LTE系統(tǒng)隨機接入過程的實現(xiàn)*

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

1 引 言

LTE(Long Term Evolution)項目是近年來3GPP啟動的最大的新技術(shù)研發(fā)項目，是未來移動通信發(fā)展的重要方向[1]。目前LTE并沒有市場化，尤其是LTE終端。對LTE終端隨機接入過程的分析具有前瞻性，這也是終端獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的首要和必經(jīng)過程，尤其涉及到具體實現(xiàn)過程。隨機接入過程是建立終端和網(wǎng)絡(luò)端的橋梁，也是UE獲得連接模式下正常業(yè)務(wù)的前提。只有通過隨機接入過程，方可獲取上行同步，進而后續(xù)正常通信方可完成。所以如何有效、正確地完成隨機接入過程，對于LTE終端研究及最終商用顯得非常重要。本文從LTE系統(tǒng)底層協(xié)議入手，依托LTE重大專項，結(jié)合實現(xiàn)過程中涉及到的具體問題，對隨機接入過程進行了深入分析。

2 基本過程與流程設(shè)計

隨機接入目的是為了獲得和網(wǎng)絡(luò)端的上行同步以及申請上行資源?；贚TE隨機接入過程分為兩類，一是基于競爭的隨機接入過程，一是基于無競爭的隨機接入過程。對于無競爭的隨機接入過程而言，網(wǎng)絡(luò)端會通過顯性行令ra-PreambleIndex參數(shù)明確告知UE在進行接入時所需要的前導(dǎo)，該前導(dǎo)為網(wǎng)絡(luò)端預(yù)留前導(dǎo)，避免了競爭，這種非競爭機制處理簡單，這此不作討論。

在競爭模式下，隨機接入過程主要有以下應(yīng)用場景：從RRC-IDLE初始的接入；RRC連接重建過程；切換；RRC-CONNECTED連接模式下，DL數(shù)據(jù)到來，此時UL非同步；RRC-CONNECTED連接模式下，有UL數(shù)據(jù)發(fā)送，此時UL非同步或者沒有PUCCH資源傳輸調(diào)度請求(SR)。對于后面的兩類應(yīng)用場景比較特殊，這和LTE的上行定時機制有關(guān)。上行時間對齊維持由MAC層控制，作用是維持上行同步。用于時間對齊的定時機制使用MAC控制元素來更新上行傳輸定時，當(dāng)收到Timing Advance Command，就會啟動或重啟時間提前定時器timeAlignmentTimer。然而以這種方式維持上行同步，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時間段內(nèi)就會浪費無線資源和UE功耗。涉及的處理方法當(dāng)定時時間間隔期滿前，如果沒有收到另一個定時提前更新，那么認(rèn)定UE失去了上行同步[2]，在沒有重新發(fā)起同步前，不允許進行任何形式的傳輸。當(dāng)下行數(shù)據(jù)/上行數(shù)據(jù)傳輸開始時，使用隨機接入過程重新獲得上行同步。

基于終端和網(wǎng)絡(luò)端通信機制，設(shè)計了隨機接入流程及相應(yīng)的處理方案，如圖1所示。

圖1 隨機接入過程流程設(shè)計

基于競爭的隨機接入過程分4步接入：前兩步是前導(dǎo)的發(fā)送，獲得定時提前量Timing Advance，調(diào)整上行發(fā)送時間，獲取上行同步，即由非接入層(NAS)觸發(fā)無線資源控制器(RRC)發(fā)送RRC 連接建立請求，通過原語CMAC-RANDOM-ACC-REQ觸發(fā)MAC前導(dǎo)的發(fā)送，并之后進入ACC狀態(tài)，按預(yù)定時刻接收Random Access Response；后兩步是上行數(shù)據(jù)Msg3的發(fā)送[3]，通過原語PHY-UL-TASK-REQ發(fā)往空口，以及后續(xù)網(wǎng)絡(luò)端響應(yīng)消息通過PHY-DL-RECE-IND報給MAC。

3 涉及到的問題

在實現(xiàn)過程中，會涉及到具體細(xì)節(jié)，同時也會涉及具體的異常情況,包括發(fā)送前導(dǎo)時時頻資源如何計算、網(wǎng)絡(luò)端響應(yīng)消息何時接收、如何控制上行傳輸時序以及處理過程中異常情況的處理。這也是基于實現(xiàn)中涉及的實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并不同于理想化的網(wǎng)絡(luò)模型，對于異常情況的處理顯得尤為重要，這也是協(xié)議棧軟件設(shè)計的難點和重點，也是系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定性的重要前提。

3.1 PRACH資源的選擇

在競爭隨機接入中，通過PHY-RACH-SEND-REQ發(fā)送前導(dǎo)，然而映射到怎樣的資源上是不可回避的問題，下面給出PRACH時頻資源的計算方法。

(1)時域資源

(2)頻率資源

由于LTE下行采用OFDM技術(shù)，資源分配方式為時域和頻域，上行鏈路基于時域和頻率的正交分割，資源由時域頻域的物理資源塊(PRB)來體現(xiàn)，對于前導(dǎo)格式0～3,計算方法如下：

(1)

對于前導(dǎo)格式4，UpPTS屬特殊子幀，對應(yīng)的頻率資源需單獨計算，計算方法如下：

(2)

式中，nf為系統(tǒng)幀號，下行同步后便可獲得；NSP為一個無線幀中下行-上行幀轉(zhuǎn)化點的個數(shù)，最大為2；PRACH占用6個PRB，對應(yīng)最小帶寬1.08 MHz。

3.2 隨機接入響應(yīng)接收

終端處一個上行鏈路幀開始是相對于在終端處接收到的下行鏈路幀的起點進行定義的。當(dāng)發(fā)送完隨機接入前導(dǎo)，何時進行下行隨機接入響應(yīng)消息的接收，在發(fā)送前導(dǎo)時便需確定，如果發(fā)完前導(dǎo)一直檢測PDCCH,雖然能避免估計誤差造成響應(yīng)接收遺漏，但大大浪費了UE功耗。在實現(xiàn)中，涉及的處理方案是前導(dǎo)發(fā)完間隔兩幀開始接收隨機接入響應(yīng)，接收窗長度為ra-ResponseWindowSize，最大接收窗為一個無線幀長，具體如圖2所示。

圖2 隨機接入響應(yīng)接收時序設(shè)計

3.3 上行傳輸?shù)臅r序控制

發(fā)送完隨機接入前導(dǎo)后，根據(jù)隨機接入響應(yīng)信息的接收情況，上行傳輸?shù)臅r序控制從以下幾個方面進行討論：

(1)如果在子幀n上檢測到PDCCH的RA-RNTI，在DS-SCH上包含了與前導(dǎo)對應(yīng)的隨機接入響應(yīng)，那么UE應(yīng)依據(jù)響應(yīng)消息頭中的參數(shù)T，如果T設(shè)為0(需要延時)，則在n+k1(k1≥6)子幀上傳輸上行數(shù)據(jù)；如果T為1(不需要延時)，則在下一個可用的UL子幀上傳輸;

(2)如果隨機接入響應(yīng)在子幀n上接收，但在DL-SCH上的傳輸塊不包含與前導(dǎo)相匹配的隨機接入響應(yīng)，那么UE應(yīng)不遲于子幀n+5發(fā)送新的前導(dǎo)序列；

(3)如果在子幀n上沒有收到隨機接入響應(yīng)，其中n為在隨機接入響應(yīng)窗的最后一子幀沒有收到隨機接入響應(yīng)，如果高層請求，則不遲于子幀n+4發(fā)送新的前導(dǎo)序列;如果隨機接入過程由PDCCH 指示在子幀n上有下行數(shù)據(jù)到達(dá)，如果高層請求，UE應(yīng)在子幀n+k2(k2≥6)(PRACH資源可用)傳輸隨機接入前導(dǎo)。

以上討論中，第一種情況為正常的時序控制，從中可以看出數(shù)據(jù)的收發(fā)不需要網(wǎng)絡(luò)端通過專用信令告知，是預(yù)先規(guī)劃好的，實現(xiàn)中容易規(guī)劃；第二種情況中的應(yīng)用場景為多個用戶選擇了相同的時頻資源發(fā)送前導(dǎo)，但只有同響應(yīng)中的前導(dǎo)標(biāo)識相匹配的前導(dǎo)，方可認(rèn)為隨機接入響應(yīng)接收成功；第三種情況中的應(yīng)用場景為在接收窗內(nèi)沒有接收到隨機接入響應(yīng)信息，如圖2所示，在PRACH發(fā)送完間隔兩幀開始接收響應(yīng)，如果在窗長內(nèi)沒有收到Random Access Response，則需要重新發(fā)送前導(dǎo)，時序為不遲于子幀n+4，同時前導(dǎo)發(fā)送次數(shù)PREAMBLE-TRANSMISSION-COUNTER加1。

3.4 異常情況的處理

在隨機接入過程中，上述第二、三種情況中涉及的具體問題是典型的異常情況，下面給出相應(yīng)的異常解決方案，如圖3所示。

圖3 隨機接入過程異常情況方案設(shè)計

在進行上行接入的過程中，如果在接收窗內(nèi)沒有收到隨機接入響應(yīng)信息，則按相應(yīng)的時序調(diào)整重新通過原語PHY-RACH-SEND-REQ發(fā)送前導(dǎo)；如果利用RA-RNTI加擾PDCCH成功，但Random Access Response中的Random Access Preamble Identifiers與發(fā)送的Preamble不匹配，如果含有參數(shù)backoff，則按規(guī)避處理，否則在下一次可用的上行幀上進行前導(dǎo)的重傳。一旦PREAMBLE-TRANSMISSION-COUNTER=preambleTransMax+1，則認(rèn)為當(dāng)前小區(qū)不允許接入，跳進MAC-SEL狀態(tài)，進行小區(qū)選擇過程。

3.5 實現(xiàn)

為了實現(xiàn)對隨機過程過程設(shè)計方案的驗證，根據(jù)整個軟件結(jié)構(gòu)，建立相應(yīng)的仿真環(huán)境，在此采用Telelogic AB Tau的產(chǎn)品SDL and TCN Suite 4.0[5]作為開發(fā)工具，給出相應(yīng)的消息順序圖(MSC)。仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可進一步看出協(xié)議的執(zhí)行過程以及狀態(tài)的躍遷直觀地表現(xiàn)在MSC圖上，與前面的方案設(shè)計情況一致，說明該設(shè)計有效地完成了協(xié)議所要求的隨機接入功能，這也對LTE的商用化具有一定的參考價值。

圖4 隨機接入過程異常情況仿真結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮川，李小文. LTE終端小區(qū)選擇方案設(shè)計及實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2010，50(3)：81-84.

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[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.

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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)