面向5G的MUSA多用户共享接入_袁志锋
1引言
未来5G场景经过抽象分为两大类，一类是移动宽带接入（MBB，Mobile Broadband）高容量，还有一类是物物连接进而发展为物联网（IoT，Internet of Things）。其中物物连接又分为两大类，一类是低数据速率，但具有海量节点；另一类是低时延高可靠。在前一类物物连接类型中由于连接点数量的海量，势必要求节点的成本很低，功耗很低。因此，在海量节点/低速率、低成本、低功耗这些要求下，目前4G的系统是无法满足这个要求的。主要体现为4G系统设计的时候主要针对的是高效的数据通信，是基于正交多址接入的无线通信系统，需通过严格的接入流程和控制来达到这一目的。如果非要在4G系统上承载上述场景，则势必造成接入节点数远远不能满足要求，信令开销不能接受，节点成本居高不下，功耗尤其是节点功耗不能数量级降低。因此，有必要设计一种新的多址接入方式来满足上述需求。
上述5G需求映射到技术层面上，则非正交和免调度这两项技术能很好地满足上述需求。首先，非正交设计之初就是允许用户信息混叠在一起，能天然地和免调度结合在一起；而在低传输速率下非正交/免调度能有更大的节点过载率；非正交/免调度能大量节省信令开销；非正交/免调度还能使系统不需要或者减弱上行同步过程；非正交/免调度能使节点做到想发就发，
不想发就深度休眠，从而大大节约节点的能耗；非正交/免调度还能简化节点物理层设计和流程，从而大大降低节点的成本。
MUSA（Multi-User Shared Access）是一种基于复数域多元码序列的多用户共享接入技术，是结合了非正交多址接入和免调度接入设计理念的新的多用户接入技术。
2MUSA(Multi-User Shared Access)
MUSA是一种基于复数域多元码的上行非正交多址接入技术，适合免调度的多用户共享接入方案，非常适合低成本、低功耗实现5G海量连接。
MUSA原理框图如图1所示。首先，各接入用户使用易于SIC接收机的、具有低互相关的复数域多元码序列将其调制符号进行扩展；然后，各用户扩展后的符号可以在相同的时频资源里发送。最后；接收侧使用线性处理加上码块级SIC来分离各用户的信息。
扩展序列会直接影响MUSA的性能和接收机复杂度，是MUSA的关键部分。如果像传统DS-CDMA （如IS-95标准）那样使用很长的PN（Pseudo-Noise）序列，那序列之间的低相关性是比较容易保证的，而且可以为系统提供一个软容量，即允许同时接入的用户数量（即序列数量）大于序列长度，这时系统相当于工作在过载的状态。下面把同时接入的用户数与序列长度的比值称为负载率，负载率大于1通常称为“过载”。
面向5G的MUSA多用户共享接入
袁志锋中兴通讯股份有限公司无线预研高级工程师
郁光辉中兴通讯股份有限公司无线预研总工程师
李卫敏中兴通讯股份有限公司无线预研高级工程师
摘要未来5G无线通信系统中，海量连接（MMC，Massive Machine Communication）将是其中一个非常重要的场景。而使用低成本、低功耗终端来实现海量连接是关键也是其面临的主要挑战。本文提出一种新的非正交接入方案：多用户共享接入（MUSA，Multi-User Shared Access）。MUSA是一种基于相对很短的复数域多元码（序列）的非正交多址接入方案，可以高效地工作在“免调度”的上行接入模式中，并能进一步简化上行接入的其他流程，特别适合低成本、低功耗实现海量连接。
关键词海量连接非正交多址多用户共享接入免调度
长PN 序列虽然可以提供一定的软容量（即一定的过载率），但是在5G 海量连接这样的系统需求下，系统过载率往往是比较大的，在大过载率的情况下，采用长PN 序列所导致的SIC 过程是非常复杂和低效的。
MUSA 上行使用特别的复数域多元码（序列）来作为扩展序列，此类序列即使很短时（如长度为8，甚至4时），也能保持相对较低的互相关。例如，其中一类MUSA 复数扩展序列，其序列中每一个复数的实部\虚部取值于一个多元实数集合。甚至一种非常简单的MUSA 扩展序列，其元素的实部\虚部取值于一个简单三元集合{-1,0,1}，也能取得相当优秀的性
能。该简单序列中元素相应的星座图如图2所示。
正因为MUSA 复数域多元码的优异特性，再结合先进的SIC 接收机，MUSA 可以支持相当多的用户在相同的时频资源上共享接入。值得指出的是，这些大量共享接入的用户都可以通过随机选取扩展序列，然后将其调制符号扩展到相同时频资源的方式来实现。从而MUSA 可以让大量共享接入的用户想发就发，不发就深度睡眠，而并不需要每个接入用户先通过资源申请、调度、确认等复杂的控制过程才能接入。这个免调度过程在海量连接场景尤为重要，能极大减轻系统
的信令开销和实现难度。同时，MUSA 可以放宽甚至免除严格的上行同步过程，只需要实施简单的下行同步。最后，存在远近效应时，MUSA 还能利用不同用户到达SNR 的差异来提高SIC 分离用户数据的性能。即也能如传统功率域NOMA 那样，将“远近问题”转化为“远近增益”。从另一角度看，这样可以减轻甚至免除严格的闭环功控过程。所有这些为低成本低功耗实现海量连接提供了坚实的基础。
上面从5G 海量连接的角度对比了MUSA 和传统CDMA 技术，下面同样地从5G 海量连接的角度看MUSA 和传统功率域非正交接入（NOMA ）的一些比较：首先，NOMA 不需要扩频，而MUSA 上行非正交扩频即使实部和虚部都限制在最简单的3值集合{-1,0,1}，也可以有足够多的低互相关码，如果放宽条件，则更多。而两者都使用干扰消除技术，但NOMA 不适合免调度场景，MUSA 适合免调度场景（利用随机性和码域维度）。最后，在免调度场景下，NOMA 的分集增益不如MUSA 。
3MUSA 蒙特卡罗仿真
本仿真通过对低成本、低功耗海量连接系统的一
些主要特征如免调度、免功控、高过载率等进行抽象建模，来定量评估MUSA 上行接入的性能。其中，MUSA 采用的复数扩展序列的实部与虚部的取值均来自于三元集合{-1,0,1}
。另外，关于过载率的定义，例如，对于
L 长的扩展序列，300%的过载率意味着有3L 个用户在
图1MUSA 上行接入方案
图2三元复序列元素星座图
相同的时频资源上共享接入，如果L 等于4，那么有12个用户在相同的时频资源上共享接入。
图3给出了MUSA 在AWGN 信道、1Tx1Rx 天线配置、不同序列长度时的用户过载性能。其中，每个用户采用1/2码率的LTE Turbo 编码和QPSK 调制，每个用户随机选取复数扩展序列来模拟免调度接入，通过控制各个用户的SNR 在4～20dB 范围内均匀分布来模拟没有严格闭环功率控制时同时接入用户的信道差异，接收机按照MMSE-SIC 算法进行接收检测。从图3的仿真结果可以看出，对于平均BLER 不超过1%，MUSA 采用长度为4、8、16的复数扩展序列分别可以实现225%、300%、350%的用户过载，这意味着MUSA 相对于正交接入系统可以在BLER=1%的工作点上支持更多的用户在相同的时频资源上共享接入。
MUSA 还可以通过结合OFDMA 来实现多个接入用户在相同的时频资源上共享接入。图4给出了MUSA 在ITU UMa 信道、1Tx2Rx 天线配置、不同SNR 分布时的用户过载性能。其中，各个用户使用相同的6个PRB ，复数扩展序列长度为4，通过在发射端控制每个用户的调制符号的SNR 来验证MUSA 在不同SNR 分布时的用户过载性能（4种典型的SNR 分布包括：各个用户的SNR 均为10dB 、各个用户的SNR 均为20dB 、各个用户的SNR 最大差值为6dB 、各个用户的SNR 最
大差值为12dB ），接收机信道估计为基于LTE 导频的理想信道估计，其他仿真假设与上述AWGN 信道下的仿真假设相同。从图4的仿真结果可以看出，对于采用长度为4的复数扩展序列，接收机采用2个天线接收可以显著提升MUSA 的用户过载性能，即使在各个用户的SNR 相同的情况下，MUSA 也可以在平均BLER=1%的工作点上支持450%左右的用户过载，而当各个用户的SNR 不同时，MUSA 可以实现500%甚至600%的用户过载。
4
结束语
本文首先分析了5G 场景对多址接入技术的新需
求，然后结合5G 需求对比分析了正交与非正交多址接入方式，并从分析中启发出设计思路。经过前面的需求分析、理论启发，本文进一步详细介绍了面向5G IoT 低成本海量连接的MUSA 多用户共享接入技术。
从分析和仿真结果可以看出，MUSA 通过创新设计的复数域多元码以及基于串行干扰消除（SIC ）的先进多用户检测，相较于4G 接入技术，可以让系统在相同时频资源下支持数倍用户的接入，并且可以免除资源调度过程，简化同步、功控等过程，从而能大大简化终端的实现，降低终端的能耗，特别适合作为未来5G
海量接入的解决方案。
图3MUSA 在AWGN 信道、1Tx1Rx 、不同序列长度时的
用户过载性能
图4MUSA 在ITU UMa 信道、1TxRx 、不同SNR 分布时的
用户过载性能
参考文献
13GPP TS36.213.3rd Generation Partnership Project;Techni-cal Specification Group Radio Access Network;Evolved -
Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical Layer Procedures
2David Tse and Pramod Viswanath.Fundamentals of Wireless Communication.Cambridge University Press.2005
Multi-User Shared Access for 5G Wireless Networks
Abstract The future of the 5G wireless communication system,a huge number of connections (MMC,massive machine
communication)is one of the most important scene.The use of low cost,low power consumption to achieve the terminal mass connection is a major challenge faced is the key.This paper presents a new non orthogonal access scheme:multi us-er shared access (MUSA,multi-user shared access).MUSA is a complex domain relatively short code (sequence)based on multiple non orthogonal multiple access scheme,can work efficiently in the "upstream access mode free scheduling",and other processes can further simplify the uplink access,especially suitable for low cost,low power consumption to achieve massive connection.
Key words massive machine communication(MMC),non-orthogonal multiple access(NOMA),multi-user shared access (MUSA),grant-free access （收稿日期：2015-05-06）
15G 时间表和4G 共存
5G 系统的初始商用预计在2020年左右，并会和
4G 的演进系统并行使用。图1提供了宏观的4G 和5G 时间表。
如图1所示，4G LTE-A 将在R13之后继续演进以支持更先进的特性和能力，同时保持与较早4G LTE 网
络的后向兼容性。持续的4G 演进使运营商能够充分利用现有的LTE 频谱和投资，并能够在5G 系统商用之前尝试获取新的频谱。
在2020年左右，5G 将会提供一个功能更加强大的新平台，同时5G 还将广泛地支持包括6GHz 以下和6GHz 以上包括毫米波在内的各种频率。5G 将在多个
高远行无限通达纵乾坤
——5G 愿景
QualcommTechnologies,Inc.
摘
要自20世纪80年代引入第一代系统起，移动通信每十年即取得一次飞跃。如今，4G LTE 提供
了高速移动宽带服务，为流媒体、社交网络和在线游戏等丰富的智能手机应用提供了可能。展望未来，移动通信将继续演进，为多种形态移动终端上运行的下一代应用带来前所未有的用户体验。可以预期，移动通信的使用将扩展到新的垂直行业（如汽车、健康和健身），在某些情况下还包括需求极高的使用案例和要求。为了支持上述应用场景，下一代5G 移动通信网络需要支持新的用户体验、服务和设备，并连接新的产业。此外，5G 必须能够利用不同类型频段，并能够使用一个成本可承受、高能效的方案提供新的服务。Qualcomm Technologies,Inc.将提供一个统一的系统设计以应对包括性能显著提高、可扩展性、适应性和成本/能耗效率在内的挑战。
关键词5G 4G 增强型移动宽带广域物联网关键任务服务
1.随机接入的目的 随机接入是UE和网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，eNB和UE之间才能正常进行数据互操作（Normal DL/UL transmission can take place after the random access procedure）。UE可以通过随机接入实现两个基本的功能： （1）取得与eNB之间的上行同步（TA）。一旦上行失步，UE只能在PRACH中传输数据。（as long as the L1is non-synchronised,uplink transmission can only take place on PRACH.） （2）申请上行资源（UL_GRANT）。 2.随机接入的种类 根据业务触发方式的不同，可以将随机接入分为基于竞争的随机接入（Contention based random access procedure）和基于非竞争的随机接入（Non-Contention based random access procedure）。所谓“竞争”，就是说可能存在这么一种情况，UE-A/B/C/D多个终端，在同个子帧、使用同样的PRACH资源，向eNB 发送了同样的前导码序列，希望得到eNB的资源授权，但此时eNB无法知道这个请求是哪个UE发出的，因此后续各UE需要通过发送一条只与自己本UE相关的、独一无二的消息（MSG3），以及eNB收到这条消息后的回传（MSG4）到UE，来确认当前接入成功的UE是哪一个。这种机制就是竞争解决机制。类似GSM系统的SABM/UA帧的握手机制。 2.1.竞争随机接入的场景 当eNB不知道UE的业务或者状态，而UE又必须申请上行资源或上行TA同步的时候，UE就需要发起竞争随机接入。这种情况下，eNB没有为UE分配专用的Preamble码，而是由UE在指定范围内（以后博文会具体介绍这个范围）随机选择Preamble码并发起随机接入过程。发生竞争接入的具体场景有（36300-10.1.5）： （1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此时RRC层的状态为RRC_IDLE，UE需要CONNECTION REQUEST，而eNB无法知道，因此需要UE执行竞争接入过程。 （2）UE的重建（RRC Connection Re-establishment procedure）。重建的原因有多种，比如UE侧的RLC上行重传达到最大次数，就会触发重建，此时eNB也不知道UE的重建状态，也需要UE执行竞争接入过程。
随机接入过程 一. PRACH 1. PRACH 的类型 从表1可以看出，Preamble 的类型一共有4种，而对于FDD 系统之支持0、1、2、3这4类Preamble 。对于Preamble format 0，在时间上占用一个完整的子帧；对于Preamble format 1和2，在时间上占用两个完整的子帧；对于Preamble format 3，在时间上占用三个完整的子帧。在频域上，Preamble format 0~3均占用一个PRB ，即180KHZ 的频带，区别是Preamble format 0~3的子载波间隔是1.25KHZ ，并占用864个子载波，由于ZC 序列的长度是839，因此Preamble format 0~3真正占用中间的839个子载波传输Preamble ，而剩余的25个子载波作为两边的保护带宽。 不同类型的Preamble 有长度不一样的CP 和保护间隔，小区的覆盖范围和保护间隔GT 有关，具体可参考如下公式： R = GT * C / 2 其中，R 为小区半径、GT 为保护间隔、C 表示光速。至于不同类型的Preamble 对应的小区半径可参考如下： Preamble 格式0：持续时间1ms ，可支持半径约14km ； Preamble 格式1：持续时间2ms ，可支持半径约77km ； Preamble 格式2：持续时间2ms ，可支持半径约29km ； Preamble 格式3：持续时间3ms ，可支持半径约107km ； 2. PRACH 的时频位置 首先给出PRACH 的时域位置，协议中由参数prach -ConfigIndex 给出，每个prach -ConfigIndex 给出了Preamble 的类型、System frame number(Even/Any)、Subframe number 。具体如表2所示： 而对于PRACH 的频域位置，协议中由参数RA PRBoffset n 确定，它的取值范围是60UL RB RA PRBoffset -≤≤N n 。
精心整理 随机接入过程 一.P RACH 1.PRACH的类型 表1：PRACH类型 0、1、 25 间隔GT有关，具体可参考如下公式： R=GT*C/2 其中，R为小区半径、GT为保护间隔、C表示光速。至于不同类型的Preamble 对应的小区半径可参考如下：
Preamble格式0：持续时间1ms，可支持半径约14km； Preamble格式1：持续时间2ms，可支持半径约77km； Preamble格式2：持续时间2ms，可支持半径约29km； Preamble格式3：持续时间3ms，可支持半径约107km； 2.PRACH的时频位置
的，而参数CS N 是由协议参数zeroCorrelationZoneConfig 和High-Speed-flag 共同确定的，具体可参考协议。还有一些其它参数，按照下述的一些公式计算： 当ZC CS N d N u <≤，则： 当)(3CS ZC ZC N N d N u -≤≤，则：
5.Preambleresourcegroup 每个小区有64个可用的Preamble序列，UE会选择其中一个在PRACH上传输。 这些序列可以分成两部分，一部分用于基于竞争的随机接入，另一部分用于基于非竞争的随机接入。用于基于竞争的随机接入的Preamble又分为GroupA和GroupB，这些都是由SIB2中的Rach-ConfigCommon中下发的。具体可参考图 在 二. 1attach）2 3 。 4 5．RRC_CONNECTED态时，上行数据到达，但上行不同步或者在PUCCH上没有可用的SR资源。 6．RRC_CONNECTED态时，需要timeadvance。 随机接入又分为基于竞争的和基于非竞争的，基于竞争的应用于上述的前5类事件，而基于非竞争的用于第3、4、6类事件。
L T E随机接入过程总结完 美 The latest revision on November 22, 2020
随机接入过程 一. PRACH 1. PRACH 的类型 从表1可以看出，Preamble 的类型一共有4种，而对于FDD 系统之支持0、1、2、3这4类Preamble 。对于Preamble format 0，在时间上占用一个完整的子帧；对于Preamble format 1和2，在时间上占用两个完整的子帧；对于Preamble format 3，在时间上占用三个完整的子帧。在频域上，Preamble format 0~3均占用一个PRB ，即180KHZ 的频带，区别是Preamble format 0~3的子载波间隔是，并占用864个子载波，由于ZC 序列的长度是839，因此Preamble format 0~3真正占用中间的839个子载波传输Preamble ，而剩余的25个子载波作为两边的保护带宽。 不同类型的Preamble 有长度不一样的CP 和保护间隔，小区的覆盖范围和保护间隔GT 有关，具体可参考如下公式： R = GT * C / 2 其中，R 为小区半径、GT 为保护间隔、C 表示光速。至于不同类型的Preamble 对应的小区半径可参考如下： Preamble 格式0：持续时间1ms ，可支持半径约14km ； Preamble 格式1：持续时间2ms ，可支持半径约77km ； Preamble 格式2：持续时间2ms ，可支持半径约29km ； Preamble 格式3：持续时间3ms ，可支持半径约107km ； 2. PRACH 的时频位置 首先给出PRACH 的时域位置，协议中由参数prach-ConfigIndex 给出，每个prach-ConfigIndex 给出了Preamble 的类型、System frame number(Even/Any)、Subframe number 。具体如表2所示： 而对于PRACH 的频域位置，协议中由参数RA PRBoffset n 确定，它的取值范围是60UL RB RA PRBoffset -≤≤N n 。 表2：random access configuration for preamble formats 0~3
随机接入过程详解作者彭涛/00294921 部门GTAC WL LTE eNodeB 维护三组 版本Version 2.0 创建时间2014/10/30 修改记录2014/11/05
1.随机接入概述 1.1随机接入目的 随机接入（Random Access，简称RA）过程是UE向系统请求接入，收到系统的响应并分配接入信道的过程，一般的数据传输必须在随机接入成功之后进行。 除PRACH信道外，UE发送任何数据都需要网络预先分配上行传输资源，通过随机接入来获取。 数据通过空口传输需要一段时间。UE发送上行数据时必须提前一段时间发送，使数据在预定的时间点到达网络，即要保持上行同步。通过随机接入，UE获得上行发送时间提前量Time Alignment（简称TA）。 1.2随机接入分类 随机接入（Random Access）分为基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程，相应的流程如图2.1和2.2所示。 图1. 1基于竞争的随机接入
图1. 2基于非竞争的随机接入 与基于竞争的随机接入过程相比，基于非竞争的接入过程最大差别在于接入前导的分配是由网络侧分配的，而不是由UE侧产生的，这样也就减少了竞争和冲突解决过程。 1.3随机接入场景 1)初始接入场景，是基于竞争的随机入过程，由UE MAC Layer发起，多为终端初始入 网的时候。 2)RRC连接重建场景，是基于竞争的随机接入过程，由UE MAC Layer发起，多为信号 掉线重新进行建立连接。 3)切换场景，通常是非竞争的随机接入过程，但在eNodeB侧没有的专用前导可以分配时， 发起基于竞争的随机接入过程，由PDCCH order发起。 4)连接态时UE失去上行同步同时有上行数据到达的场景，是基于竞争的随机接入过程， 由UE MAC Layer发起。 5)连接态时UE失去上行同步同时有下行数据需要发送的场景，通常是非竞争的随机接入 过程，但在eNodeB侧没有的专用前导可以分配时，发起基于竞争的随机接入过程，由PDCCH order发起。 6)LCS(定位服务)触发非竞争的随机接入。（具体场景待确认） 1.4上下行失步的判断 失步分为上行失步和下行失步，在eNB侧检测到的失步称为上行失步；在UE可以同时检测到上行失步及下行失步。 eNB检测上行失步的方法有两种：1、eNB连续N次下发TA但是没有收到TA_ACK； 2、检测到ENB L1基带上行连续N次没有上报TA值到L2；两种条件中任意组合连续达到N次，就判断为上行失步。 UE的上行失步：是通过TA定时器维护的，当TA定时器超时后，终端还没有收到eNB 下发的TA调整的MCE，则判断为上行失步。 UE检测下行失步：UE DSP每200ms对时延谱滤波值(z注：相当于参考信号RSRP的检测)进行判断，如果满足某门限，则上报L3（z注：RRC层）失步；L3在同步状态连续
LTE的随机接入过程 简介 UE通过随机接入过程（Random Access Procedure）与cell建立连接并取得上行同步。只有取得上行同步，UE才能进行上行传输。 随机接入的主要目的：1）获得上行同步；2）为UE分配一个唯一的标识C-RNTI。 随机接入过程通常由以下6类事件之一触发：(见36.300的10.1.5节) 1)初始接入时建立无线连接（UE从RRC_IDLE态到 RRC_CONNECTED态）； 2) RRC连接重建过程（RRC Connection Re-establishment procedure）； 3)切换（handover）； 4) RRC_CONNECTED态下，下行数据到达（此时需要回复 ACK/NACK）时，上行处于“不同步”状态； 5) RRC_CONNECTED态下，上行数据到达（例：需要上报测量报告或发送用户数据）时，上行处于“不同步”状态或没有可用的PUCCH资源用于SR传输（此时允许上行同步的UE使用RACH来替代SR）；
6) RRC_CONNECTED态下，为了定位UE，需要timing advance。 随机接入过程还有一个特殊的用途：如果PUCCH上没有配置专用的SR资源时，随机接入还可作为一个SR来使用。 随机接入过程有两种不同的方式： (1)基于竞争（Contention based）：应用于之前介绍的前5种事件； (2)基于非竞争（Non-Contention based或Contention-Free based）：只应用于之前介绍的(3)、(4)、(6)三种事件。 preamble介绍 随机接入过程的步骤一是传输random access preamble。Preamble的主要作用是告诉eNodeB有一个随机接入请求，并使得eNodeB能估计其与UE之间的传输时延，以便eNodeB校准uplink timing并将校准信息通过timing advance command告知UE。 Preamble在PRACH上传输。eNodeB会通过广播系统信息SIB-2来通知所有的UE，允许在哪些时频资源上传输preamble。（由 prach-ConfigIndex和prach-FreqOffset字段决定，详见36.211的5.7节）每个小区有64个可用的preamble序列，UE会选择其中一个（或由eNodeB指定）在PRACH上传输。这些序列可以分成两部分，一部分用于基于竞争的随机接入，另一部分用于基于非竞争的随机接入。用于基于
LTE 初始随机接入过程. UE选择合适的小区进行驻留以后, 就可以发起初始的随机接入过程了. LTE 中, 随机接入是一个基本的功能, UE只有通过随机接入过程, 与系统的上行同步以后, 才能够被系统调度来进行上行的传输.LTE中的随机接入分为基于竞争的随机接入和无竞争的随机接入两种形式. 初始的随机接入过程, 是一种基于竞争的接入过程, 可以分为四个步骤, 如下图所示: (1): MSG1：Random Access Preamble (2): MSG2：Random Access Response (3): MSG3 发送 (RRC Connection Request) (4): 冲突解决消息. 所谓MSG3, 其实就是第三条消息, 因为在随机接入的过程中，这些消息的内容不固定，有时候可能携带的是RRC连接请求，有时候可能会带一些控制消息甚至业务数据包，因此简称为MSG3. 第一步:随机接入前导序列传输. LTE中, 每个小区有64个随机接入的前导序列（Preamble）, 分别被用于基于竞争的随机接入 (如初始接入)和非竞争的随机接入(如切换时的接入).其中, 用于竞争的随机接入的
前导序列的数目个数为numberofRA-Preambles,在SIB2系统消息中广播. sib2 : { radioResourceConfigCommon { rach-ConfigCommon { preambleInfo { numberOfRA-Preambles n52 }, powerRampingParameters { powerRampingStep dB4, preambleInitialReceivedTargetPower dBm-104 }, ra-SupervisionInfo { preambleTransMax n10, ra-ResponseWindowSize sf10, mac-ContentionResolutionTimer sf48 }, maxHARQ-Msg3Tx 4
随机接入过程 一. PRACH 1. PRACH 的类型 从表1可以看出，Preamble 的类型一共有4种，而对于FDD 系统之支持0、1、2、3这4类Preamble 。对于Preamble format 0，在时间上占用一个完整的子帧；对于Preamble format 1和2，在时间上占用两个完整的子帧；对于Preamble format 3，在时间上占用三个完整的子帧。在频域上，Preamble format 0~3均占用一个PRB ，即180KHZ 的频带，区别是Preamble format 0~3的子载波间隔是1.25KHZ ，并占用864个子载波，由于ZC 序列的长度是839，因此Preamble format 0~3真正占用中间的839个子载波传输Preamble ，而剩余的25个子载波作为两边的保护带宽。 不同类型的Preamble 有长度不一样的CP 和保护间隔，小区的覆盖围和保护间隔GT 有关，具体可参考如下公式： R = GT * C / 2 其中，R 为小区半径、GT 为保护间隔、C 表示光速。至于不同类型的Preamble 对应的小区半径可参考如下： Preamble 格式0：持续时间1ms ，可支持半径约14km ； Preamble 格式1：持续时间2ms ，可支持半径约77km ； Preamble 格式2：持续时间2ms ，可支持半径约29km ； Preamble 格式3：持续时间3ms ，可支持半径约107km ； 2. PRACH 的时频位置 首先给出PRACH 的时域位置，协议中由参数prach-ConfigIndex 给出，每个prach-ConfigIndex 给出了Preamble 的类型、System frame number(Even/Any)、Subframe number 。具体如表2所示： 而对于PRACH 的频域位置，协议中由参数RA PRBoffset n 确定，它的取值围是 60UL RB RA PRBoffset -≤≤N n 。
LTE随机接入过程概述 一、随机接入的作用 LTE随机接入的作用是实现UE和网络的同步，解决冲突，分配资源（RNTI）和上行通信资源的分配。 二、随机接入触发条件 1、在RRC_IDLE初始接入； 2、在无线链路断开时初始接入； 3、切换时需要随机接入； 4、RRC_CONNECTED状态下需要随机接入过程时，收到下行数据，如上行同步状态为“非 同步”时； 5、RRC_CONNECTED状态下需要随机接入过程时，收到上行数据，如上行同步状态为“非 同步”或者没有PUCCH资源可用于调度时。 三、随机接入过程 随机接入过程分为竞争模式随机接入和非竞争模式随机接入两种。竞争模式随机接入是使用所有UE都可在任何时间可以使用的随机接入序列接入，它每种触发条件都可以触发接入；非竞争模式随机接入是使用在一段时间内仅有一个UE使用的序列接入，它只发生在切换和收到下行数据的触发条件下。 随机接入过程之后，开始正常的上下行传输。 四、竞争模式随机接入过程 在随机接入过程开始之前需要对接入参数进行初始化，它是由UE MAC层发起或者由PDCCH触发。 初始化的参数包括： ?PRACH的资源和相应的RA-RNTI ?随机接入前导的分组和每组可用的前导 ?选择两组随机接入前导中的那一组的门限 ?RACH响应的接收窗 ?功率攀升步长POWER_RAMP_STEP
?前导重传最大次数 ?前导初始功率PREAMBLE_INITIAL_POWER 初始化的时候置PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER为1。 竞争模式随机接入过程如下图所示： UE eNB 1、随机接入前导发送 a)前导资源选择 块，选择RRC 前导， b)设置发射功率 [-设置PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER 为PREAMBLE_INITIAL_POWER + (PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER-1) * POWER_RAMP_STEP]； [-如果PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER 小于最小功率水平，则设置PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER为最小功率水平]； [-如果PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER 大于最大功率水平，则设置PREAMBLE_TRANSMISSION_POWER为最大功率水平]； 如果PREAMBLE TRANMISSION COUNTER = 1, 则决定下一个有效的随机接入机会。如果PREAMBLE TRANSMISSION COUNTER > 1, 则随机接入机会通过back-off进程决定。
本文涉及到的内容有： （1）UE在什么时候开始接收RAR （2）怎么确定RA-RNTI （3）UE没有收到RAR后的处理 （4）RAR的格式 监测RAR 文章《》已经详细说明了UE发送Preamble前导码的时频位置。当UE发出Preamble后，并不是立即准备接收RAR（Random Access Response），而是在发送前导码之后的第3个子帧之后才开始准备接收RAR。当然，UE也不可能一直等待RAR，如果UE连续检测了ra-ResponseWindowSize个子帧仍然没有收到RAR，则不再继续监测RAR信息。 即UE最多连续监测RAR的时长是10ms。
的计算 eNB加扰RAR、UE解扰RAR的RA-RNTI并不在空口中传输，但UE和eNB都需要唯一确定RA-RNTI 的值，否则UE就无法解码RAR，因此RA-RNTI就必须通过收发双方都明确的Preamble的时频位置来计算RA-RNTI的值。 协议规定了RA-RNTI的计算公式为：RA-RNTI= 1 + t_id+10*f_id。 其中，t_id表示发送Preamble的起始位置的子帧ID号（范围是0-9），f_id表示四元素组中的f_RA值（范围是0-5），之前的文章《》已经详细描述了这两个值的具体含义。 eNB只要能解码出Preamble前导码，就能唯一确定t_id和f_id参数，也就能唯一确定RA-RNTI值。 没有收到RAR的处理 UE有可能在RAR的监测窗口内没有解码到RAR消息，这有可能是eNB侧没有检测到PRACH中的Preamble信息，有可能是没有调度RAR信息，也有可能是下行无线链路有干扰导致UE解码RAR失败，无论是哪种原因，UE没有收到RAR是有可能发生的。 如果在RAR响应窗口内没有收到RAR，或者收到的RAR中携带的Preamble并不是本UE之前发送的Preamble，那么表示UE本次接收RAR失败，UE将执行如下操作：
PRACH结构 PRACH格式
对于格式1到3，频域间隔1.25k，占用864个子载波(ZC序列长度839，剩余25个子载波两边保护)。格式4，频域讲7.5k，占用144个子载波（ZC序列139，剩余5个两边保护）。
时频位置 对于TDD ，格式有4种，和TDD 上下行帧划分和prach-ConfigIndex 有关，见211表Table 5.7.1-3。 prach-ConfigIndex 确定了四元结构体),,,(21 0RA RA RA RA t t t f ， 决定了prach 发送的时频位置。在211表Table 5.7.1-4中配置。其中RA f 是频率资源索引。2,1,00=RA t 分别表示资源是否在 所有的无线帧，所有的偶数无线帧，所有的奇数无线帧上重现。1,01 =RA t 表示随机接入资源 是否位于一个无线帧的前半帧或者后半帧。2RA t 表示前导码开始的上行子帧号，其计数方式 为在连续两个下行到上行的转换点间的第一个上行子帧作为0进行计数。但对于前导码格式4，2RA t 表示为(*)。 序列组产生 每个基站下有64个preamble 序列，怎么产生呢？ 1、 由逻辑根序列号RACH_ROOT_SEQUENCE 查表Table 5.7.2-4得到物理根序列号。 2、 用zeroCorrelationZoneConfig 以及highSpeedFlag （如果为高速，则是限制级）查211
表格Table 5.7.2-2得到循环位移N CS ; 3、 用循环位移N CS 与根序列，得到64个preamble 序列。1个根序列可能无法生产64 个preamle 序列，则取下一个根序列继续生成，直到得到64个preamble 。 普通速度模式下（非限制集），preamble 的循环位移时等间隔的，一个根序列能生成 ZC CS N N ????，ZC N 是长度序列长度为839（格式4为139） 。高速模式下（限制集）循环位移非等间隔。高速模式下，原根序列和生成好的序列相关，峰值会出现三个，同步时 需要合并三个窗口能量做估计。 MAC 层处理 流程 触发条件 1、 RRC 信令触发。包括切换，初始入网，idle 醒来需要做随机接入。此时没有C-RNTI,msg3 在CCCH 中发送，在msg4中回携带msg3的内容作为UE 标识让UE 知道是否该msg4是 针对自己的。 2、 UE MAC 层触发：此时已经有了C-RNTI ，不是为了入网而是为了2种情况：a 、UE 自己 发现好久没有调整ul timing 了需要重新调整；b 、没有SR 资源但需要BSR 3、 PDCCH DCI formart 1A 触发：基站发现UE 的ul timing 老不对了,可能是“Timing Advance Command MAC Control Element ”老调整不好了（该方式时相对值调整），基站复位一下 UE 的timing 调整参数（随机接入的timing 调整时绝对值调整，做完后应当复位一下相
LTE随机接入过程 preamble传输达到最大传输次数的处理 从UE的角度上看，随机接入过程可能遇到以下问题而导致随机接入失败：UE没有收到其发送的preamble对应的RAR（没有收到RAR，或收到的RAR MAC PUD中没有对应该preamble的RAR）；UE发送了Msg3，但没有收到Msg4；UE收到了Msg4，但该UE不是冲突解决的胜利者。 如果某次随机接入失败了，UE会重新发起随机接入。在36.321中，介绍到一个字段preambleTransMax，该字段指定了preamble的最大传输次数。当UE发送的preamble数超过preambleTransMax时，协议要求MAC层发送一个random access problem indication到上层（通常是RRC 层），但MAC层并不会停止发送preamble。也就是说，MAC层被设计成“无休止”地发送preamble，而出现“UE发送的preamble数超过preambleTransMax”时如何处理是由上层（RRC层）决定的。 也就是说，无论是发生上面介绍的哪种情况，MAC层都会“无休止”地发送preamble以期望能成功接入小区。 在收到MAC层的random access problem indication后，RRC层的行为取决于触发随机接入的场景： 场景一：RRC连接建立。此时UE通过RRC timer T300来控制，当该timer 超时（即RRC连接建立失败）时，UE的RRC层会停止随机接入过程（此时会重置MAC，释放MAC配置。而从36.321的5.9节可知，重置MAC 会停止正在进行的随机接入过程），并通知上层RRC连接建立失败。（见
随机接入过程 一.PRACH 1.PRACH的类型 表1：PRACH类型 从表1可以看出，Preamble的类型一共有4种，而对于FDD 系统之支持0、1、2、3这4类Preamble。对于Preamble format 0，在时间上占用一个完整的子帧；对于Preamble format 1 和2，在时间上占用两个完整的子帧；对于Preamble format 3，在时间上占用三个完整的子帧。在频域上，Preamble format 0~3均占用一个PRB，即180KHZ的频带，区别是Preamble format 0~3的子载波间隔是1.25KHZ，并占用864个子载波，由于ZC 序列的长度是839，因此Preamble format 0~3真正占用中间 的839个子载波传输Preamble，而剩余的25个子载波作为两
边的保护带宽。 不同类型的Preamble 有长度不一样的CP 和保护间隔，小区的覆盖范围和保护间隔GT 有关，具体可参考如下公式： R = GT * C / 2 其中，R 为小区半径、GT 为保护间隔、C 表示光速。至于不同类型的Preamble 对应的小区半径可参考如下： Preamble 格式0：持续时间1ms ，可支持半径约14km ； Preamble 格式1：持续时间2ms ，可支持半径约77km ； Preamble 格式2：持续时间2ms ，可支持半径约29km ； Preamble 格式3：持续时间3ms ，可支持半径约107km ； 2. PRACH 的时频位置 首先给出PRACH 的时域位置，协议中由参数prach-ConfigIndex 给出，每个prach-ConfigIndex 给出了Preamble 的类型、System frame number(Even/Any)、Subframe number 。具体如表2所示： 而对于PRACH 的频域位置，协议中由参数RA PRBoffset n 确定，它的取值范围是60UL RB RA PRBoffset -≤≤N n 。 表2：random access configuration for preamble formats 0~3
随机接入过程 本章节主要介绍随机接入过程的4个步骤。而在下一章节中，我会以信令流程图的方式将之前介绍过的6种触发随机接入过程的事件与这4个步骤结合起来。 言归正传，先奉上几幅图，然后介绍随机接入过程的4个步骤： 图：基于竞争的随机接入过程
图：基于非竞争的随机接入过程 图：RACH-ConfigCommon 步骤一：UE发送preamble UE发送random access preamble给eNodeB，以告诉eNodeB有一个随机接入请求，同时使得eNodeB能估计其与UE之间的传输时延并以此校准uplink timing。 触发随机接入过程的方式有以下3种（具体会在下一章节介绍）： 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 sublayer触发：UE自己选择preamble发起接入； 3）上层触发：如初始接入，RRC连接重建，handover等。 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；4）确定目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。 1、选择preamble index 与基于非竞争的随机接入中的preamble index由eNodeB指定不同，基于竞争的随机接入，其preamble index是由UE随机选择的。
UE首先要确定选择的是group A还是group B中的preamble。如果存在preamble group B， 且msg3的大小大于messageSizeGroupA，且pathloss小于–preambleInitialReceivedTargetPower - deltaPreambleMsg3 – messagePowerOffsetGroupB，则选择group B；否则选择group A。 如果之前发送过msg3且接入失败，则再次接入尝试时使用的preamble应该与第一次发送msg3时对应的preamble属于相同的group。 确定了group之后，UE从该group中随机选择一个preamble并将PRACH Mask Index设置为0。 而对于基于非竞争的随机接入而言，eNodeB通过为UE分配一个专用的preamble index 来避免冲突的发生并指定一个PRACH Mask Index。 eNodeB分配preamble index和PRACH Mask Index的方式有两种：1）通过RACH-ConfigDedicated的ra-PreambleIndex和ra-PRACH-MaskIndex字段设置（Handover过程）；2）在PDCCH order触发的随机接入中，通过DCI format 1A的Preamble Index和PRACH Mask Index字段来设置（下行数据到达或定位）。 按理说，既然要使用基于非竞争的随机接入过程，eNodeB分配的preamble index就不应该为0（0是用于基于竞争的随机接入的。个人认为此时不应使用group A和group B的任一preamble，但协议中只针对0做了特别说明）。但如果eNodeB分配了0值，则实际的preamble index交由UE按照基于竞争的随机接入方式选择preamble（个人认为这种情况主要针对eNodeB已经没有可用的非竞争preamble，或eNodeB配置时根本没有为非竞争的随机接入预留preamble的场景）。 2、选择用于发送preamble的PRACH资源 基于prach-ConfigIndex、PRACH Mask Index以及物理层的timing限制，UE会先确定下一个包含PRACH的可用子帧。 prach-ConfigIndex指定了时域上可用的PRACH资源。 PRACH Mask Index定义了某个UE可以在系统帧内的哪些PRACH上发送preamble（见36.321的Table 7.3-1，值为0表示所有可用的PRACH资源）。在基于非竞争的随机接入中，eNodeB可以通过该mask直接指定UE在某个特定的PRACH上发送preamble，从而保证不会与其它UE发生冲突。 以ra-PRACH-MaskIndex = 3为例，查36.321的Table 7.3.1可知，对应PRACH Resource Index 2，即preamble应该在系统帧内的第三个PRACH资源发送。PRACH Resource Index是一个系统帧内的PRACH资源的编号，从0开始并以PRACH资源在36.211的Table 5.7.1-2和Table 5.7.1-4中出现的先后来排序。（以prach-ConfigIndex = 12为例，如果是FDD，查36.211的Table 5.7.1-2可知，只在子帧0,2,4,6,8上存在PRACH资源，则PRACH Resource Index 2对应子帧4上的PARCH资源；如果是TDD，且UL/DL configuration为1，查36.211的Table 5.7.1-4可知，PRACH Resource Index 2对应四元组（0,0,1,0）上的PARCH资源） PRACH Mask Index可以为0，这说明eNodeB只为UE分配了preamble，但PRACH资源还需UE自己选择。 物理层的timing限制在36.213的6.1.1中定义： 如果UE在子帧n接收到一个RAR MAC PDU，但对应TB中没有一个响应与其发送的preamble对应，则UE应该准备好在不迟于子帧n + 5的时间内重新发送preamble。 如果UE在子帧n没有接收到一个RAR MAC PDU，其中子帧n为RAR窗口的最后一个子帧，则UE应该准备好在不迟于子帧n + 4的时间内重新发送preamble。
L T E随机接入过程总结 完美 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】
随机接入过程 一. PRACH 1.PRACH的类型 从表1可以看出，Preamble的类型一共有4种，而对于FDD系统之支持0、 1、2、3这4类Preamble。对于Preamble format 0，在时间上占用一个完整的子 帧；对于Preamble format 1和2，在时间上占用两个完整的子帧；对于Preamble format 3，在时间上占用三个完整的子帧。在频域上，Preamble
format 0~3均占用一个PRB，即180KHZ的频带，区别是Preamble format 0~3的子载波间隔是1.25KHZ，并占用864个子载波，由于ZC序列的长度是839，因此Preamble format 0~3真正占用中间的839个子载波传输Preamble，而剩余的25个子载波作为两边的保护带宽。 不同类型的Preamble有长度不一样的CP和保护间隔，小区的覆盖范围和保护间隔GT有关，具体可参考如下公式： R = GT * C / 2 其中，R为小区半径、GT为保护间隔、C表示光速。至于不同类型的Preamble 对应的小区半径可参考如下： Preamble格式0：持续时间1ms，可支持半径约14km； Preamble格式1：持续时间2ms，可支持半径约77km； Preamble格式2：持续时间2ms，可支持半径约29km； Preamble格式3：持续时间3ms，可支持半径约107km； 2.PRACH的时频位置 首先给出PRACH的时域位置，协议中由参数prach-ConfigIndex给出，每个prach-ConfigIndex给出了Preamble的类型、System frame number(Even/Any)、Subframe number。具体如表2所示：
随机接入过程总结 1.随机接入流程概述 随机接入过程是指从用户发送随机接入前导码开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程。LTE中的随机接入过程包括下图所示的四个步骤： UE eNB 1)UE向eNB发送随机接入前导 2)eNB检测到有UE发送接入前导之后向用户发送随机接入响应以告知UE 可以使用的上行资源信息 3)UE收到随机接入响应后，在随机接入相应消息所指定的上行资源中发送 调度消息，该消息主要包括UE的唯一标示信息 4)eNB发送冲突解决消息到终端 2.随机接入过程详解 3.1Message 1处理流程详解 UE尝试随机接入的时候，需要解决以下问题： 1)在哪一个时频资源上发送信息 2)发送什么信息 上述两方面的信息是通过读取系统消息2中的相关信息获得的。与随机接入过程相关的系统消息2中的信息如下图所示：
SIB2中的PRACH的配置信息主要指明了可以在哪些时频资源上发送接入前导信息。 例如样例配置下Prach_ConfigurationIndex = 3，于是sub-frame = 1； prachFrequencyOffset = 2.MSG1所占用的资源块的大小为固定值6，则MSG1 随机接入前导中发送的内容为由SIB2中RACH配置消息所配置的64个随机接入前导码中的任意一个。【随机接入前导的长度为839，如果不考虑任何参考信号的话一个RB可以承载7*12 = 72bit的数据，所以需要839/72 + 1 = 12RB，这样就是6PRB 了。 前导信号将由循环移位的Zadoff-Chu 序列添加循环前缀产生，这是由于该序列有着良好的自相关与互相关特性，便于基站进行随机信号检测，减少邻小区随机接入信号的干扰。 3.2Message 2处理流程详解 前导信号将由循环移位的Zadoff-Chu 序列添加循环前缀产生，这是由于该序列
LTE初始随机接入过程详解 LTE初始随机接入过程. UE选择合适的小区进行驻留以后, 就可以发起初始的随机接入过程了. LTE 中, 随机接入是一个基本的功能, UE只有通过随机接入过程, 与系统的上行同步以后, 才能够被系统调度来进行上行的传输.LTE中的随机接入分为基于竞争的随机接入和无竞争的随机接入两种形式. 初始的随机接入过程, 是一种基于竞争的接入过程, 可以分为四个步骤, (1): 前导序列传输 (2): 随机接入响应 (3): MSG3 发送(RRC Connection Request). (4): 冲突解决消息. 所谓MSG3, 其实就是第三条消息, 因为在随机接入的过程中，这些消息的内容不固定，有时候可能携带的是RRC连接请求，有时候可能会带一些控制消息甚至业务数据包，因此简称为MSG3. 第一步:随机接入前导序列传输. LTE中, 每个小区有64个随机接入的前导序列, 分别被用于基于竞争的随机接入(如初始接入)和非竞争的随机接入(如切换时的接入).其中, 用于竞争的随机接入的前导序列的数目个数为numberofRA-Preambles,在SIB2系统消息中广播. sib2 : {s radioResourceConfigCommon
{ rach-ConfigCommon { preambleInfo { numberOfRA-Preambles n52 }, powerRampingParameters { powerRampingStep dB4, preambleInitialReceivedTargetPower dBm-104 }, ra-SupervisionInfo { preambleTransMax n10, ra-ResponseWindowSize sf10, mac-ContentionResolutionTimer sf48 }, maxHARQ-Msg3Tx 4
竞争随机接入过程： MSG1：在随机接入信道上发送前导，前导信息如下 FDD（共6bit = 5bit随机标识+ 1bit指示MSG3的大小信息） TDD（共5bit = 4bit随机标识，而不是5bit） MSG2： 1、在下行共享信道上发送随机接入响应，不使用混合自动重传请求（HARQ）； 2、MSG2的发送时间相对MSG1是半同步的，可能在一个或多个发送时间间隔内发送； 3、UE通过监听L1/L2控制信道上的随机接入无线网络临时标识（RA_RNTI），以判断是否是随机接入响应消息。 4、该消息至少包含：前导标识，临时小区（C-RNTI），一个或多个用户信息。 MSG3： 这是UE使用上行共享信道发送的第一条消息。采用混合自动重传请求机制（HARQ），使用无线链路控制（RLC）的透明模式进行传输，且不进行分段。 MSG4： 1、在下行共享信道上发送竞争判决结果，同MSG3使用混合自动重传请求； 2、采用短时竞争判决机制，即eNodeB不等待非接入层（NAS）的反馈就进行竞争判决处理。 CCCH：公共控制信道 DCCH：专用控制信道 RRC：无线资源控制 MAC：媒体接入控制 非竞争的随机接入过程： 第一步： 1、eNodeB分配给UE一个6bit的非竞争的随机接入前导码，下行数据是通过MAC信令发送。 2、对于切换的场景，这个前导码由目标eNodeB产生切换命令，通过原eNodeB发送给终端的消息携带。 第二步： UE在上行的随机接入信道上发送第一步从专用信令上获取的非竞争随机接入前导码。第三步： 1、该消息的发送时间相对消息2是半同步的，即可能在一个或多个发送时间间隔内发出来。 2、随机接入响应消息在下行共享信道上发送，是否使用混合自动重传请求尚未确定。 3、终端通过监听L1/L2控制信道上的RA_RNTI或C-RNTI（临时小区）来判断是否是随机接入响应消息。