星星之火-19：在基站没有给手机终端分配资源前，手机是如何先基站申请资源？随机接入过程！手机如何「星星之火-19：在基站没有给手机终端分配资源前，手机是如何先基站申请资源？随机接入过程！」

1. 引言

手机通过基站的大喇叭：广播信道（频率同步FCCH、时隙同步SCH、广播控制信道BCCH）广播的信息找到了基站。

但这并不代表手机就可以使用基站的无线资源访问无线网络。

蜂窝无线通信与WIFI通信不同，WIFI访问无线资源是不需要申请的，先访问，再看有没有冲突，采用的是公平竞争策略。

然后蜂窝无线通信是彻底的中央集权制策略，手机必须先申请无线资源，由基站统一分配载波与时隙后才能使用无线资源。

这里其实有一个悖论：没有无线资源，就无法访问基站，要访问基站需要预先申请无线资源，这是一个死循环。

蜂窝无线通信是如何解决这个问题呢？

蜂窝无线通信借用了医院在解决类似的紧张的专家资源分配的方法：

在固定的窗口、固定的时间段，预约挂号！超过挂号时间、或者资源全部用完，挂号失败。

挂号成功后，给病人分配医生载波资源以及对应时隙，病人才能享受到看病服务，

这个过程在蜂窝无线通信中称为“随机接入过程”！

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2. GSM随机接入过程

（0）手机与基站同步

手机先通过下行广播公共信道：FCCH, SCH，BCCH与基站进行频率同步、时隙同步、获取小区载波等信息，并进行小区选择。

（1）随机接入申请 （挂号）

手机通过小区的公共挂号窗口：公共上行随机接入信道RACH，向基站申请无线资源（载频与时隙），并把自己的5比特的随机接入标识和期望加入的基站id以加密的方式一起提交給基站。

基站在公共上行随机接入信道中监控到手机的随机接申请，解调信号，解密数据，获得手机的随机接入标识号。并基站控制器BCS发出随机接入申请。

（2）随机接入允许

基站BTS基站控制器许可随机接入后，为手机分配手机专有的控制信道SDCCH（实际上就是载波+时隙+TDMA帧中的位置发送功率等资源）。并通过下行公共允许接入信道AGCH告诉手机。

注意：

由于AGCH是公共信道，因此在该小区中的所有手机都会收到此信息，比如上图中的手机1&2都会收到基站BTS随机接入许可。

手机要做的就是：检查该许可数据中的随机接入标识与自己的是否一致，不一致，这主动放弃基站为手机分配的公共信道资源。

但这里是有问题的：

• 手机耍赖，不主动放弃基站为手机分配的专用信道怎么办？
• 手机随机接入号只有6比特，在用户密集的区域，用户1和用户2同时接入，如果其随机数相同怎么办？

只有6比特的随机数标识手机显然不够的，且AGCH只在物理层为申请随机接入的手机分配了专有的控制信道的物理层资源SDCCH（载波+时隙+TDMA帧中的位置+发送功率等资源），因此还需要在MAC层对手机进行进一步的确认。

（3）SABM帧

手机在收到基站的随机接入允许后，表明基站为手机分配号了专有的控制信道SDCCH。

但基站其实并不知道手机特有的信息，此时，手机必须通过SABM帧向基站上报自己的信息，包括：接入原因、手机的识别码IMEI、手机的类别、发送功率等级、加密算法等，并利用这些信息，分配链路层资源。

同时基站把SABM帧，再回送给手机，会送的SABM帧，又称为UA帧。

（4）UA帧

手机收到UA帧，与自己发出去的UA帧进行比较，以确定基站分配的专有的控制信道SDCCH到底是不是分配给自己的。

如果完全相同，则表明基站接纳了自己，可以使用之前分配的控制信道SDCCH。

否则丢弃该帧，不能使用控制信道SDCCH，超时后，该手机必须重新启动随机接入过程。

至此，基站为手机分配好控制信道，手机获取了无线控制信道，完成随机接入过程！

接下来，深入解析随机接入过程的关键技术：随机接入信道与随机接入许可信道。

3. 随机接信道：挂号窗口

这是一个特殊的、用来挂号的公共接入信道，特殊性体现在：

3.1 特殊性1：固定的挂号窗口（固定的载波CS0和固定的时隙TS0）

（1）下行

（2）上行

上图红色的上行时隙，就是随机接入信道！

载波CS0的整个TS0时隙都分配给了随机接入信号，没有其他信道复用此信道。

3.2 特殊性2：该信道使用特殊的、专用的突发脉冲信号进行无线资源的申请。

 < Access Burst >接入脉冲序列AB（特殊上行信道）

• 2个3比特的尾比特，也称结束比特：（0,0,0）
• 41bit的同步序列：

训练序列是公开的、已知的二级制序列。

基站用此序列来来监听无线随机接信道，确定是否有终端接入。

训练序列大小为16bit，通过复制该序列尾部的最后5bit和序列首部的最初5bit，向两个方向扩展。

如果采用GMSK调制方式，在选择中间16bit时要求其自相关函数具有较高的峰值。

这与终端用来检测基站发出的同步信道的机制类似！

该同步序列是为了应对“随机接信道”中的一个关键词“随机”。

所谓随机，在每个给终端指定精确的载波和时隙前，终端访问基站的时间点是随机的！

这个同步序列，带来了两大好处：

（1）基站就能够定位到手机发过来的36比特的加密数据在哪里！！！

（2）通过比较收到的手机发来的同步脉冲信号，与随机接入信道时隙起点进行比较，就可以获得手机发送的信号到基站之间的传输延时t，通过电磁波的传播速率v=3*10^8米/s，从而可以获得手机与基站的距离 l=v*t！

不同手机与基站的传播延时是不相同的！

• 36比特的加密数据，主要内容包括：

3bit的原因码：表明什么原因挂号，或者或看哪个科室。

5bit的移动台随机鉴别符：不是IMEI, 而是5比特的随机码，用来临时性、粗略性表明终端的接入身份。5比特，就意味着，在年同月同日同时，最多有32个用户同时接入！

6bit的基站识别码：是终端从基站的广播信道中获得的，就像医院的挂号卡，基站通过此标识知道，手机是向自己申请随机接入，而不是其他基站。

4bit的结束码：表明数据传输结束。

上述共18比特。

然后按1:2的卷积编码得到RACH突发脉冲上18*2=36bit的数据。

3.3 特殊性3：手机与基站的距离不确定性与 68.25比特的保护间隔GP

这是一个很有意思的比特位：68.25比特的保护间隔GP。必须要了解其真实的含义！

手机并不传输这些保护间隔比特，因此基站也收不到这些比特。

这么长比特的保护间隔的作用，主要是用来应对随机接入信道中的"随机”两个字的！

下图展示了随机接入过程与保护间隔的作用！

手机离基站的距离远近不同，在上图中，有3个手机，离基站的距离由近到远依次为：手机1、手机2、手机3。

距离不同，手机到基站之间的电磁波信号的传播延时不同，分别为T1, T2, T3。

这意味着

下行方向：

基站广播的同步突发脉冲序列到达不同手机的延时不同，而手机与基站的时隙同步是通过突发脉冲同步完成的，因此不同手机与基站对齐后，虽然其频率是相同的，帧号相同，但帧的绝对的起始时间不同，有一个偏移量t。

手机的所有的接收和发送时隙，与基站之间是有一个时间偏差，这个时间偏差为传播延时t，比如上图的t1，t2，t3等。

上行方向：

手机上行发送的帧的起始时间与下行方向一致，因此，手机的上行时隙与基站的上行时隙之间有一个延时t。

当手机按照指定的时隙发送数据时，从手机发送到基站，也有传输时间，这个时间也是t （假设上行行传播延时相同）

基站收到某一个手机的随机接入脉冲的时间点，与基站内部的随机接入信道的时间点，有T = 2*t的延时！

如果手机发送的随机接入脉冲信号的延时过大，就会错过随机接入信道的时隙TS0，对后续的时隙TS1造成干扰。

随机接入信道的保护带宽比特GP，就为为了解决这个问题的，实际上是增加了随机接入信道的接收比特窗口。

以上图中的手机为例

手机1：随机接入脉冲，落在基站的随机接入时隙TS0的窗口以内，但覆盖了部分的保护时隙GP.

手机2：随机接入脉冲，落在基站的随机接入时隙TS0的窗口以内，但覆盖了全部的保护时隙GP.

手机3：随机接入脉冲，落在基站的随机接入时隙TS0的窗口之外，对时隙TS1造成了干扰。

保护时隙的长度与什么有关？

保护时隙GP的长度，决定了小区的最大半径！推导如下：

由于随机接入的突发脉冲序列中没有时间提前量TA调整，因此，为了不使第一个突发脉冲序列与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲的比特会短一些，多余的比特作为保护带宽。

每个比特的传播延时为3.69us，

保护带宽保护的传播延时：68.25bit x 3.69 = 252.03ms。

保护带宽保护的传播距离：3*10^8 * 252.03ms = 75.61Km。

单向额传播距离为37.81Km。

因此GSM规定，允许小区最大半径是35km。也就说从离基站最大距离为35km的手机发送的RACH消息，到达基站天线时，和下一个突发脉冲没有重叠的。

说明：

保护带宽GP，是无线资源的预留，并不能给手机增加信息传输的速率，实际上是一种资源的浪费。

但随机接入前，手机与基站的距离是不确定的，手机和基站都不知道手机与基站到底相差多远，中间有多少的电磁波的传播延时，因此通过保护带宽GP、牺牲资源的方式来应对这种手机位置的不确定性。

但如果这种通过增加带宽的方式，也用于后续上行其他信道（业务数据与控制信令）的数据传输，显然是无线资源的极大浪费。

如果基站在随机接入的过程中，获取手机与基站之间的传输延时并告诉手机，不同的手机，传输延时不同，不同的手机，就可以按照不同的提前量发送数据，确保手机发送的数据，可以按照指定的时间到达基站，这样就不要额外的保护带宽GP了。

这个技术，就是蜂窝无线通信中的TA提前量。

4. 手机初始发送提前量TA

（1）手机发送提前量TA?

由于手机与基站之间有一定的距离，手机按照指定时隙发送的信号，传输到基站会有延时，在时分复用系统中，这种延时会导致对分配给其他用户的后续时隙造成干扰。

如果手机能够提前TA发送数据，这信号传输到基站时，正好得到指派给自己的时隙，这样就不会对其他时隙造成干扰，这就是就是蜂窝无线通信中的TA提前量。

（2）TA提前量的计算

TA = 两倍的无线链路传输延时 

需要注意的是，提前量与手机距离相关，手机的传输距离发送变化是，该提前量也要跟着动态变化。

因此，随机接入中计算的TA提前量，称为初始发送提前量。

后续的TA延时，是通过手机的测量报告上报的，而手机是根据接收到同步信道的相位偏移+初始提前量共同技术获得。

（3）TA提前量的传递

基站通过随机接入许可信道AGCH通知手机：该手机的发送时间提前量TA是多少。

（4）TA提前量的使用

在TA之后的所有上行时隙中使用！

5. 随机接入许可信道AGCH

（1）突发脉冲

随机接入许可信道AGCH是通过普通的突发脉冲进行传递TDMA帧的。

（2）随机接入许可信道AGCH的内容：立即分配消息

• 代表终端的随机数
• 专用控制信道SDCCH的描述：载波、时隙、TDMA帧中的位置、发送功率等资源。
• 初始化时间提前量（之所称为初始化时间提前量，是指随着手机终端的移动，该提前量需要实时更新）
• 初始最大发送功率（之所称为初始化时间提前量，是指随着手机终端的移动，该发送功率需要实时更新）

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后记：

随机接入过程中的“随机”，并不是指在手机在任何时隙、任何时间都可以接入，实际上手机必须通过随机接入时隙进行接入。

但由于不同手机里基站距离的不同，因此手机的随机接入请求，从手机发出，到达基站的随机接入信道的时间是随机的，是不确定的。这是随机的本质！！！