LTE学习笔记--LTE无线连接过程--网络接入过程

1，检测系统信息广播

系统信息广播由网络实现操作，周期性放入发送，UE开机后，会接收到由eNode B通过物理广播信道（PBCH）和物理性下行控制信道（PDCCH）发送的基站指示信息。包括本小区的物理随机接入信道（PRACH）配置索引、逻辑根序列初始值、循环移位索引、上下行配置索引等于随机接入有关的参数。
UE通过这些指示信息生成要发送给eNode B的随机接入前导序号。

2，小区搜索过程

UE要接入LTE网络，必须经过小区搜索、获取小区系统信息、随机接入等过程。小区搜索的主要目的：1）与小区取得频率和符号同步；2）获取系统帧timing，即下行帧的起始位置；3）确定小区的PCI（Physical-layer Cell Identity）。
UE不仅需要在开机时进行小区搜索，为了支持移动性（mobility），UE会不停地搜索邻居小区、取得同步并估计该小区信号的接收质量，从而决定是否进行切换（handover，当UE处于RRC_CONNECTED态）或小区重选（cell re-selection，当UE处于RRC_IDLE态）。
小区搜索过程：
1.主同步信号，UE可以获得5ms的基准时间
2.辅同步信号，UE可以获得帧同步和物理层的小区组
3.下行参考信号（Reference Signal），UE可以获得物理层的小区id
4.UE获得物理层小区id和帧同步后，UE就可以在BCH上读取系统消息，用于获取其它小区信息。
以下是FDD和TDD主同步信号（PSS）和从同步信号在数据帧中的位置。

UE首先是解析出PSS信号。再通过PSS信号推算出SSS信号放入可能位置。然后尝试解析出SSS信号。以下是小区搜索过程的流程。

UE在事先不知道小区信息的情况下搜索小区，需要经过时隙同步、帧同步、捕获主扰码三个步骤。这三个步骤涉及到四个下行物理信道：主同步信道（P-SCH）、从同步信道（S-SCH）、主公共导频信道（P-CPICH）、主公共控制物理信道（P-CCPCH）。这里是在每个时隙10ms帧内发送两次PSCH和SSCH，先通过检测PSCH获得5ms时钟，然后检测SSCH，获得无线帧时钟，小区ID组和BCH天线配置信息。具体小区ID是通过检测下行参考信号得到的。这一步是在获得了帧同步之后进行。
如果终端上已经存有某个小区的信息，如频率、主扰码等，那么终端可以利用这些信息来简化小区搜索过程，其搜索过程仍大致需要遵循这三个步骤。
1）时隙同步：主同步信道（P-SCH）、从同步信道（S-SCH）、主公共导频信道（P-CPICH）、主公共控制物理信道（P-CCPCH）之间是同步的。先要获取各时隙的边界，从而与各物理信道实现时隙同步。这一步是通过捕获主同步信道来实现的。主同步信道不属于码信道，没有经过扩频和加扰处理。主同步信道在每个时隙的起始处重复发送主同步码，所有小区的主同步码相同，且终端预先知道其码片序列。捕获到该主同步码（PSC）确定各物理信道的时隙边界。主同步码的传送周期是5ms,
2）帧同步：通过捕获从同步信道来实现的。下行扰码又分为主扰码和从扰码，其中主扰码有 512个，分为64组，每组8个。因此，在第二步实现物理信道的帧同步的同时，终端可以获悉该小区的无线帧中使用的从同步码字组合，从而可以确定该小区使用的主扰码所属的组别。
3）捕获主扰码：通过前两步，终端能够同步到主公共导频信道的无线帧。第二步已经确定该主扰码所属的组号，因此，只需要定位到该主扰码组，然后从个主扰码中找到与本小区匹配的主扰码，捕获主扰码的工作即告结束。然后，就可以用主扰码解码主公共控制物理信道，从而解调出系统下发的广播消息，通过读取BCH获得小区的其他系统信息。
在小区搜索的时候，搜索的次序是同频小区、异频小区、然后找不同系统之间的小区。在经过前面的小区搜索过程后，终端仍需判定该小区的信号质量是否达到一定的要求，才能进一步确定是否可以驻留在该小区。

3，初始接入

为了注册到网络，终端还需要经过初始接入过程，首先进行接入等级的判定，目的在于在一些特定条件下动态阻止或限制网络的接入，例如网络严重超负荷和一些紧急条件下。当用户端符合接入等级时，通过随机接入过程，使得终端能够与网络建立一个RCC连接。之后可以在上行共享控制信道上发消息。

4，随机接入

4.1，RA的触发条件和发起方式

RA过程是UE与eNode B的RRC层通过一组消息进行交互的过程，通过此类过程实现RRC对整个协议栈的管理和控制。随机接入过程（RA）的大致过程都分为以下几步。

触发随机接入过程过程的事件如下：
①UE处于IDLE态，初始接入：当UE开机之后或者处于IDLE的时候，为了接入网络，UE搜网和接收网BCH之后，就可以发起RACH。
②UE重建过程：当UE处于连接态时，由于无线环境的变化，UE掉链进入重建过程
③UE切换：当UE处于连接状态时，由于移动，UE需要从一个小区切换到另一个小区
④UE处于连接状态，上行数据到达：当UE在链接态时，由于上行失步，这时UE有数据需要发送，此时需要发送RACH，先进行上行同步
⑤UE处于连接状态，下行数据到达：UE处于连接状态时，由于上行失步，当时eNB 还有下行数据需要发送，可以通过发送PDCCH order的方法快速回复上行同步。
⑥UE处于连接状态，UE定位：需要UE做定位
RRC接入包括两种不同的模式：基于竞争的随机接入和非基于竞争的随机接入。不同的事件触发不同的接入过程：
触发基于竞争的随机接入过程（CR-RA）的事件有：初始接入，重建立，切换下行数据到达，上行数据到达。触发基于非竞争的随机接入过程（NCR-RA）的时间有：切换，下行数据到达，和UE定位。从上面可以发现，切换和下行数据到达的随机接入过程两种模式均可。
UE发起随机接入需要使用preamble码，每个小区有64个可用的Preamble码，eNB通过广播系统消息SIB2通知所有的UE，告诉UE 64个Preamble的具体内容（包括Preamble本身和其发送的可能时频资源）。UE会选择其中一个（当然也可能eNB指定）。发送Preamble意味着RA过程的开始。触发UE发起RA过程（也就是发送preamble码）的方式有以下3种：（1）PDCCH order 触发：eNodeB 通过特殊的 DCI format 1A 告诉 UE 需要重新发起随机接入，并告诉 UE 应该使用的 Preamble Index 和 PRACH Mask Index；（2）MAC 子层触发：UE 自己选择 preamble 发起随机接入；（3）上层触发：如初始接入，RRC 连接重建，handover 等。
UE 发送preamble 给 eNB，实际上是暗示eNB有一个随机接入请求（MSG3），同时通过preamble的接收，eNB 能估计其与 UE 之间的传输时延并以此校准上行 timing。UE 发送 preamble，需要一下几个步骤：（详细内容参见PHY.PRACH相关章节）
（1）选择 preamble index；
（2）选择用于发送 preamble 的PRACH 资源；
（3）确定对应的 RA-RNTI；
（4）确定目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。
每个preamble在频域上占用6个连续RB的带宽，这正好等于LTE支持的最小上行带宽。因此，不管小区的传输带宽有多大，都可以使用相同的RA preamble结构。 preamble在时域上的长度取决于配置。

4.2，RA Preamble的选取

每个cell下的64个Preamble可以分成三个部分:PreambleGoupA，PreambleGroupB和contenion-free Preamble。其具体划分由sizeOfRA-PreambleGroupA和numberOfRA-Preamble（ SIB2）决定。

其中GroupA和GroupB(可能不存在)用于竞争接入，这两组Preamble的本身是不存在区别的，仅在eNB作UL grant决策时发挥作用。如果UE的MSG3比较大(>messageSIzeGroupA)并且路径损耗pathloss小于PCMAX,c-preambleInitialReceivedTargetPower-DeltaPreambleMsg3-messagePowerOffsetGroupB，则使用GroupB的Preamble，eNB发现接收到的Preamble属于GroupB，则会分配一个较大的资源给此UE。如果不分组，eNB始终必须配置一个很大的UL grant给msg3。
选择好Group后，UE从该Group随机选择一个Preamble并将PRACHMaskIndex置0（意思是所有可能的PRACH资源）。基于竞争随机的RA过程如下图所示。

UE也可能进行基于非竞争的RA，比如handover等非竞争的RA过程如下图所示。

从上图可以看到preamble是eNB直接指定的contention-free preamble。基于非竞争的RA，其PreambleIndex是eNB指定的。指定方式包括两种情况：1，如handover通过RACH-ConfigDedicated内部字段(ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex)设置;2，如下行数据到达或定位通过DCI format 1A的内部字段（Preamble Index和PRACH Mask Index）设置。
还有一种特殊的情况，eNB指定了PreambleIndex但是等于00000，此时按基于竞争的随机接入执行RA过程。（这一情况可能只针对所有64个preamble全被设置成contention-preamble）。

4.3，Preamble时频资源

SIB2中的prach-configIndex指定了时域上可用的PRACH的资源集合，PRACH Mask Index指定了某个UE可以在系统帧内的哪些PRACH上发送preamble（值0表示所有可用的PRACH资源）。在基于非竞争的随机接入中eNB可以通过mask直接指定UE在某个特定的PRACH上发送preamble。

比如，对于prach-configIndex查表后的得出PRACH resource={RF,SF}={any,[0，2，4，6，8]},而ra-PRACH-MaskIndex=3，从上表可知，对应的PRACH的资源号为3，表示preamble在系统帧内的第4个PRACH资源上发送。PRACH资源号是系统帧内的PRACH资源的编号，从0开始并以PRACH资源在下标出现的排序（FDD）。

preamble 的时频位置决定了 RA-RNTI 的值，UE 发送了 preamble 之后，会在 RAR 时间窗内，根据这个 RA-RNTI 值来监听对应的 PDCCH。 Legacy LTE的RA-RNTI 的计算如下。：
RA-RNTI= 1 + t_id+10*f_id
其中，t_id 是发送 preamble 的 PRACH 所在的第一个子帧号（0 ≤ t_id < 10），f_id 是在该子帧发送 preamble 的 PRACH 在频域上的索引（0 ≤ f_id < 6）。对于 FDD 而言，每个子帧只有一个PRACH 资源，因此 f_id 固定为 0。（RA-RNTI 的计算见 36.321 的 5.1.4 节）

4.4，确定目标接收功率

preamble 的目标接收功率 PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER 通过下面的公式计算：
preambleInitialReceivedTargetPower + DELTA_PREAMBLE + (PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER – 1) * powerRampingStep
其中 preambleInitialReceivedTargetPower 是 eNodeB 期待接收到的 preamble 的初始功率。DELTA_PREAMBLE 与 preamble format 相关，其值见 36.321 的的 Table 7.6-1。而powerRampingStep 是每次接入失败后，下次接入时提升的发射功率。 preamble 的实际发射功率的计算公式为：
PPRACH=min{PCMAX,c(i),PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER+PLc}_[dBm]PPRACH=min{PCMAX,c(i),PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER+PLc}_[dBm]
其中，PCMAX,c(i)PCMAX,c(i)是 UE 在 PCell 的子帧 i 上所配置的最大输出功率，PLcPLc是 UE 通过测量 PCell的小区特定的参考信号得到的下行路径损耗。
至此RA preamble的准备工作就绪，UE开始发送Preamble。
发送了接入前导序列以后，UE需要监听PDCCH信道，是否存在eNB回复的RAR消息，(Random Access Response)，RAR的时间窗是从UE发送了前导序列的子帧 + 3个子帧开始, 长度为Ra-ResponseWindowSize个子帧。如果在此时间内没有接收到回复给自己的RAR, 就认为此次接入失败。
如果初始接入过程失败，但是还没有达到最大尝试次数preambleTransMax，那么UE可以在上次发射功率的基础上, 功率提升powerRampingStep，来发送此次前导, 从而提高发送成功的机率。

4.5，随机接入响应 (RAR)

当eNB检测到UE发送的前导序列，就会在DL-SCH上发送一个响应，包含：检测到的前导序列的索引号、用于上行同步的时间调整信息、初始的上行资源分配(用于发送随后的MSG3)，以及一个临时C-RNTI，此临时的C-RNTI将在步骤四(冲突解决)中决定是否转换为永久的C-RNTI。
当Preamble发送完毕后，UE需要在k+3（k表示preamble发送的结束SF）的位置开始监听RAR的PDCCH，此PDCCH需要使用RA-RNTI才可解析出，RA-RNTI与UE发送前导序列的时频位置一一对应。UE和eNodeB可以分别计算出前导序列对应的RA-RNTI值。UE监听PDCCH信道以RA-RNTI解码得到RAR msg的位置信息，并解码相应的PDSCH信道得到RAR msg，如果RAR中前导序列索引与UE自己发送的前导序列相同，那么UE就采用RAR中的上行时间调整信息, 并启动相应的冲突调整过程。

]
RAR的窗口大小配置在SIB2中，如下所示。

关于RAR的MAC PDU结构，一个MAC PDU包括一个头和0-n个MAC RAR。(Example of MAC PDU consisting of a MAC header and MAC RARs)。

MAC header的大小是可变的，它可能包好一个或多个 MAC PDU subheaders。除了backoff Indicator subheader外，每一个MAC PDU subheader对应一个MAC RAR。backoff Indicator subheader仅仅包含一次且只要包含肯定是MAC PDU subheaders中的第一个。其结构如下

BI实际上是指示了UE重传Preamble的等待时间范围。如果UE在规定的时间范围以内，没有收到任何RAR消息，或者RAR消息中的前导序列索引与自己的不符，则认为此次的前导接入失败。UE 需要推迟一段时间, 才能进行下一次的前导接入。推迟的时间范围，就由backoff indictor来指示，UE可以在0 到BackoffIndicator之间随机取值。这样的设计可以减少UE在相同时间再次发送前导序列的几率。
而其他普通的MAC PDU subheaders由3个fields组成，分别是E/T/RAPID，如下图所示。

而MAC RAR由4个fileds组成，如下图所示。其中下右图是对应BL UEs and UEs in enhanced coverage in enhanced coverage level 2 or 3的情况，其他情况MAC RAR使用下左图格式。最后一个MAC RAR可能会发生填充。是否填充以及填充的长度是根据TB大小，MAC header的大小和RAR的数量计算得到的。

4.6，MSG3 发送 (RRC Connection Request)

UE接收到RAR消息, 获得上行的时间同步和上行资源。但此时并不能确定RAR消息是发送给UE自己而不是发送给其他的UE的。由于UE的前导序列是从公共资源中随机选取的，因此, 存在着不同的UE在相同的时间-频率资源上发送相同的接入前导序列的可能性，这样，他们就会通过相同的RA-RNTI接收到同样的RAR。而且，UE也无从知道是否有其他的UE在使用相同的资源进行随机接入。为此UE需要通过随后的MSG3 和MSG4消息, 来解决这样的随机接入冲突。
MSG3是第一条基于上行调度，通过HARQ (Hybrid Automatic Repeat request)，在PUSCH上传输的消息。其最大重传次数由maxHARQ-Msg3TX定义。在初始的随机接入中, MSG3中传输的是RRCConnectionRequest。如果不同的UE接收到相同的RAR消息，那么他们就会获得相同的上行资源，同时发送Msg3消息，为了区分不同的UE，在MSG3中会携带一个UE特定的ID，用于区分不同的UE。在初始接入的情况下, 这个ID可以是UE的S-TMSI(如果存在的话)或者随机生成的一个40 位的值(可以认为，不同UE随机生成相同的40 位值的可能性非常小)。
UE在发完MSg3消息后就要立刻启动竞争消除定时器mac-ContentionResolutionTimer（而随后每一次重传消息3都要重启这个定时器），UE需要在此时间内监听eNodeB返回给自己的冲突解决消息。

4.7，冲突解决消息

如果在mac-ContentionResolutionTimer时间内，UE接收到eNodeB返回的ContentionResolution消息，并且其中携带的UE ID与自己在Msg3中上报给eNodeB的相符,那么UE就认为自己赢得了此次的随机接入冲突，随机接入成功。并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI置为自己的C-RNTI。否则的话，UE认为此次接入失败, 并按照上面所述的规则进行随机接入的重传过程。
值得注意的是, 冲突解决消息MSG4, 也是基于HARQ的。只有赢得冲突的UE才发送ACK值, 失去冲突或无法解码Msg4 的UE不发送任何反馈消息。
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作者：月凉西厢
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/a34140974/article/details/79610971
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