TD-SCDMA系统中随机接入过程分析

URL:http://tonyduan823.spaces.live.com/blog/cns!1AF1C2173485F09C!4584.trak

 

TD-SCDMA系统中随机接入过程分析(广东通信技术)

TD-SCDMA系统中随机接入过程分析

罗一静, 段红光

（重庆邮电学院通信学院，重庆，400065）

摘要： 在任何一个移动通信系统中，都会涉及到随机接入过程，其基本原理大致相同，但是都存在一些微小的差别，即使是TSM协议中描述的随机接入过程也和 TD－SCDMA协议中描述的随机过程也是不相同的。本文主要介绍TD－SCDMA系统的随机接入过程，包括上行同步、物理信息的处理以及无线资源的请求 过程。

关键词： 上行同步, 随机接入, 签名码, 时间提前,

The Analysis of Random Access Procedure in TD-SCDMA

Luo Yi-jing , Duan Hong-guang

(Chongqing Chongyou Information Technology Co. LTD, Chongqing, 400065)

Abstract: In any radio telecommunication systems, the random access procedure is an indispensable procedure. Although all their principles are almost same, the procedures are different to each other, even the description of random access procedures in TSM and in TD-SCDMA. This paper mainly introduces the random access procedure in TD-SCDMA, including uplink synchronization, physical information and the radio resource request procedure.

Keywords: Uplink Synchronization, Random Access, Signature Code, Time Advance

1 概述

在 TD－SCDMA系统中，当UE(终端)开启电源之后，将进行DwPCH的同步过程以及解读DwPCH上的内容，直到找到一个合适的小区，并且驻留在该小 区中，最终进入空闲模式。在空闲模式下，终端将监视自己的寻呼消息以及驻留小区的系统消息是否发生改变。如果系统消息发生改变，则终端及时更新系统消息的 内容，尽快和小区广播的系统消息保持一致。在整个过程中，为了接收寻呼和系统消息，终端实时和小区保持下行同步状态。

虽然终端和网络保持下行同步关系，由于终端的移动，使得终端和网络之间的距离是不确定的，所以如果终端需要发送消息到网络，则必须经过随机接入过程，建立上行同步，并需要实时的进行上行同步的维持管理，直到过程的完成。

在 TD－SCDMA系统中，触发随机接入过程的原因很多，可以是来自网络的寻呼、终端的业务请求、MM层的特殊过程以及RRC需要和网络建立的联系。在进行 这些过程之前都必须经过随机接入过程。在3GPP的TD－SCDMA系统中，随机接入过程不仅在RRC的空闲模式下需要进行，在连接模式的 CELL_FACH、CELL_PCH、URA_PCH状态下，如果终端需要和网络建立联系，终端也必须启动随机接入过程，所以该过程在TD－SCDMA 系统中占有很重要的地位。

无论是何种原因触发的随机接入，该过程的目的就是建立和网络上行同步关系以及请求网络分配给终端专用资源，进 行正常的业务传输，如图1所示就是一个随机接入的完整过程，第一、第二小步就是建立上行同步过程，其他就是进行资源的请求。所以在该论文中，根据图1将首 先介绍上行同步的建立过程，然后在介绍其资源的请求过程。具体内容参考下面的描述。

图1 随机接入过程流程

2 上行同步的建立

TD- SCDMA系统是一个同步系统，对上行和下行同步有比较严格的要求。在空闲模式下，UE(终端)和NODE B (基站)之间仅建立了下行同步。换句话说，此时终端并不知道距网络的距离，也不能准确地知道发送“RRC连接请求”消息时所需的发射功率和定时提前量。由 于PRACH信道位于常规时隙内，若终端直接在PRACH信道上发送连接请求，那么，这个非同步的信号将对同时隙和相邻时隙的其它用户造成极强的干扰。因 而，在TD-SCDMA系统中，专门定义了两个时隙（GP和UpPTS）用于上行同步和初始功率调整。随机接入过程始于终端在UpPCH信道上发送上行同 步码SYNC-UL：具体过程是这样的。

2.1 SYNC-UL发送过程

终端从小区允许使用的上行同步码中随机地 选择一个，选取时应满足概率一致性分布的原则。每个小区码组由1个SYNC-DL、8个SYNC-UL、4个Midamble和4个Scrambling 码组成。终端在小区选择阶段就已经确定了小区的下行同步码SYNC-DL，因而也就确定了小区允许的SYNC-UL码。按TD-SCDMA系统的设计，网 络可以在同一帧内检测到8个用户在GP + UpPTS两个时隙内同时发送的SYNC-UL。当然，这8个用户必须刚好选择了8个不同的SYNC-UL码。在发送SYNC-UL码之前，首先确定发送 SYNC-UL码需要的功率和时间提前量。

SYNC-UL码的发送功率按开环功率控制原则进行确定。计算如下：

P_UE = aL_{TPL_DwPTS} +(1-a)L₀ +R_{NODE_B} + n * DP ≦ P_MAX

其中L_{TPL_DwPTS}表明终端到网络之间的路径损耗。终端可以根据网络在DwPCH时隙（或P-CCPCH信道）发射的功率与终端在该时隙接收到的码功率来进行估算。即L_{TPL_DwPTS} = L_{NODE_B} - L_RX ；L₀：表明终端到网络之间路径损耗的长时间平均值，L_{TPL_DwPTS} = L_{NODE_B} - L_RXAVE，其中L_RXAVE为终端在一定时间内接收信号码功率的平均值；R_{NODE_B}表 明网络在给定信道上期望的接收功率。在UpPCH上建立上行同步时，其值取自系统信息广播参数Qrxlevmin。在PRACH信道发送连接请求消息时， 使用从FPACH信道上收到的参数TPLC；a:指终端用于描述路径损耗的加权因子（0≦a≦1）。其值与两次测量之间的时间间隔有关； DP指两次发送SYNC1之间的功率增量，其值由系统信息广播；n：连续发送SYNC1的次数； P_MAX表明小区允许的最大发射功率，其值取自系统信息广播参数UE_TXPWR_MAX_RACH；

在确定发送SYNC-UL码的功率之后，再确定所需的定时提前量，可按下式确定：

T_TX-UpPCH = T_UpPCH + 2△t_p +12*16 T_C

式中：T_TX-UpPCH表示终端在UpPTS时隙发送SYNC-UL的开始时间； T_UpPCH表示终端于DwPTS时隙所确定的UpPTS时隙的开始时间；2△t_p表示终端发送SYNC-UL时所需的定时提前量；

按3GPP 的规范TS 25.224要求，△t_p的值可以根据路径损耗来进行近似地估算，12*16 T_C是一个估算修正值。但不管怎么估算，只要保证终端发送的SYNC-UL码正好落在检测窗内即可。

2.2 接收FPACH突发

终 端发出SYNC-UL后，将从下一子帧开始在FPACH物理信道上等待接收FPACH Burst，最长等待时间WT由系统信息广播（缺省值为20 ms或4个子子帧）。在TD-SCDMA系统中，每个小区可以配置多个FPACH信道，其具体数目由系统信息广播。在这种情况下，终端应监听的下行 FPACH信道按下式确定：

FPACH_i = SYNC-UL_j mod N （j = 1,2…..8）

式中：FPACH_i表示终端应监听的下行PFACH信道号；SYNC-UL_j表示终端在UpPTS时隙发送时所选择的小区上行同步码编号，范围1~8；N：表示服务小区配置的FPACH信道的数目；mod表示取模运算；

PFACH Burst 携带的信息如下面的表1所示：

表1 PFACH Burst 信息

由 于FPACH一个公用的物理信道，在FPACH上接收到物理信息不一定是本终端的，所以每当接收到来自网络的物理信息，都需要使用签名参考号和相对子帧号 来判定是否是本终端的物理信息。如果终端正确接收到物理信息，表明上行同步过程已经完成，随之将进行在PRACH进行资源请求过程。

3 资源请求过程

在完成上行同步过程之后，为终端进行资源请求提供了条件，终端可以精确计算出需要发送的定时提前量以及所需要发送功率。发送PRACH的时间可以由下面公式计算出。

T_TX-PRACH = T_RX-PRACH –(UpPCH_ADV + UpPCH_POS – 8*16 T_C)

其中T_TX-PRACH 终端发送PRACH 的时间; T_RX-PRACH 网络接收到PRACH 的时间；UpPCH_POS 来自FPACH的信息，等于UpPTS_Rxpath - UpPTS_TS ，UpPTS_Rxpath在上行同步过程中，网络接收到SYNC-UL码的时间；UpPTS_TS 是在DwPCH结束前两个SYMBOL的时间。利用这个公式很容易计算出终端和网络之间的传播延迟时间。终端利用该传播延迟时间精确调整发送在PRACH上的发送时间。

发送PRACH需要时间的功率，可以由下面公式计算：

P_UE = aL_{TPL_DwPTS} +(1-a)L₀ + TPLC

其中TPLC来自FPACH的物理信息，其他参数和发送SYNC_UL需要功率计算参数相同，可以参考前面的描述，这里不再一一介绍。

完成在PRACH信道上发送数据所需要的功率以及时间提前量之后，终端只要选定一个PRACH，并在该物理信道上将“RRC CONNECTION REQUEST”消息发送到网络，等待网络进行资源的分配，具体描述如下。

3.1 PRACH信道的选择

在TD-SCDMA系统中，一条FPACH物理信道可对应多条PRACH信道（1~4）。这种对应关系一方面取决于PRACH所用的扩频因子，另一方面也取决于系统配置。两者的映射关系如下式所示：

SFN’mod L_i = N_PRACH

其中SFN’表示系统子帧号；L_i：表示每一FPACH信道对应的PRACH数目。这一对应关系由系统信息广播；N_PRACH：表示终端发送层3消息时应使用的PRACH信道编号；

为 了更好地说明这种对应关系，表2给出了一个例子。在这个例子中，设：扩频因子SF=8；那么在PRACH信道上发送的“RRC CONNECTION REQUEST”消息按其容量需要两个连续的突发才能承载。也就是说，每一PRACH信道的持续时间为10 ms。如果等待时间WT=4；终端在第i帧送出SYNC-UL后，可在其后连续的i+4帧内等待网络的响应。若在等待时间内收到的所有FPACH burst内没有与己相关的识别信息（相对子帧号和SYNC-UL编号），就应该重新开始（或放弃）签名过程。反之，则延迟一个子帧周期后在PRACH信 道上发连接请求消息。

表2 FPACH和PRACH的对应关系

3.2 RACH的发送过程

为了提供RACH使用的不同优先级，RACH物理资源可以划分为不同的接入服务等级（ASC）。UTRAN可以把多个ASC或所有ASC分配给同一接入时隙/签名段或同一SYNC1码（在系统信息中广播）。

一个ASC是用一个标识i和相应的持续值P_i来表示的，其中i定义了PRACH资源的一个划分。一个ASC参数集由NumASC+1个这样的参数（i，P_i）， i = 0, 1，…，NumASC（即最高的可用的ASC编号：0—7）组成。RRC层从系统信息中得到PRACH划分标识和相应的持续值，并通过原语CMAC- Config-REQ把ASC参数集配置给MAC层。ASC的枚举顺序对应其优先级的顺序（即ASC0为最高优先级，ASC7为最低优先级）。

在 无线承载建立/重新配置时，UTRAN可以给每个逻辑信道指配一个MAC逻辑信道优先级（MLP，范围为1-8，其中1是最高优先级，8是最低优先级）。 MAC层在进行ASC选择时要使用该参数。如果传输块集中的各传输块所对应的MLP都相同，则选择ASC为NumASC和MLP的较小者；否则，选择 ASC为NumASC和MinMLP的较小者，其中MinMLP表示的是该传输块集所涉及的最高逻辑信道优先级。如图2终端侧的RACH发送控制过程。

通过接收到RRC层发送的原语CMAC-CONFIG-REQ，MAC层获得RACH发送控制参数：ASC参数集合和最大同步重发次数Mmax等。如果有数据需要传输，则MAC层将从有效的ASC集合中选择一个合适的ASC参数（包含了PRACH划分标识和相应的持续值P_i）。

基于持续值P_i，MAC 层可以决定在当前TTI中是否允许开始L1 PRACH过程。如果允许开始，则通过向物理层发送PHY-ACCESS-REQ原语来启动L1 PRACH过程。此后，MAC层将等待接收相关的接入信息(其携带在原语PHY-ACCESS-CNF中)。如果不允许开始，则在下一个TTI中进行新一 轮的持续值检测。该检测将反复进行，直到允许发送为止。

如果在FPACH上得到同步突发的确认，则物理层将使用PHY-ACCESS-CNF原语，向MAC层报告携带了“RACH数据发送准备好”参数的接入信息。如果接收到了该信息，则MAC层可以使用原语PHY-DATA-REQ把数据提交给物理层去发送。

如 果物理层在规定的时间内在FPACH上没有收到相应的确认，MAC层也就没有收到相应的接入信息，而且还没有超过允许的最大同步重发次数，则MAC层将在 下一个TTI中进行新一轮的持续值检测。计时器T2用来保证两个连续的持续值检测的最小时间间隔。如果超过允许的最大同步重发次数，则MAC将放弃该 RACH发送过程，并通知高层。

图2 RACH发送控制过程（终端侧）

3.3 FACH信道的接收过程

终 端在PRACH信道送出‘RRC CONNECTION REQUEST’消息后，将在配置的S-CCPCH物理信道（承载的传输信道为FACH）上接收所有的数据块以查找是否有属于自己的‘RRC CONNECTION SETUP’消息。在TD-SCDMA系统中，一个小区可以配置多条S-CCPCH物理信道，具体数目由系统信息进行广播。每一终端对应的S-CCPCH 信道按下式确定：

S-CCPCHi = U-RNTI mod K

其中S-CCPCHi：表示 终端应监视的S-CCPCH信道索引号；U-RNTI表示UTRAN无线网络临时标识；K表示用于承载FACH传输信道的S-CCPCH信道数目，仅用于承载PCH传输信道的S-CCPCH信道不被包含在内；

终端在收到RRC CONNECTION SETUP消息后，按层3信令的要求，在DCCH逻辑信道上给网络一个证实信号RRC CONNECTION SETUP COMPLETE。表示随机接入的最终完成。

4 结束语

TSM 系统和3GPP中的TD－SCDMA系统中的随机接入过程的原理是基本相同的，特别是在发送随机请求，建立上行同步过程，但是在资源请求过程有很大的区 别。发送的消息也不相同，由于篇幅关系以及不是本文的重点，没有具体的描述，可以参考TSM 04.08协议。另外TD－SCDMA系统的随机接入过程是在网络和终端的相互作用下完成的，本文仅仅只介绍了在终端侧的随机接入过程描述，没有涉及到网 络的流程，具体可以参考3GPP网络侧的协议。

参考文献：

[1]. Performance Analysis of the Random Access Procedure in WCDMA, Jeyaratnarajah Niththiyanathan, Nokia Oyj

[2]. Stabilization of Slotted ALOHA Spread-Spectrum Communication Networks, SANG WU KIM, MEMBER IEEE, IEEE Log Number 9034783

[3]. 3GPP TS 25.331 V4.11.0 (2003-09) Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Radio Resource Control (RRC); Protocol Specification (Release 4)

[4]. 3GPP TS 25.321 V4.9.0 (2003-09) Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Medium Access Control (MAC) protocol specification (Release 4)

[5]. 3GPP TS 25.224 V4.10.0 (2003-12) Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Physical Layer Procedures (TDD) (Release 4)

[6]. 李小文 . TD-SCDMA第三代移动通信系统信令与实现. 人民邮电出版社 . 2003年

作者介绍：

段红光：男，高级工程师，生于1969年，云南大理人，1992年毕业于重庆邮电学院，现在工作于重庆重邮信科有限公司，多年从事TD-SCDMA系统的开发工作。