LTE 随機接入 --（1）流程

1.随機接入的目的

       随機接入是UE和網絡之間建立無線鍊路的必經過程，隻有在随機接入完成之後，eNB和UE之間才能正常進行資料互操作（Normal DL/UL transmission can take place after the random access procedure）。UE可以通過随機接入實作兩個基本的功能：

• （1）取得與eNB之間的上行同步（TA）。一旦上行失步，UE隻能在PRACH中傳輸資料。（as long as the L1 is non-synchronised, uplink transmission can only take place on PRACH.）
• （2）申請上行資源（UL_GRANT）。

2.随機接入的種類

       根據業務觸發方式的不同，可以将随機接入分為基于競争的随機接入（Contention based random access procedure）和基于非競争的随機接入（Non-Contention based random access procedure）。所謂“競争”，就是說可能存在這麼一種情況，多個終端在同個子幀使用同樣的PRACH資源向eNB發送了同樣的前導碼序列，希望得到eNB的資源授權，此時eNB無法知道這個請求是哪個UE發出的，是以後續各UE需要通過發送一條隻與自己本UE相關的、獨一無二的消息（MSG3），以及eNB收到這條消息後的回傳（MSG4）到UE，來确認目前接入成功的UE是哪一個。這種機制就是競争解決機制。類似GSM系統的SABM/UA幀的握手機制。

2.1.競争随機接入的場景

       當eNB不知道UE的業務或者狀态，而UE又必須申請上行資源或上行TA同步的時候，UE就需要發起競争随機接入。這種情況下，eNB沒有為UE配置設定專用的Preamble碼，而是由UE在指定範圍内随機選擇Preamble碼并發起随機接入過程。發生競争接入的具體場景有（36300-10.1.5）：

（1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此時RRC層的狀态為RRC_IDLE，UE需要CONNECTION REQUEST，而eNB無法知道，是以需要UE執行競争接入過程。

（2）UE的重建（RRC Connection Re-establishment procedure）。重建的原因有多種，比如UE側的RLC上行重傳達到最大次數，就會觸發重建，此時eNB也不知道UE的重建狀态，也需要UE執行競争接入過程。

（3）UE有上行資料發送，但檢測到上行失步（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is "non-synchronised"）。這個情況與初始接入類似，eNB無法知道UE什麼時候有上行業務要做，是以需要UE執行競争接入過程。

（4）UE有上行資料發送，但沒有SR資源（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when there are no PUCCH resources for SR available"）。一般的，如果沒有UL_GRANT用于發送BSR，UE會通過SR發送上行資源申請，但如果也沒有SR資源，則隻能通過競争接入過程申請UL_GRANT。此時，eNB顯然也不知道UE是否有上行資料發送。

（5）在非競争接入過程中，eNB發現沒有了非競争資源，也會轉到競争接入過程（定位過程除外）

2.2.非競争随機接入的場景

非競争随機接入是UE根據eNB的訓示，在指定的PRACH信道資源上使用指定的Preamble碼發起的随機接入，适用于：

（1）切換（Handover）。

（2）eNB有下行資料發送，但檢測到上行失步（DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is “non-synchronised”）。

（3）定位過程。

3.競争随機接入的主要流程

本文僅描述主要流程，一些細節内容以後會分不同的主題再描述。

下圖是36300給出的競争随機接入的四步過程，包括Random Access Preamble （MSG1）和Random Access Response（MSG2）、Scheduled Transmission（MSG3）和Contention Resolution（MSG4）。

3.1、MSG1

UE向eNB發送前導碼(Random Access Preamble on RACH in uplink)。

       随機接入前導序列碼集合是由實體層生成的最大數目為64個Zadoff-Chu序列及其移位序列組成。eNB側的RRC配置設定部分或全部Preamble序列的索引值用于競争随機接入，并通過系統資訊SIB2廣播到UE。UE随機接入需要的PRACH實體信道資源如PRACH個數和時頻位置等也由RRC通過系統消息SIB2廣播到UE。UE側的RRC收到SIB2後，解析出其中的Preamble資訊并配置到MAC，由MAC根據路損等資訊在Preamble集合中随機選擇一個Preamble索引配置給實體層，實體層根據MAC的Preamble索引，通過查表/公式生成有效的Preamble ZC序列并發送到eNB。

      每個小區可用的Preamble碼總數不超過64個，在所有用于競争随機接入的Preamble碼中，eNB側的RRC可以選擇性的将其分為2組：Group A和Group B。UE觸發随機接入的時候，需要根據待發的MSG3大小和路損大小确定Preamble碼集合(If both groups are configured the size of message 3 and the pathloss are used to determine which group a preamble is selected from)。其中，Group B用于MSG3較大而路損較小的場景，Group A用于其它不适合Group B的場合。那麼如何衡量MSG3和路損是大還是小，這些值衡量的門限參數是由eNB在SIB2資訊中通知給UE的。UE确定Preamble碼使用集合A或B後，從該集合中随機選擇一個Preamble碼發送。

       如果eNB将小區内所有的Preamble碼都劃歸為Group A（即SIB2中配置的總SIZE=Group A SIZE），則UE直接從Group A中随機選擇一個Preamble碼發送。eNB側RRC配置的Group A SIZE和Group total SIZE一般可以由管理工具配置，不需要RRC代碼靜态配置設定，UE側RRC根據Group A SIZE和total SIZE即可計算出Group B的SIZE。

       UE根據從SIB2中擷取到的資訊，生成随機接入前導Preamble序列，并在PRACH信道的相應随機接入資源上發起随機接入。 此時UE并不知道eNB與UE之間的距離，為避免對其它使用者幹擾，Preamble序列設計時，後面會有一個GT保護間隔。

3.2 MSG2

eNB向UE發送MSG2（Random Access Response generated by MAC on DL-SCH）。

       eNB會在PRACH中盲檢測前導碼，如果eNB檢測到了随機接入前導序列碼Radom Access Preamble，則上報給MAC，後續會在随機接入響應視窗内，在下行共享信道PDSCH中回報MAC的随機接入響應Radom Access Response。解碼PDSCH信道内容，需要UE先通過RA-RNTI解碼出PDCCH資源配置設定資訊，然後繼續解碼PDSCH信道内容。而RA-RNTI是由承載MSG1的PRACH時頻資源位置确定的，UE和eNB均可以計算出RA-RNTI值，是以空口中并不需要傳輸RA-RNTI。

       随機接入響應視窗的起點是與MSG1（RA Preamble）間隔3個子幀，長度為2-10ms，由eNB的RRC配置，并通過系統資訊SIB2發送到UE。

       RA Response（MSG2）消息中包含：MSG1中的RA Preamble（供UE比對操作）、UE上行定時提前量TA（11位，粗調）、backoff回退參數（重新發起Preamble碼應延遲再次接入的時間）、為傳輸MSG3配置設定的PUSCH上行排程資訊UL_Grant（包括是否跳頻、調制編碼率、接入資源和接入時刻等内容）、Temple C-RNTI（供MSG3加擾使用）。

       RA response（MSG2）是一個獨立的MAC PDU，在DL-SCH中承載。一個MSG2中可以包含多個UE的Preamble，即響應多個UE的随機接入請求。UE通過檢測MSG2中是否攜帶了其發送的Preamble碼來辨別是否收到了eNB的随機接入響應，但此時還沒有完成競争解決，并不表示此次eNB側的應答就是針對本UE的應答。

3.3 MSG3

UE向eNB發送MSG3（First scheduled UL transmission on UL-SCH）。

       UE根據RA Response中的TA調整量可以獲得上行同步，并在eNB為其配置設定的上行資源中傳輸MSG3，以便進行後續的資料傳輸。

       Msg3的初始傳輸是唯一通過MAC層MSG2消息訓示的上行資料動态排程傳輸，當随機接入過程完成後，其他動态排程上行初始傳輸都是通過DCI0進行資源配置設定訓示。MSG3消息開始支援HARQ過程，重傳的資源和位置通過Temple C-RNTI加擾的DCI0告訴UE。

       MSG3可能攜帶RRC建鍊消息（RRC Connection Request），也可能攜帶RRC重建消息（RRC Connection Re-establishment Request ）。如果有層3消息，那麼MAC需要儲存該CCCH SDU資訊，因為eNB MAC發送MSG4的時候需要将UE的這個CCCH SDU資訊回發給UE，當做競争解決辨別（UE Contention Resolution Identity）使用，以便完成最終的競争解決。

3.4 MSG4

eNB向UE發送MSG4（Contention Resolution on DL）。

eNB和UE最終通過MSG4完成競争解決：

（1）對于初始接入和重建的情況，MSG4中的MAC PDU會攜帶競争解決辨別（UE Contention Resolution Identity，即MSG3中的CCCH SDU，RRC Connection Request、RRC Connection Re-establishment Request 等消息）。UE在解碼TC-RNTI加擾的PDCCH信道後（The Temporary C-RNTI on PDCCH for initial access and after radio link failure），繼續在PDSCH信道中擷取MSG4的MAC PDU内容，解碼成功後，與UE之前在MSG3中發送的CCCH SDU進行比較，二者相同則競争解決成功（因為不同的UE，其辨別不同）。此時MSG3的MAC-CE中不會攜帶CRNTI字段，對于重建而言，CCCH SDU中則會攜帶CRNTI資訊，RRC據此區分不同的UE。競争解決後，TCRNTI轉正為CRNTI(The Temporary C-RNTI is promoted to C-RNTI for a UE which detects RA success and does not already have a C-RNTI; it is dropped by others. )

（2）對于切換、上/下行資料傳輸但失步等其他場景進行的競争随機接入場景，此時因為UE已經配置設定了C-RNTI，在MSG3的MAC-CE中會将C-RNTI通知到eNB，是以eNB使用舊的C-RNTI加擾的PDCCH排程MSG4，而不使用TCRNTI加擾MSG4(The C-RNTI on PDCCH for UE in RRC_CONNECTED)。UE解碼出PDCCH排程指令的時候表示完成競争解決，MSG4中的具體内容已經與競争解決無關。這時，MSG2中由eNB配置設定的TC-RNTI失效，後續由eNB繼續配置設定給其它UE使用(A UE which detects RA success and already has a C-RNTI, resumes using its C-RNTI.)。是以，此種場景MSG4中不包括UE競争解決辨別。

       MSG4消息也支援HARQ過程，UE通過PUCCH訓示ACK，eNB PHY收到ACK後報給MAC。隻有成功完成競争解決的UE才回報ACK。

4.非競争随機接入的主要過程

       非競争随機接入是UE根據eNB的訓示，在指定的PRACH信道資源上使用指定的Preamble碼發起的随機接入，适用于切換、下行資料到達但失步、定位的場景。

4.1 eNB向UE發送RA Preamble assignment（Random Access Preamble assignment via dedicated signalling in DL）

       eNB向UE發送非競争随機接入過程需要的Preamble碼和PRACH信道接入資源。若此時前導碼資源不夠，eNB隻能通知UE發起競争随機接入，方式是将PDCCH格式1a中的Preamble index設定為全0，UE解碼出的Preamble Index全0後，會執行基于競争的随機接入過程。

對于切換，非競争前導碼通過切換指令發到UE；而其他的兩種場景，需要通過CRNTI加擾的DCI1A發到UE。

4.2 UE向eNB發送Preamble碼（Random Access Preamble on RACH in uplink）

       如果指定了多個PRACH信道資源，UE在連續三個可用的、有PRACH信道資源的子幀中随機選擇一個指定的PRACH信道資源用于承載MSG1。eNB側MAC處理過程同基于競争的随機接入過程。

4.3 eNB向UE回報随機接入響應Radom Access Response（Random Access Response on DL-SCH）

eNB側MAC處理過程同基于競争的随機接入過程。

五、整體附着流程

1.處在RRC_IDLE态的UE進行Attach過程，首先發起随機接入過程，即MSG1消息；

2.eNB檢測到MSG1消息後，向UE發送随機接入響應消息，即MSG2消息；

3.UE收到随機接入響應後，根據MSG2的TA調整上行發送時機，向eNB發送RRCConnectionRequest消息；

4.eNB向UE發送RRCConnectionSetup消息，包含建立SRB1承載資訊和無線資源配置資訊；

5.UE完成SRB1承載和無線資源配置，向eNB發送RRCConnectionSetupComplete消息，包含NAS層Attach request資訊；

6.eNB選擇MME，向MME發送INITIAL UE MESSAGE消息，包含NAS層Attach request消息；

7.MME向eNB發送INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，請求建立預設承載，包含NAS層Attach Accept、Activate default EPS bearer context request消息；

8.eNB接收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，如果不包含UE能力資訊，則eNB向UE發送UECapabilityEnquiry消息，查詢UE能力；

9.UE向eNB發送UECapabilityInformation消息，報告UE能力資訊；

10.eNB向MME發送UE CAPABILITY INFO INDICATION消息，更新MME的UE能力資訊；

11.eNB根據INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中UE支援的安全資訊，向UE發送 

12.SecurityModeCommand消息，進行安全激活；

13.UE向eNB發送SecurityModeComplete消息，表示安全激活完成；

14.eNB根據INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中的ERAB建立資訊，向UE發送RRCConnectionReconfiguration消息進行UE資源重配，包括重配SRB1和無線資源配置，建立SRB2、DRB（包括預設承載）等；

15.UE向eNB發送RRCConnectionReconfigurationComplete消息，表示資源配置完成；

16.eNB向MME發送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE響應消息，表明UE上下文建立完成；

17.UE向eNB發送ULInformationTransfer消息，包含NAS層Attach Complete、Activate default EPS bearer context accept消息；

18.eNB向MME發送上行直傳UPLINK NAS TRANSPORT消息，包含NAS層Attach Complete、Activate default EPS bearer context accept消息。

六、信令解析

1、RRC_CON_REQ

 RRC連接配接請求：終端由IDLE态轉為CONNECT狀态，或者終端有資料要發送時，會發送建立RRC連接配接的請求。由UL_CCCH信道發送上來，由SRB0承載。

Ue-Identity（UE辨別）

 包含randomValue和S-TMSI兩種。通常，終端初始入網附着時，用辨別randomValue表示；當終端如果已經擷取過S-TMSI，并判斷駐留cell的TA在UE的TAI list裡，即MME中儲存了UE的上下文資訊，則會使用S-TMSI作為UE的ID，其他的情況使用随機數randomValue。

establishmentCause（RRC建立原因）

 原因參數：emergency（緊急呼叫），highPriorityAccess（高優先級接入），mt-Access（移動終端接入，如響應尋呼），mo-Signalling（移動始端信令，如附着/位置更新/随機接入等），mo-Data（移動始端資料，上行有需要傳送時，如發生視訊/圖檔）；終端初始入網時可能攜帶highPriorityAccess/mo-Signalling；當終端有資料傳送時，攜帶原因值mo-Data；當網絡側有資料要向終端傳輸時，攜帶原因值mt-Access。

2、RRC_CONN_SETUP

 RRC連接配接建立消息包含建立SRB1承載和無線資源配置資訊，主要的目的是建立SRB1與AM，該消息通過DL_CCCH信道發送，承載在SRB0上。

srb-Identity:1

SRB1的辨別，表示隻建立SRB1

Am

SRB為保證信令的正确接收配置為AM模式，關于模式：透明模式（TM），非确認模式（UM）,确認模式（AM）

logicalChannelConfig

SRB1邏輯信道的配置

3、RRC_CONN_SETUP_CMP

RRC連接配接建立完成，建立完成消息就通過SRB1承載在UL_DCCH信道上發送。該消息中帶有NAS層消息，NAS消息基站側不解析，直傳給MME。

selectedPLMN-Identity

訓示UE選擇的PLMN，如果是1，表示在SIB1消息裡面的第一個PLMN，如果是2，表示在SIB1消息裡面的第二個PLMN，以此類推；

dedicateInfoNAS

傳輸UE的NAS層消息，通過eNB層透傳給MME，包含了Attach request的消息；

RRC_DL_INFO_TRANSF

RRC下行直傳消息，目的是傳送NAS消息

RRC_UL_INFO_TRANSF

RRC上行直傳消息，目的是傳送NAS消息，這是RRC層（空口）跟蹤的消息内容

以上的信令主要是實作消息的安全互動，包括UE和網側間的雙向鑒權，對空口消息的加密和完整性保護兩方面，分為NAS Security和AS Security;

NAS Security：負責對NAS資料的加密和完整性保護，在MME和UE間對等的NAS層實作；

AS Security： 負責對AS資料中控制平面（RRC)資料（即SRB1,SRB2）的加密和完整性保護，以及資料平面（UP）資料（DBR)的加密。在eNodeB和UE間對等的PDCP層實作；

 RRC_UE_CAP_ENQUIRY

UE能力查詢請求消息，由基站發往終端。查詢UE在不同網絡的接入能力：

RRC_UE_CAP_INFO

UE根據前一個消息會把自己的無線接入能力上報給上層網絡，并與網絡MME中存儲的能力進行對比更新，以應對後續的通信服務需求；

ue-CapabilityRAT-ContainerList

 UE支援網絡制式的清單，該清單中優先介紹LTE的支援能力，然後介紹是否包含3G能力，如果包含就會介紹，最後介紹包含2G的能力；

supportedROHC-Profiles

 支援ROHT協定情況。ROHC是一種專為無線鍊路設計的資料標頭壓縮機制，以适應無線鍊路高誤碼率和長環回時間的鍊路特性，一般應用于VOIP業務；

RRC_CONN_RECFIG

 RRC連接配接重配置，由eNodeB發送給UE，要求UE進行相關無線資源重配，為建立SRB2和DRB;

srb-Identity---0x2(2)

 增加SRB2，SRB2：用于傳送NAS消息的，它必須在安全激活後才能被建立起來，以確定信令的安全性。SRB1是傳送RRC信令的，在SRB2建立前也傳NAS消息，SRB2建立後SRB1就隻用于傳RRC信令了。重配置等消息就是在SRB1上傳送的；

 logicalChannelConfig

 DRB邏輯信道配置；

 Priority

 邏輯信道優先級。UE排程器按邏輯信道優先級由高到低依次保證邏輯信道的優先速率；所有業務優先速率保證後，按邏輯信道優先級由高到低配置設定資源，僅在QCI為6，7，8，9時該參數有效。取值範圍9~16，預設值QCI6:9；QCI:10;QCI8:11；QCI9:12

 RRC_CONN_RECFG_CMP

 RRC連接配接重配完成消息與連接配接重配置消息是一對對存在的，總是對應前一個重配消息。信令中沒有重配失敗消息，如果重配失敗，則直接發起RRC連接配接重建。該消息表示建立SRB2和DRB已完成。