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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。
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非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 :{sradioResourceConfigCommon{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用于竞争的随机前导序列, 又被分为GroupA和GroupB两组. 其中GroupA的数目由参数preamblesGroupA来决定, 如果GroupA的数目和用于竞争的随机前导序列的总数的数目相等, 就意味着GroupB不存在.GroupA 和GroupB的主要区别在于将要在MSG3中传输的信息的大小, 由参数messageSizeGroupA 表示。
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Table5.7.1-3。
prach-ConfigIndex 确定了四元结构体),,,(210RA 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=RAt 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。
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 eNB1、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。
LTE随机接入过程总结完美LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信技术，它具有更高的速度、更低的延迟和更大的容量。
LTE随机接入过程是指移动设备与LTE 网络建立连接的过程。
接下来，我将总结LTE随机接入过程的详细步骤，并分析其中涉及的关键技术。
1.预备过程首先，移动设备将在频域上选择一个随机接入前导（Random Access Preamble），以准备发送随机接入请求。
这个过程叫做预备过程。
移动设备选择的随机接入前导数目通常是固定的。
2.随机接入过程一旦移动设备选择了随机接入前导，它将开始发送随机接入请求。
请求包括随机接入前导、时间戳和一些身份信息。
随机接入请求会通过物理层协议发送到LTE基站（eNodeB）。
基站接收请求后，会通过控制信道来进行解调。
3.随机接入响应当基站接收到随机接入请求后，它会给移动设备一个随机接入响应。
响应包括一个随机接入响应码、接入时隙和一些其他的参数。
移动设备接收到响应后，会根据接入时隙将其发送回基站。
4.随机接入确认基站接收到移动设备的随机接入响应后，会对其进行解调。
如果解调成功，则确认移动设备的接入请求有效。
确认会通过控制信道发送给移动设备。
移动设备接收到确认后，就可以和LTE网络进行通信了。
1.随机性和多用户接入：由于移动设备选择随机接入前导的过程是随机的，所以每个移动设备之间的接入过程是相互独立的。
这样就能够支持大量用户同时接入LTE网络，提高了网络容量。
2.高效和快速的接入：LTE随机接入过程采用了预备过程，使移动设备提前准备好发送接入请求。
这样可以大大减少接入时延，提高了接入效率。
3. 解决多径效应：LTE随机接入过程中使用了CDMA（Code Division Multiple Access）技术，它可以通过对不同路径上的信号加权来抵消多径效应。
这样可以提高信号质量，降低误码率。
4.增强系统安全性：在随机接入过程中，移动设备需要发送身份信息给基站。
精心整理随机接入过程一. PRACH1. PRACH 的类型3这425有关，2. 2所而对于PRACH 的频域位置，协议中由参数RA PRBoffset n 确定，它的取值范围是60ULRB RA PRBoffset -≤≤N n 。
表2：randomaccessconfigurationforpreambleformats0~34. PRACHbasebandsignalgenerationPRACH 的时域波形通过下面的公式生成：其中)(,n x v u 是Preamble 序列。
而The th u rootZadoff-Chusequence 被定义为如下式： 如上所述，对于Preambleformat0~3的序列长度ZC N 为839，而对于u 的取值请参看协议36.211的Table)(,n x v u 实际上是通过()n x u 做循环移位生成的，如下式：而v C 的计算方式如下式：CS ZC CS CS CS RA RA RA RA start shift shift CS shift group shift 0,1,...,1,0for unrestricted sets0for unrestricted sets (mod )for restricted sets 0,1,...,1v vN v N N N N C d v n v n N v n n n ⎧=-≠⎢⎥⎣⎦⎪⎪==⎨⎪⎢⎥+=+-⎪⎣⎦⎩从中可以看出，涉及到unrestrictedsets 和restrictedsets ，这是由协议中的High-Speed-flag 确定的，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36.211当3ZC CS N d N u <≤，则：5. MSG3，二. 1． 2． 3． 4． 5． 资源。
LTE旳随机接入基本流程
一、LTE旳随机接入分为竞争旳随机接入和非竞争旳随机接入。
1）基于竞争旳随机接入
接入前导由UE产生，不同UE产生旳前导也许冲突，eNodeB需要通过竞争解决不同UE旳接入（合用于触发随机接入旳所有五种场景状况）。
2）基于非竞争旳随机接入
接入前导由eNodeB分派给UE，这些接入前导属于专用前导。
此时，UE不会发生前导冲突。
但在eNodeB旳专用前导用完时，非竞争旳随机接入就变成基于竞争旳随
机接入（仅合用于触发随机接入旳场景3、场景4两种状况）。
二、随机接入旳基本流程如下：
1）UE将自身旳随机接入次数置为1。
2）UE获得社区旳PRACH配备。
基于竞争旳随机接入。
UE读取系统消息SIB2中旳Prach-ConfigurationIndex消息得到社区PRACH配备。
基于非竞争旳随机接入。
由eNodeB通过RRC信令告知UE社区旳PRACH配备。
3）UE向eNodeB上报随机接入前导。
4）eNodeB给UE发过随机接入响应。
三、基于竞争旳随机接入
基于竞争旳随机接入，接入前导由UE产生，不同UE产生前导可以冲突，eNodeB需要通过竞争解决不同UE旳接入。
基于竞争旳随机接入流程图:
四、基于非竞争旳随机接入
与基于竞争旳随机接入过程相比，基于非竞争旳接入过程最大差别在于接入前导旳分派是由网络侧分派旳，而不是由UE 侧产生旳，这样也就减少了竞争和冲突解决过程。
但在eNodeB 专用前导用完时，非竞争旳随机接入就变成了基于竞争旳随机接入。
基于非竞争旳随机接入流程图:。
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, 与系统进行上行同步, 才能够被系统调度来进行上行的传输。
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，即MSG1-MSG4：
MSG1：UE向eNB发送随机接入前导。
UE在发起随机接入请求之前，从可用的随机接入前导中选择一个，，并生成RA-RNTI，它唯一标识了UE发送随机接入前导码所使用的时频域资源块
MSG2：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来告知UE可以使用的上行资源信息
MSG3:UE收到随机接入响应后，在随机接入响应消息所指定的上行资源中发送调度消息，该消息包的括UE唯一标示信息
MSG4：eNB发送冲突解决消息到UE
随机接入前导产生的相关参数配置：
RACH root sequence（RACH root sequence index）：每个小区中有64个可用的随机接入前导。
一个小区中的64个前导序列集合首先通过逻辑索引为RACH_ROOT_SEQUENCE的根ZC序列按照循环移位增加的顺序产生所有的循环移位序列，如果64个前导序列不能由1个根ZC序列产生（长度839），那么由后续的逻辑索引的根序列产生直到产生了64个前导序列
ZeroCorrelationZoneConfig（PRACH cyclic shift）：零相关区配置，决定前导生成的循环移位值（查表）
PRACH configuration index ：
前导格式4不支持频率偏移！！！！室分：prachFreqOff=0。
LTE系统随机接入过程的实现
冯川;李小文
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2010(50)9
【摘要】从LTE系统底层协议入手,结合具体实现,对随机接入过程进行了详细设计,并对随机接入过程所涉及的具体问题进行了研究,包括PRACH时频资源的计算、响应信息的时序接收、上行传输的时序控制以及异常情况下的处理及方案设计,最后利用规范说明与描述语言(SDL)和树表结合表示法(TTCN)仿真,产生消息顺序图(MSC).仿真结果表明,该设计满足协议一致性规范.
【总页数】4页(P78-81)
【作者】冯川;李小文
【作者单位】重庆邮电大学,通信与信息工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,通信与信息工程学院,重庆,400065
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
【相关文献】
1.LTE系统中随机接入过程研究 [J], 陈发堂;谢璘珂;何坚龙
2.LTE系统随机接入过程研究＊ [J], 王嘉嘉;杨传伟
3.TD-LTE系统随机接入过程MAC子层设计与仿真 [J], 武绍旭;李小文;郝明华
4.3GPP LTE系统随机接入过程研究 [J], 戴翠琴;蔚承英
5.TD-LTE系统随机接入过程碰撞问题研究 [J], 刘婉妮;段永红
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第11卷 第5期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1．11，No．5 2013年10月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Oct．，2013文章编号：2095-4980(2013)05-0707-05面向LTE的静止轨道卫星通信系统随机接入方式陈坤汕，王大鸣，徐 尧(解放军信息工程大学 信息系统工程学院，河南 郑州 450002)摘 要：针对长期演进计划(LTE)系统和卫星移动通信系统融合中接入方式存在的问题，提出了一种面向LTE的静止轨道(GEO)卫星移动通信的随机接入方式。
该方式参考了卫星通用通信系统(S-UMTS)和长期演进计划系统的随机接入方式设计，对接入前导和接入时隙作适应性修改，并提出了一种新的用户随机接入流程。
通过随机接入时隙长度的扩展，将控制信息加入到接入前导中，解决了GEO卫星环境下用户接入时间长和用户之间时延差大的问题；提出的用户随机接入流程，有效改善了用户的接入时间性能。
仿真结果表明，提出的随机接入方式适用于面向LTE的GEO卫星通信系统。
关键词：长期演进计划；一种随机接入系统；静止轨道；保护间隔；接入前导；接入流程中图分类号：TN925 文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201305.0707Random access method for GEO satellite communication system-oriented LTECHEN Kun-shan，WANG Da-ming，XU Yao(Institute of Information Engineering，PLA Information Engineering University，Zhengzhou Henan 450002，China)Abstract：According to Long Term Evolution(LTE) system and satellite mobile communication system integration of access problems，a Random Access Method is presented for Geosynchronous Orbit(GEO)Satellite Communication system-oriented LTE. Based on the random access design in S-UMTS system andLTE system, a new structure of access preamble and slots is proposed and a new procedure of transmittingaccess request corresponding to the new structure is suggested. In the new structure, the problems such aslong access time and different long transmission delays in GEO satellite communication environment areimproved by increasing the length of access slot and adding control information to access preamble. Theproposed access procedure effectively improve the performance of the access time. Simulation results showthat, the proposed scheme is suitable to the GEO satellite communication system-oriented LTE.Key words：Long Term Evolution；Additive Link On-line Hawaii(ALOHA) system；Geosynchronous Orbit；guard time；access preamble；access procedure近年来卫星移动通信与3G系统的融合正在实践过程中，LTE体制也已经成熟，但是LTE系统与GEO卫星通信的融合[1]还处于起步阶段。
卫星通信环境的特殊性，给正交频分复用[2–3](Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)为关键技术的LTE系统在卫星上的应用带来众多技术上的挑战。
多址接入作为融合的关键因素，也成为国内外研究的重点。
LTE系统采用的随机接入(ALOHA)方式是基于资源预留的时隙方式[4–5]。
时隙ALOHA运用于GEO卫星移动通信中，由于卫星通信时延大，波束覆盖范围广(半径往往超过300 km)，用户分布随机，需要面对卫星用户接入时间长和用户之间时延差大的问题。
而且卫星信道环境下信号传播损耗大，用户频繁重新接入导致接入功率攀升严重，影响系统性能。
文献[6]提出了一种扩展接入前缀长度的时隙ALOHA方式，其增加了接入前缀的捕获概率，但对于卫星移动终端的接入时间性能没有带来改善。
文献[7]中，提出了一种GEO卫星CDMA(Code Division Multiple Access)移动通信系统下的随机接入方式，其提高了在码分多址(CDMA)系统环境下的用户接入时间性能，但其基于码片的帧结构和其接入消息的设置并不适用于基于OFDM的LTE系统。
针对以上问题，结合参考第3收稿日期：2012-09-10；修回日期：2012-09-27基金项目：国家科技重大专项基金资助项目(2011ZX03003-003-02；2009ZX03003-008-02)；国家高技术研究发展计划基金资助项目(“863”计划) (2009AA011504)708 太赫兹科学与电子信息学报 第11卷 代CDMA 卫星移动通信[8]的接入方式，设计一种适用于面向LTE 的GEO 卫星移动通信的随机接入方式。
1 随机接入帧结构和接入过程1.1 随机接入帧结构在LTE 系统中，随机接入方案设置的小区范围为 5 km~30 km 。
其随机接入技术主要采用基于资源预留的slotted ALOHA ，即用户是先申请后调度接入。
图1是随机接入前导示意图，随机接入前导信号由循环前缀(Cyclic Prefix ，CP ，长度为T CP )、前导序列Preamble [9](长度为T SEQ )和保护间隔GT(长度为T GT ，保护间隔内不进行任何数据发送)组成，和随机接入时隙时长一样都为1 ms 。
不能将上述的随机接入前导结构直接运用于GEO 卫星通信系统中，因为GEO 卫星的环路延迟(Round-Trip Delay ，RTD)达到270 ms 左右，而且一个波束范围为一般几百到上千千米，那么在一个波束范围内的时延差将达到十几毫秒，1 ms 的接入时长显然不能满足所有可能的时延差。
定义用户i 和用户j 之间的时延差为,i j t Δ，表达式如下：,i ji j d d t c −Δ= (1)式中：i d 和j d 分别表示用户i 和用户j 到卫星的距离；c 表示光速(3×108 m/s)。
假设在最大RTD 情况下，即用户i 和用户j 分别表示位于波束中心和波束边缘的用户，GEO 卫星高度为36 000 km ，最小仰角为16°，,i j t Δ在不同的波束范围的取值结果如表1所示。
表1中，,i j t Δ会大于LTE 系统内的一个接入时隙的长度，那么长度为 1 ms 的随机接入时隙不能适应所有可能的,i j t Δ。
例如，假设一个波束范围为3 000 km ，其仰角为10°，那么此时的最大时延差将达到20 ms 左右。
故需要对随机接入前导和接入时隙做新设计。
1) 保护间隔保护间隔时长是用来调整往返传播时延RTD ，系统所支持的小区最大半径是由保护间隔时长来决定。
针对卫星通信具有时延大和波束覆盖范围广的特点，参考S-UMTS(卫星通用通信系统)协议下的随机接入时隙设计[5]，对保护间隔做新设计。
在移动通信过程中，每公里长度需要大约6.67 μs 的保护间隔时间。
在GEO 卫星波束覆盖半径为325 km 的情况下，一个波束下的最大时延差将达到 2.16 ms ，那么需要保护间隔时间为 2.16 ms ，即 65 560个T S ，其中T S 为LTE 系统采样间隔，其值为1/(15 000×2 048) s 。
2) 接入时隙长度为满足以上保护间隔时间，需要对接入时隙长度重新设计。
通过采用扩展序列的方法，可以支持较大小区。
在LTE 系统中考虑以下3种可能的序列扩展方法，以满足较大小区的接入问题。
a) 另外定义一组时域长度等于多个传输时间间隔(Transmission Time Interval ，TTI)的扩展序列；b) 将原序列重复多次，得到时域长度等于多个TTI 的序列；c) 保持原序列不变，只是采用加长的CP 和GT 。
采用简单的短码重复比设计单独的长度具有更低的复杂度和更好的抗频偏性能，因此没有必要再重新设计单独的码序列。
LTE 系统设计中为支持更大的小区覆盖范围，采用将加长的CP,GT 以及原序列重复2次，但其接 入前导可支持的最大小区覆盖半径也仅为100 km ，小于GEO 卫星波束覆盖范围半径(325 km)。
表1 不同卫星点波束范围下的用户i 和j 之间的RTD 差值Table1 RTD difference between user i and user j according to satellite spot beam sizesspot beam size/kmΔt ij /ms 1 5002 000 9.312.4图1 LTE 随机接入前导信号格式第5期 陈坤汕等：面向LTE 的静止轨道卫星通信系统随机接入方式 709 参考LTE 系统设计思想，采用加长的CP 和GT ，以及原序列重复2次。
但是为满足GEO 卫星点波束覆盖半径，不仅需要2.16 ms 的保护间隔，而且随机接入时隙也要满足一定的时长(假设为10 ms)。
若只采用重复2次的前导序列，即前导信号时长为1.6 ms ，而保护间隔是2.16 ms ，那么循环前缀将达到6.24 ms ，显然会造成资源的浪费。
结合本文提出随机接入流程策略，将控制信息(Control Information)加入到接入前导中，既满足了时隙长度的要求，也减少了接入流程的步骤。
