隨機接入是LTE系統中一個基本且重要的過程，其主要目的如下：①建立上行鏈路同步；②建立一個唯一終端標識C-RNTI，請求網路分配給終端上行鏈路資源。所以隨機接入不僅用於初始化接入，而且還可以用於切換過程中的新小區接入、無線鏈路失敗後的接入、在有上/下行數據傳輸時重新恢復上行同步以及UL-SCH資源請求等。
基本介紹
- 中文名：隨機接入過程
- 外文名：Random access procedure
- 套用學科：通信
LTE,基本原理,套用場景分析,
LTE
LTE無線接入協定體系結構如圖1所示，該接入系統分為三層：層一為物理層（PHY），層二為媒體接入控制子層（MAC）、無線鏈路控制子層（RLC）和分組數據會聚協定子層（PDCP），層三為無線資源控制層（RRC）。其中物理層是無線接入系統最底層，它以傳輸信道為接口，向上層提供服務。
圖1 LTE無線接入協定體系結構LTE（LongTermEvolution，長期演進)，又稱E-UTRA/E-UTRAN，和3GPP2UMB合稱E3G（Evolved3G）
LTE是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作夥伴計畫）組織制定的UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem，通用移動通信系統）技術標準的長期演進，於2004年12月在3GPP多倫多TSGRAN#26會議上正式立項並啟動。LTE系統引入了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用）和MIMO（Multi-Input&Multi-Output，多輸入多輸出）等關鍵傳輸技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率（20M頻寬2X2MIMO在64QAM情況下，理論下行最大傳輸速率為201Mbps，除去信令開銷後大概為140Mbps，但根據實際組網以及終端能力限制，一般認為下行峰值速率為100Mbps，上行為50Mbps），並支持多種頻寬分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段，因而頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也顯著提升。LTE系統網路架構更加扁平化簡單化，減少了網路節點和系統複雜度，從而減小了系統時延，也降低了網路部署和維護成本。LTE系統支持與其他3GPP系統互操作。LTE系統有兩種制式：FDD-LTE和TDD-LTE，即頻分雙工LTE系統和時分雙工LTE系統，二者技術的主要區別在於空中接口的物理層上（像幀結構、時分設計、同步等）。FDD-LTE系統空口上下行傳輸採用一對對稱的頻段接收和傳送數據，而TDD-LTE系統上下行則使用相同的頻段在不同的時隙上傳輸，相對於FDD雙工方式，TDD有著較高的頻譜利用率。
LTE/EPC的網路架構如圖2所示，其中E-URTAN對應於圖3，E-URTAN無線接入網路架構。
圖2 3GPP接入的非漫遊架構
圖3 E-UTRAN的網路結構基本原理
LTE系統上行鏈路隨機接入過程採用非同步的接入方式，即在終端還未獲得上行時間同步或喪失同步時，用於eNodeB估計、調整UE上行發射時鐘的過程，這個過程也同時用於UE向eNodeB請求資源分配。eNodeB回響UE的非同步隨機接入嘗試，向UE傳送時間信息來調整上行鏈路傳送定時，並分配所傳送數據或控制信令的上行鏈路資源，而且定時信息和上行數據資源分配也可以組合在一起傳送到UE。隨機接入過程有兩種模式：①基於競爭的隨機接入；②無競爭的隨機接入。在LTE系統中，每個小區中有64個可用的前導序列，對於基於競爭的隨機接入過程來說，UE隨機選擇一個前導序列向網路側發起隨機接入過程，因此如若同一時刻多個UE使用同一個前導序列發起隨機接入過程，就會發生衝突，有可能導致接入失敗。而無競爭的隨機接入使用eNodeB所分配的前導序列發起隨機接入過程，故接入成功率較高。但考慮到僅在切換或有下行數據傳送兩個場景下，eNodeB能夠事先知道UE需要發起隨機接入過程，所以僅在這兩個場景可以使用無競爭的隨機接入，對於其他套用場景，只能使用基於競爭的隨機接入。
（1）基於競爭的隨機接入過程
LTE中，基於競爭的隨機接入流程如圖5-3所示。
基於競爭的隨機接入主要分為4個步驟。
a．UE隨機選擇一個前導序列，在RACH信道上傳送。
b．eNodeB在檢測到有前導序列傳送後，下行傳送隨機接入回響，隨機接入回響中至少應包含以下信息。
-所收到的前導序列的編號。
-定時調整信息。
-為該UE分配的上行資源位置指示信息。
-臨時分配的C-RNTI。
c．UE在收到隨機接入回響後，根據其指示，在分配的上行資源上傳送上行訊息。
d．eNodeB接收UE的上行訊息，並向接入成功的UE返回衝突解決訊息。
（2）無競爭的隨機接入過程
無競爭的隨機接入過程是指UE在接入時，使用eNodeB提供的特定前導序列和PRACH資源，這樣就不會與其他的UE發生衝突，以保證接入的成功率，其實現流程如圖5-4所示。
圖5-3 基於競爭的隨機接入流程圖
5-4 無競爭的隨機接入流程與基於競爭的隨機接入過程相比，該流程增加了eNodeB分配並傳送特定前導序列的過程，減少了衝突解決的過程，其具體過程如下。
a．在下行方向，eNodeB通過專用信令指派專用隨機接入前導。
b．UE在RACH信道上傳送eNodeB分配的隨機接入前導。
c．eNodeB在檢測到有前導序列傳送後，下行傳送隨機接入回響，隨機接入回響中至少應包含以下信息。
-前導序列的編號。
-定時調整信息。
-為該UE分配的上行資源位置指示信息。
套用場景分析
上一節已經對隨機接入過程的原理、實現方式和實現流程進行了介紹，本節在此基礎之上對隨機接入過程的套用場景進行分析，具體如下。
場景1：UE處於RRC_IDLE狀態，進行初始隨機接入。
場景2：無線鏈路失敗後需要進行RRC連線重建。
場景3：切換，即UE處於RRC_CONNECTED狀態，由於某些原因（如當前服務小區信號質量變差等），需要切換到另一個目標小區。
場景4：UE處於RRC_CONNECTED狀態，但沒有取得上行同步，然而UE需要接收新的下行數據，然後在上行鏈路上反饋ACK/NACK信息。
場景5：UE處於RRC_CONNECTED狀態，但沒有取得上行同步，然而UE需要傳送新的上行鏈路數據或者是控制信息（如事件觸發測量報告等）。
場景6：UE處於RRC_CONNECTED狀態，需要進行定位。
上一節中我們已經提到，LTE的隨機接入過程包括基於競爭的隨機接入和無競爭的隨機接入兩種，那么在上面所提到的不同場景下，所採用的隨機接入方式如何選擇呢？建議如下。
（1）從3GPP協定的角度來看，上面6種套用場景下，UE均可以採用基於競爭的隨機接入。
（2）對於場景3和場景4，從3GPP協定的角度來看，UE既可以採用基於競爭的隨機接入，也可以採用無競爭的隨機接入，具體方式取決於廠家設備的實現。如果採用無競爭的隨機接入方式，則eNodeB可以通知UE使用特定無衝突的前導序列和PRACH資源來進行接入，這樣就可以避免可能發生的衝突，減少隨機接入的時間延遲。尤其對於場景3，為了保證切換的成功率和切換的時延，可考慮採用無競爭的隨機接入。
