随机接入过程
编辑
锁定
随机接入是LTE系统中一个基本且重要的过程，其主要目的如下：①建立上行链路同步；②建立一个唯一终端标识C-RNTI，请求网络分配给终端上行链路资源。所以随机接入不仅用于初始化接入，而且还可以用于切换过程中的新小区接入、无线链路失败后的接入、在有上/下行数据传输时重新恢复上行同步以及UL-SCH资源请求等。
中文名
随机接入过程外文名
Random access procedure
应用学科
通信
随机接入过程LTE
LTE无线接入协议体系结构如图1所示，该接入系统分为三层：层一为物理层(PHY)，层二为媒体接入控制子层(MAC)、无线链路控制子层(RLC)和分组数据会聚协议子层(PDCP)，层三为无线资源控制层(RRC)。其中物理层是无线接入系统最底层，它以传输信道为接口，向上层提供服务。
图1 LTE无线接入协议体系结构
LTE(LongTermEvolution，长期演进)，又称E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2UMB合称E3G(Evolved3G)
LTE是由3GPP(The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移动通信系统)技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多TSGRAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)和MIMO(Multi-Input&Multi-Output，多输入多输出)等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率(20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbps，除去信令开销后大概为140Mbps，但根据实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps)，并支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。LTE系统有两种制式：FDD-LTE和TDD-LTE，即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统，二者技术的主要区别在于空中接口的物理层上(像帧结构、时分设计、同步等)。FDD-LTE系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，而TDD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。
LTE/EPC的网络架构如图2所示，其中E-URTAN对应于图3，E-URTAN无线接入网络架构。
图2 3GPP接入的非漫游架构
图3 E-UTRAN的网络结构
随机接入过程基本原理
LTE系统上行链路随机接入过程采用非同步的接入方式，即在终端还未获得上行时间同步或丧失同步时，用于eNodeB估计、调整UE上行发射时钟的过程，这个过程也同时用于UE向eNodeB请求资源分配。eNodeB响应UE的非同步随机接入尝试，向UE发送时间信息来调整上行链路发送定时，并分配所传送数据或控制信令的上行链路资源，而且定时信息和上行数据资源分配也可以组合在一起发送到UE。随机接入过程有两种模式：①基于竞争的随机接入；②无竞争的随机接入。在LTE系统中，每个小区中有64个可用的前导序列，对于基于竞争的随机接入过程来说，UE随机选择一个前导序列向网络侧发起随机接入过程，因此如若同一时刻多个UE使用同一个前导序列发起随机接入过程，就会发生冲突，有可能导致接入失败。而无竞争的随机接入使用eNodeB所分配的前导序列发起随机接入过程，故接入成功率较高。但考虑到仅在切换或有下行数据发送两个场景下，eNodeB能够事先知道UE需要发起随机接入过程，所以仅在这两个场景可以使用无竞争的随机接入，对于其他应用场景，只能使用基于竞争的随机接入。
(1)基于竞争的随机接入过程
LTE中，基于竞争的随机接入流程如图5-3所示。
基于竞争的随机接入主要分为4个步骤。
a．UE随机选择一个前导序列，在RACH信道上发送。
b．eNodeB在检测到有前导序列发送后，下行发送随机接入响应，随机接入响应中至少应包含以下信息。
-所收到的前导序列的编号。
-定时调整信息。
-为该UE分配的上行资源位置指示信息。
-临时分配的C-RNTI。
c．UE在收到随机接入响应后，根据其指示，在分配的上行资源上发送上行消息。
d．eNodeB接收UE的上行消息，并向接入成功的UE返回冲突解决消息。
(2)无竞争的随机接入过程
无竞争的随机接入过程是指UE在接入时，使用eNodeB提供的特定前导序列和PRACH资源，这样就不会与其他的UE发生冲突，以保证接入的成功率，其实现流程如图5-4所示。
图5-3 基于竞争的随机接入流程图
5-4 无竞争的随机接入流程
与基于竞争的随机接入过程相比，该流程增加了eNodeB分配并发送特定前导序列的过程，减少了冲突解决的过程，其具体过程如下。
a．在下行方向，eNodeB通过专用信令指派专用随机接入前导。
b．UE在RACH信道上发送eNodeB分配的随机接入前导。
c．eNodeB在检测到有前导序列发送后，下行发送随机接入响应，随机接入响应中至少应包含以下信息。
-前导序列的编号。
-定时调整信息。
-为该UE分配的上行资源位置指示信息。
随机接入过程应用场景分析
上一节已经对随机接入过程的原理、实现方式和实现流程进行了介绍，本节在此基础之上对随机接入过程的应用场景进行分析，具体如下。
场景1：UE处于RRC_IDLE状态，进行初始随机接入。
场景2：无线链路失败后需要进行RRC连接重建。
场景3：切换，即UE处于RRC_CONNECTED状态，由于某些原因(如当前服务小区信号质量变差等)，需要切换到另一个目标小区。
场景4：UE处于RRC_CONNECTED状态，但没有取得上行同步，然而UE需要接收新的下行数据，然后在上行链路上反馈ACK/NACK信息。
场景5：UE处于RRC_CONNECTED状态，但没有取得上行同步，然而UE需要发送新的上行链路数据或者是控制信息(如事件触发测量报告等)。
场景6：UE处于RRC_CONNECTED状态，需要进行定位。
上一节中我们已经提到，LTE的随机接入过程包括基于竞争的随机接入和无竞争的随机接入两种，那么在上面所提到的不同场景下，所采用的随机接入方式如何选择呢？建议如下。
(1)从3GPP协议的角度来看，上面6种应用场景下，UE均可以采用基于竞争的随机接入。
(2)对于场景3和场景4，从3GPP协议的角度来看，UE既可以采用基于竞争的随机接入，也可以采用无竞争的随机接入，具体方式取决于厂家设备的实现。如果采用无竞争的随机接入方式，则eNodeB可以通知UE使用特定无冲突的前导序列和PRACH资源来进行接入，这样就可以避免可能发生的冲突，减少随机接入的时间延迟。尤其对于场景3，为了保证切换的成功率和切换的时延，可考虑采用无竞争的随机接入。
词条图册
更多图册
