LTE-TDD随机接入过程（3）-RAR（MSG2）以及MSG1的重传

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

1.UE监测RAR

文章《LTE-TDD随机接入过程（2）-前导码Preamble的格式与时频位置》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。

the UE shall monitor the PDCCH for Random Access Response(s) identified by the RA-RNTI defined below, in the RA Response window which starts at the subframe that contains the end of the preamble transmission plus three subframes and has length ra-ResponseWindowSize subframes.

ra-ResponseWindowSize参数由SIB2中的RACH-ConfigCommon字段带给UE，范围是2-10个子帧，即UE最多连续监测RAR的时长是10ms。

2.RA-RNTI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。

RA-RNTI: The Random Access RNTI is used on the PDCCH when Random Access Response messages are transmitted. It unambiguously identifies which time-frequency resource was utilized by the UE to transmit the Random Access preamble.

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《LTE-TDD随机接入过程（2）-前导码Preamble的格式与时频位置》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。

3.UE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：

（1）将本地变量PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1

（2）如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER变量=（preambleTransMax+1），那么将通知协议上层“本次RA失败”，不再执行（3）、（4）过程。这之后的流程，是继续执行新一次的RA过程，还是执行扫频选小区，甚至换网过程，协议并没有明确说明，由UE侧基带厂商自行决定。

（3）如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER<（preambleTransMax+1），且之前的Preamble是由UE侧MAC选择的，那么UE将在0到backoff参数之间随机选择一个值，作为当前失败时刻到下一次发送Preamble时刻的时延。

（4）选择时频资源位置，重新发起RA过程。

从上述过程可以看到，UE侧在每次RA过程中，会维护一个计数器PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER，范围是【0，preambleTransMax】，一旦超过preambleTransMax值，则表示本次RA失败。preambleTransMax参数表示本次Preamble发送（含重传）的最大次数，和ra-ResponseWindowSize参数一样，也是包含在SIB2中的RACH-ConfigCommon字段中，见上文截图。范围从3到200不等，一般取5次即可。

backoff参数表示上次接收RAR失败到下次重新发送Preamble之间的最大延时，单位是ms，eNB侧的MAC层通过RAR消息配置到UE。范围是0-960ms。如果值属于Reserved，则按照960ms处理。

前导码的发送和重传时机如下图所示。

MSG1每次发送前导码的功率值PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER计算如下：

PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER = preambleInitialReceivedTargetPower +DELTA_PREAMBLE + (PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER – 1) *powerRampingStep

其中，

PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER是当前MSG1的传输次数，第一次（新传）时，PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER被设置为1。

preambleInitialReceivedTargetPower表示初始功率值，范围从-120dBm到-90dBm不等。

powerRampingStep表示功率抬升因子，范围从0dB到6dB不等。

上述三个参数都由SIB2中的RACH-ConfigCommon字段带给UE，见前文截图。

DELTA_PREAMBLE是一个功率偏移量，与Preabmle的格式相关。

4.RAR的格式

随机接入过程中的MAC PDU包含3个部分：MAC头、payload（1个或多个RAR单元）和可选的填充padding。

MAC头包含1个或多个MAC子头，但只能有1个子头可以包含Backoff Indicator，且这个子头只能放在第一个子头位置。其他没有包括Backoff Indicator的子头均对应一个RAR单元。如下图所示。之所以将BI子头放在第一个子头位置，我想可能是为了减少UE侧的处理时间，比如存在这种情况：UE1-UE10共10个UE同时接入，如果将UE1的RAPID子头不放在第一个位置，那么UE1还要遍历接下来的所有子头，读取每个子头的E值和T值，才能知道这个RAR有没有携带BI子头，而如果规定BI子头固定放在第一个位置，那么UE1在解码BI子头和自己的RAPID子头后，就不需要关心余下所有子头的T字段了。

带BI（Backoff Indicator）参数的MAC子头，由E/T/R/R/BI组成，而其他的子头则由E/T/RAPID组成，如下图所示。需要注意的是，在没有解码到任何BI值的时候，UE本地使用的BI参数是0ms，而如果一旦解码成功RAR，无论这个RAR是否携带了本UE的Preamble，UE都要存下本次解码得到的BI，以备重传Preamble的时候使用。但一旦重新发起RA过程，UE侧BI参数都将被复位为0ms。

子头中每个字段的含义是：

E: Extension field，扩展域。指示后续是否还有MAC子头，1表示还有另一个子头，0表示后面不再有MAC子头。

T: Type field，类型域。指示MAC子头后面跟的是Backoff Indicator还是RA Preamble ID（即UE上报的Preamble值）。1表示当前MAC子头后面携带了RA Preamble ID，0表示后面携带的是BI指示（Backoff Indicator）。

R: Reserved bit，固定填0。

BI: Backoff Indicator。占4个bit位，范围0-15，左边是高bit位，右边是低bit位（下同）。

RAPID: Random Access Preamble Identifier，随机前导码标识，MSG1携带，占6个bit位，范围0-63。

如果有2个UE正在进行随机接入，且计算得到的RA-RNTI一样，而前导码不一样时，包含RAR的PDU头的格式如下所示。只有当不同UE的RA-RNTI相同时，RAR消息才能封装到一个MAC-PDU里，不同的RA-RNTI，不能封装在一个MAC PDU中。

payload指1个或多个RAR控制单元，具体个数取决于MAC子头中对应的RAPID的个数。如果RAR是对2个前导码进行的响应，则MAC PDU需要有2个RAR控制单元。RAR控制单元的格式如下。

每个RAR的长度固定为6个字节。各字段的含义为：

Timing Advance Command：时间提前命令域，占11个bit位。通知UE进行上行同步的TA值。
UL Grant：上行授权，占20个bit位。指示UE用于上行传输MSG3的资源，包括时频位置、是否跳频、功控等参数。低字节Oct2为高bit位，高字节Oct4为低bit位。
Temporary C-RNTI：临时C-RNTI，占16个bit位。UE后续发送的MSG3消息使用该值加扰。

对于2个RAR的MAC PDU，它的格式如下。

20bits的UL GRANT包括的内容有：

– Hopping flag – 1 bit，指示PUSCH是否执行跳频。
– Fixed size resource block assignment – 10 bits，指示MSG3的RB资源分配，与带宽有关，以后会详细介绍。
– Truncated modulation and coding scheme – 4 bits，指示MSG3使用的MCS。
– TPC command for scheduled PUSCH – 3 bits，指示PUSCH的TPC参数。
– UL delay – 1 bit。指示MSG3发送时刻。《LTE-TDD HARQ（1）-上行HARQ时序》已经详细介绍了这个参数的具体含义。
– CQI request – 1 bit。指示UE是否上报CQI。

比如UE接收到的RAR码流为0x410008DC0C212F，则依据协议规则，解析的过程如下：