图5-42 随机接入过程中的功率渐增

虽然LTE规范中的模型要求物理层只需传输前导码，并在MAC控制下检测响应即可，但是我们不考虑规范模型，对整个随机接入过程进行描述。

LTE给出了两种截然不同的随机接入过程。基于竞争的随机接入过程是我们通常理解的随机接入过程：UE对从通用资源中随机选出的前导码进行传输，建立一条网络连接或请求资源用于上行链路传输。基于非竞争的随机接入过程是由网络发起的，用于对UE上行链路传输进行同步，网络能够根据初次上行链路传输结果来识别UE。由于该过程使用了PRACH资源，因而它属于LTE随机接入范围。两种随机接入过程都可用于TDD和FDD系统。

5.9.5.1 基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入

基于竞争的随机接入过程的信令传输过程如图5-43左半部分所示。

图5-43 基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程(www.xing528.com)

第1步，UE传输PRACH上的前导序列。PRACH和前导序列的细节信息参见5.7节。每个蜂窝预留有64个前导序列，在基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程中，它们是以分组的形式出现的。为基于竞争的随机接入过程预留的前导序列分为两组：通过选择适当的组，UE发送1bit用于表示传输块大小的信息，该信息包含在第3步UE想要发送的PUSCH传输信息中。

第2步，UE接收到DL-SCH资源上的前导响应，其中DL-SCH资源是在PD-CCH上进行分配的。用于资源分配的RA-RNTI（Random Access-Radio Network Temporary Identity，随机接入-无线网络临时标识）与前导频率资源和时间资源有关。这样就能支持对前导响应进行打包处理，前导响应主要用于在同一PRACH频率资源和时间资源内传输的前导序列，这对于节省PDCCH资源是非常重要的。eNodeB在一个时间窗口中传输响应，该时间窗口持续时间可设置为10ms。灵活的时间窗口使得RACH接收机的规划更为自由，且支持对前导响应进行调度。

响应（MAC层的信令部分将在第6章中进行描述）列举了有效前导的序列数目，此外，对于每个确认的前导序列来说，还给出了如下信息：

1）对PUSCH初次传输的许可信息，也包括上行链路传输所需的跳频、功率控制命令信息，CQI传输需求信息，PUSCH传输信息是否需要由子帧对标称值进行延迟的信息。

2）定时校准命令。

3）临时为身份分配的、称为临时CRNTI（Cell Radio Network Temporary I-dentity，蜂窝无线网络临时标识）的标识，它用于解决随机接入过程第3步和第4步中的PUSCH许可和DL-SCH分配问题。

前导发生碰撞（即两个或多个UE在同一频率和时间资源内传输同一前导序列）的典型概率预计为1%左右。这种碰撞可以通过第3步和第4步来解决：UE将其身份标识包含在第一条消息中，并通过PUSCH将该消息在第3步中发送出去，并有望在第4步收到eNodeB已接收到身份标识的确认消息。确认消息有两种形式：①如果UE将CRNTI包含在第3步中的消息中，则确认消息可以是一条与CRNTI有关的PUSCH许可/DL-SCH分配消息；②UE的身份标识也可以采用通过临时CRNTI分配的DL-SCH资源传送的一条消息来确认。确认消息的第一种形式主要针对与UE相连的RRC，而当UE试图建立或重建RRC连接时，则采用第二种形式。第3步和第4步都可以采用HARQ技术。当HARQ技术应用于第3步时，它与标准的HARQ没有任何区别，但当HARQ技术应用于第4步时，UE从来不发送NAK（非确认）消息，只有那些赢得竞争解决权的UE才能发送ACK消息。当竞争解决丢失后，不会采取特殊措施，但UE会简单地对某个前导进行重传，这与未接收到前导响应的情形类似。

LTE网络能够对RACH净荷进行快速控制。如果UE在第2步中没有接收到前导序列的确认消息，或者在第4步没有接收到竞争解决标识，且功率设置为渐增，则UE使用较大的功率来重传前导序列。通常情况下，一旦UE准备就绪，就会启动重传过程，但网络也可以设置一个回退参数，迫使UE在进行重传之前，添加一个随机时延。如果需要的话，回退参数可以包含在前导响应消息中，所有UE在对消息进行解码时都遵守这种设置。它支持的净荷控制速率比WCDMA快，在WCDMA系统中，相似的净荷控制参数位于以广播形式发送的系统信息中。

基于非竞争的随机接入过程如图5-43右半部分所示，它主要用于切换期间以及当与UE相连的RRC需要进行同步来为下行链路数据到达做准备时的时间规整。在切换命令中或者通过PDCCH信令，UE接收到其专用前导序列的编号，该序列可以在PRACH上进行传输。除了序列编号外，还需要传送频率资源和时间资源的一些限制条件，这样同一序列可以同时分配给多个UE，这一序列通过不同的PRACH子帧或不同的PRACH频率（对于TDD模式来说）进行传送。基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程中的前导响应是相同的，这样它们可以简化为一个响应消息。由于eNodeB知道发送专用前导消息的UE身份标识，因而不需要第3步和第4步中的竞争解决消息。

与基于竞争的随机接入过程相比，基于非竞争的随机接入过程提供了时延和容量增强方案。由于不存在前导碰撞，不需要竞争解决消息，因而能够缩短时延，这对于切换过程至关重要。序列资源能够得到有效使用，因为仅当需要时才分配序列资源给UE，且一旦eNodeB检测到UE已收到前导响应消息，则迅速释放序列资源。

在前导计数器或RRC定时器的作用下，会中止一个失败的随机接入过程。前导计数器仅在两种随机接入条件下起决定性作用：①与UE相连的RRC不存在调度请求资源，但因上行链路数据到达而请求资源；②与UE相连的RRC因上行链路数据到达而需要进行同步。由于RRC连接建立/重建，或者由于切换过程的存在，导致随机接入过程已经启动，则该过程将持续下去，直至成功或根据随机接入条件，当RRC定时器过期时，MAC进入复位状态。