随机接入的4个步骤

概要

随机接入（Random Access Procedure）是LTE网络中的一个重要过程，它允许用户设备（UE，这里指手机）与网络建立连接并取得上行同步。

无论是基于竞争的随机接入，还是基于非竞争的随机接入，UE 都只能在其 PCell 上发起随机接入。

对于基于竞争的随机接入而言，其整个过程包含 4 个步骤。

步骤一 UE 发送随机接入前导码

UE 发送随机接入前导码（random access preamble） 给基站（eNodeB），以告诉 eNodeB 有一个随机接入请求，随机选择一个前导码并在PRACH上发送。

前导码是一种特殊的信号，用于触发随机接入过程。

同时，eNodeB 能通过监测 PRACH（物理随机接入信道）来识别这些前导码，并估计其与 UE 之间的传输时延并以此校准上行时序（uplink timing）。

上行时序是无线通信中的一个关键参数，指的是用户设备（UE）发送的上行信号到达基站的时间与基站期望接收该信号的时间之间的对齐程度。上行时序对于确保数据传输的准确性和减少干扰至关重要。

UE 要成功发送 preamble，需要

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；
   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。
4. 确定目标接收功率 PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。

步骤二 基站发送随机接入响应 （RAR）

eNodeB接收到前导码后，如果资源允许，会回复RAR。

RAR包含了：
RAPID：为 eNodeB 在检测 preamble 时得到的 preamble index。如果 UE 发现该值与自己发送 preamble 时使用的索引相同，则认为成功接收到对应的 RAR。
上行授权（UL Grant）：指定了UE用于发送Msg3的上行资源，如时间、频率资源等。
时间调整命令（Timing Advance Command）：指示UE需要对其上行传输进行多少时间的调整，以同步到网络的时间参考。
RA-RNTI：一个临时的标识，用于在这个随机接入过程中识别UE。

UE 发送了 preamble 之后，将在 RAR 时间窗（RA Response window）内监听物理下行控制信道（PDCCH），以接收对应 RA-RNTI 的 RAR。RAR是eNodeB对其接入请求的确认，UE根据RAR中的信息准备发送下一步的消息。如果在此 RAR 时间窗内没有接收到 eNodeB 回复的 RAR，则认为此次随机接入过程失败。

步骤三 UE 发送 Msg 3

之所以将第 3 条消息称为 Msg 3 而不是某一条具体消息的原因在于，根据 UE 状态的不同和应用场景的不同，这条消息也可能不同，因此统称为 Msg 3，即第 3 条消息。

基于非竞争的随机接入， preamble 是某个 UE 专用的，所以不存在冲突；又因为该 UE 已经拥有在接入小区内的唯一标志 C-RNTI，所以也不需要 eNodeB 给它分配 C-RNTI。因此，只有基于竞争的随机接入才需要步骤三和步骤四。

如果 UE 在子帧 n 成功地接收了自己的 RAR，则 UE 应该在 $n + k_{1}$（其中 $k_{1} ≥ 6$）开始的第一个可用上行子帧发送 Msg 3。RAR 所带的 UL grant 中包含一个 1 bit 的字段 UL delay，如果该值为 0，则 $n + k_{1}$ 为第一个可用于 Msg 3 的上行子帧；如果该值为 1，则 UE 会在 $n + k_{1}$ 之后的第一个可用上行子帧来发送 Msg 3。

Msg 3 是 UE 对 RAR 的响应，携带的信息如下：

1. 如果是初次接入（initial access），Msg 3 为在 CCCH 上传输的 RRC Connection Request，且至少需要携带 NAS UE 标志信息。
2. 如果是 RRC 连接重建（RRC Connection Re-establishment），Msg 3 为 CCCH 上传输的 RRC Connection Re-establishment Request，且不携带任何 NAS 消息。
3. 如果是切换（handover），Msg 3 为在 DCCH 上传输的经过加密和完整性保护的 RRC Handover Confirm，必须包含 UE 的 C-RNTI，且如果可能的话，需要携带 BSR。
4. 对于其它触发事件，则至少需要携带 C-RNTI。

步骤四 eNodeB 进行冲突解决并发送 Msg 4

UE 会在 Msg 3 有携带自己唯一的标志： C-RNTI 或来自核心网的 UE 标志。
eNodeB 在冲突解决机制中，会在 Msg 4 中携带该唯一的标志以指定胜出的 UE。而其它没有在冲突解决中胜出的 UE 将重新发起随机接入。

eNodeB 会通过 PCell （主要小区，UE 在该小区上发起随机接入）上使用 C-RNTI 加扰的 PDCCH，或 DL-SCH （下行共享信道）上传输的 CRI MAC CE（MAC控制元素） 来指明哪个 UE 在冲突解决中胜出。

名词解释

• 随机接入（Random Access Procedure）
  UE 通过这个过程与小区建立连接并取得上行同步。

• eNodeB（也写作 eNB）
  是 “Evolved Node B” 的缩写，它是3GPP（第三代合作伙伴计划）LTE（Long Term Evolution，长期演进）网络标准中定义的基站的名称。

• PRACH（Physical Random Access Channel）
  物理随机接入信道，用于传输随机接入前导码（preamble）。

• preamble（随机接入前导码）
  UE 发送给 eNodeB 的信号，用以发起随机接入请求。

• RAR（Random Access Response）
  随机接入响应，eNodeB 对 UE 的随机接入请求的响应。

• RA-RNTI（Random Access Radio Network Temporary Identifier）
  随机接入无线网络临时标识，用于随机接入过程中的识别。

• PDCCH（Physical Downlink Control Channel）
  物理下行控制信道，用于传输控制信息，如调度决策。

• UL grant（上行授权）
  eNodeB 分配给 UE 的上行传输资源。

• TC-RNTI（Temporary Cell-RNTI）
  临时小区无线网络标识，用于随机接入过程中的标识。

• C-RNTI（Cell-RNTI）
  小区无线网络标识，用于 RRC_CONNECTED 态的 UE。

• CRI MAC CE
  （UE Contention Resolution Identity MAC control element）是用于解决用户设备（UE）之间的竞争问题的一种机制。

• PCell
  主要小区，UE 在该小区上发起随机接入。

• SCell
  辅助小区，用于载波聚合场景。