随机接入过程
一. PRACH
1. PRACH的类型
Preamble format 0 1 2 3 4* 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，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：
RA而对于PRACH的频域位置，协议中由参数nPRBoffset确定，它的取值范围是RAUL0?nPRBoffset?NRB?6。
表2：random access configuration for preamble formats 0~3
PRACH Configuration Index 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Preamble Format 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 System frame number Even Even Even Any Any Any Any Any Any Any Any Any Any Any Any Subframe number 1 4 7 1 4 7 1, 6 2 ,7 3, 8 1, 4, 7 2, 5, 8 3, 6, 9 0, 2, 4, 6, 8 1, 3, 5, 7, 9 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 PRACH Configuration Index 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 Preamble Format 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 N/A System frame number Even Even Even Any Any Any Any Any Any Any Any Any Any Any N/A Subframe number 1 4 7 1 4 7 1, 6 2 ,7 3, 8 1, 4, 7 2, 5, 8 3, 6, 9 0, 2, 4, 6, 8 1, 3, 5, 7, 9 N/A 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 N/A 1 Even Even Even Even Any Any Any Any Any Any Any Any Any Any Any N/A Even 9 1 4 7 1 4 7 1, 6 2 ,7 3, 8 1, 4, 7 2, 5, 8 3, 6, 9 0, 2, 4, 6, 8 1, 3, 5, 7, 9 N/A 9 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 N/A N/A N/A 3 Even Even Even Even Any Any Any Any Any Any Any Any Any N/A N/A N/A Even 9 1 4 7 1 4 7 1, 6 2 ,7 3, 8 1, 4, 7 2, 5, 8 3, 6, 9 N/A N/A N/A 9 3. Prach在协议中的配置（331协议） 4. PRACH baseband signal generation
PRACH的时域波形通过下面的公式生成：
其中xu,v(n)是Preamble序列。而The uth root Zadoff-Chu sequence 被定义为如下式：
如上所述，对于Preamble format 0~3的序列长度NZC为839，而对于u的取值请参看协议的。
xu,v(n)实际上是通过xu?n?做循环移位生成的，如下式：
而Cv的计算方式如下式：
?vNCS??Cv??0?RARA??dvn?(vmodn)NCSstartshiftshift????v?0,1,...,??NZCNCS???1,NCS?0for unrestricted setsNCS?0for unrestricted setsRARARAfor restricted setsv?0,1,...,nshiftngroup?nshift?1 从中可以看出，涉及到unrestricted sets和restricted sets，这是由协议中的
High-Speed-flag确定的，而参数NCS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NCS?du?NZC3，则：
当NZC3?du?(NZC?NCS)2，则：
5. Preamble resource group
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1：
图1：Preamble分类
分组GroupA和GroupB的原因是为了增加一定的先验知识，从而方便ENB在RAR中给MSG3分配适当的上行资源。如果UE认为自己的MSG3 size比较大（bigger than the messageSizeGroupA），并且路损小于一门限，则UE选择GroupB的Preamble，否则选择GroupA的Preamble。
二. 随机接入触发的原因
触发随机接入的事件主要有如下6类： 1． 初始建立无线连接。（即从RRC_IDLE态到RRC_CONNECTED，或进行attach） 2． RRC链接重建过程。（RRC CONNECTED Re-establishment procedure） 3． 切换。（hand over）注意：切换有可能是非竞争或者竞争随机接入，要看
RRC_Reconfiguration消息里是否携带了Preamble index和Prach MaskIndex。 4． RRC_CONNECTED态时，上行不同步，此时下行数据到来。
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time advance。
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。 三. 随机接入过程
首先给出基于竞争的随机接入和非竞争随机接入的基本流程，如下图2图3：
图2：基于竞争随机接入 图3：基于非竞争的随机接入
下面详述随机接入的过程： 1． UE发送Preamble，即MSG1
UE要发送Preamble，需要：1）选择Preamble Index；2）选择用于发送Preamble的Prach资源；3）确定RA-RNTI；4）确定目标接收功率。
1） 确定Preamble Index
UE会根据Msg3 size和路损综合选择用GroupA还是GroupB的Preamble index，如果之前发生过接入失败，则再次接入时应选择和第一次发送的Preamble相同的Group。对于非竞争接入，ENB通过RACH-ConfigDedicated中的ra-PreambleIndex字段或者DCI format 1A的PDCCH的Preamble Index字段来设置UE所使用的Preamble。需要说明的是，在某些基于非竞争的随机接入中，如果ENB将Preamble Index配置为0，则UE按照基于竞争的随机接入，自我选择Preamble Index。 2） PRACH资源选择
首先，prach-ConfigIndex确定了在一个无线帧内，哪些个子帧可以用于send Prach。而prach Mask Index指定了此UE具体用哪个资源，对于prach Mask Index 可以参考表3：
表3：Prach Mask Index
对于非竞争的随机接入，ENB会通过RACH-ConfigDedicated中的ra-Prach-MaskIndex字段或者DCI format 1A的PDCCH的Prach Mask Index字段来设置UE的MaskIndex，从而指名了UE使用哪些Prach资源。而对于非竞争随机接入如何选择Prach的资源，协议中没有明确指出。另外，还需要注意，如果非竞争的随机接入配置MaskIndex为0，则UE可以任意选择Prach的时域资源。
物理层的Prach timing的机制对于Prach时域资源的选择也会有影响，主要注意如下几类：
第一：如果UE在子帧n接收到RAR，但是没有一个响应与其发送的preamble对应，则UE应该在不迟于子帧n+5的时间内重新发送Preamble。
第二：如果UE在时间窗内没有检测到属于自己的RAR，则UE应该在不迟于子帧n+4的时间内重新发送Preamble。
第三：如果随机接入是由PDCCH触发的，则UE将在子帧n+k算起的第一个可用的PRACH子帧发送Preamble，其中k>=2。
而在Mac层协议中，如果UE没有收到RAR，则会选择一定的子帧延迟发送新的Preamble，这个是否和物力层协议中相矛盾呢
此问题和朋朋交流后，认为由高层触发时，采用物理层的机制，而由MAC层触发的时候采用MAC的机制。 3） 确定RA-RNTI
RA-RNTI的计算方式如下式：
RA-RNTI= 1 + t_id+10*f_id
其中，t_id表示preamble发送的第一个子帧(0<=t_id<10)，而f_id表示频域位置(f_id<6)。对于FDD，每个子帧只有一个频域资源用来发送Preamble，因此f_id固定为0。 4） Prach发射功率的确定
上面的公式取定了Prach的发射功率，许的最大发射功率，而
为UE在子帧i上允
则是UE通过小区参考信号测量出的路损，而
PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER（具体请参看协议）表示ENB接收Preamble时的期望到达功率。
2． UE接收RAR
UE发送Preamble之后，将在RAR的时间窗内监听携带RA-RNTI的PDCCH，以接收自己的RAR，如果在时间窗内没有检测到属于自己的RAR，则认为此次随机接入失败。RAR的时间窗起始于n+3子帧，并持续ra-ResponseWindowSize个子帧。具体如图4：
图4：RAR接收时间窗
那么RAR中会携带什么呢，下面结合RAR的结构详细说明，如图5，为MAC RAR PDU的完整结构：
图5：MAC RAR PDU结构
从上图可以看出，该MAC PDU由一个MAC 头（MAC header）+ 0个或多个MAC RAR（MAC Random Access Response）+ 可能存在的padding组成。
从MAC PDU的结构可以看出，如果eNodeB同一时间内检测到来自多个UE的随机接入请求，则使用一个MAC PDU就可以对这些接入请求进行响应，每个随机接入请求的响应对应一个MAC RAR。
如果多个UE在同一PRACH资源（时频位置相同，使用同一RA-RNTI）发送preamble，则对应的RAR复用在同一MAC PDU中。
MAC PDU在DL-SCH上传输，并用以RA-RNTI加扰的PDCCH。前面已经介绍过，使用相同时频位置发送preamble的所有UE都监听相同的RA-RNTI指示的PDCCH。
MAC header由一个或多个MAC subheader组成。除了Backoff Indicator subheader外，每个subheader对应一个MAC RAR。如果包含Backoff Indicator subheader，则该subheader只出现一次，且位于MAC header的第一个subheader处。
Backoff Indicator subheader的结构如图6：
图6：Backoff Indicator subheader
BI（Backoff Indicator）指定了UE重发preamble前需要等待的时间范围（取值范围见的节）。如果UE在RAR时间窗内没有接收到RAR，或接收到的RAR中没有一个preamble与自己的相符合，则认为此次RAR接收失败。此时UE需要等待一段时间后，再发起随机接入。等待的时间为在0至BI指定的等待时间区间内选取一个随机值。（注：如果在步骤四中，冲突解决失败，也会有这样的后退机制）
RAR subheader结构如图7：
图7：RAR subheader
RAPID为Random Access Preamble IDentifier的简称，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。
RAR的结构如图8：
图8：RAR
TC-RNTI用于UE和eNodeB的后续传输。冲突解决后，该值可能变成C-RNIT。 11-bit的Timing advance command用于指定UE上行同步所需要的时间调整量。具体可以参考协议。
LTE随机接入过程总结(完美)
