1.随机接入的目的
随机接入是UE和网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，eNB和UE之间才能正常进行数据互操作（Normal DL/UL transmission can take place after the random access procedure）。UE可以通过随机接入实现两个基本的功能：
- （1）取得与eNB之间的上行同步（TA）。一旦上行失步，UE只能在PRACH中传输数据。（as long as the L1 is non-synchronised, uplink transmission can only take place on PRACH.）
- （2）申请上行资源（UL_GRANT）。
2.随机接入的种类
根据业务触发方式的不同，可以将随机接入分为基于竞争的随机接入（Contention based random access procedure）和基于非竞争的随机接入（Non-Contention based random access procedure）。所谓“竞争”，就是说可能存在这么一种情况，多个终端在同个子帧使用同样的PRACH资源向eNB发送了同样的前导码序列，希望得到eNB的资源授权，此时eNB无法知道这个请求是哪个UE发出的，因此后续各UE需要通过发送一条只与自己本UE相关的、独一无二的消息（MSG3），以及eNB收到这条消息后的回传（MSG4）到UE，来确认当前接入成功的UE是哪一个。这种机制就是竞争解决机制。类似GSM系统的SABM/UA帧的握手机制。
2.1.竞争随机接入的场景
当eNB不知道UE的业务或者状态，而UE又必须申请上行资源或上行TA同步的时候，UE就需要发起竞争随机接入。这种情况下，eNB没有为UE分配专用的Preamble码，而是由UE在指定范围内随机选择Preamble码并发起随机接入过程。发生竞争接入的具体场景有（36300-10.1.5）：
（1）UE的初始接入（Initial access from RRC_IDLE）。此时RRC层的状态为RRC_IDLE，UE需要CONNECTION REQUEST，而eNB无法知道，因此需要UE执行竞争接入过程。
（2）UE的重建（RRC Connection Re-establishment procedure）。重建的原因有多种，比如UE侧的RLC上行重传达到最大次数，就会触发重建，此时eNB也不知道UE的重建状态，也需要UE执行竞争接入过程。
（3）UE有上行数据发送，但检测到上行失步（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is "non-synchronised"）。这个情况与初始接入类似，eNB无法知道UE什么时候有上行业务要做，因此需要UE执行竞争接入过程。
（4）UE有上行数据发送，但没有SR资源（UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when there are no PUCCH resources for SR available"）。一般的，如果没有UL_GRANT用于发送BSR，UE会通过SR发送上行资源申请，但如果也没有SR资源，则只能通过竞争接入过程申请UL_GRANT。此时，eNB显然也不知道UE是否有上行数据发送。
（5）在非竞争接入过程中，eNB发现没有了非竞争资源，也会转到竞争接入过程（定位过程除外）
2.2.非竞争随机接入的场景
非竞争随机接入是UE根据eNB的指示，在指定的PRACH信道资源上使用指定的Preamble码发起的随机接入，适用于：
（1）切换（Handover）。
（2）eNB有下行数据发送，但检测到上行失步（DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure when UL synchronisation status is “non-synchronised”）。
（3）定位过程。
3.竞争随机接入的主要流程
本文仅描述主要流程，一些细节内容以后会分不同的主题再描述。
下图是36300给出的竞争随机接入的四步过程，包括Random Access Preamble （MSG1）和Random Access Response（MSG2）、Scheduled Transmission（MSG3）和Contention Resolution（MSG4）。
3.1、MSG1
UE向eNB发送前导码(Random Access Preamble on RACH in uplink)。
随机接入前导序列码集合是由物理层生成的最大数目为64个Zadoff-Chu序列及其移位序列组成。eNB侧的RRC分配部分或全部Preamble序列的索引值用于竞争随机接入，并通过系统信息SIB2广播到UE。UE随机接入需要的PRACH物理信道资源如PRACH个数和时频位置等也由RRC通过系统消息SIB2广播到UE。UE侧的RRC收到SIB2后，解析出其中的Preamble信息并配置到MAC，由MAC根据路损等信息在Preamble集合中随机选择一个Preamble索引配置给物理层，物理层根据MAC的Preamble索引，通过查表/公式生成有效的Preamble ZC序列并发送到eNB。
每个小区可用的Preamble码总数不超过64个，在所有用于竞争随机接入的Preamble码中，eNB侧的RRC可以选择性的将其分为2组：Group A和Group B。UE触发随机接入的时候，需要根据待发的MSG3大小和路损大小确定Preamble码集合(If both groups are configured the size of message 3 and the pathloss are used to determine which group a preamble is selected from)。其中，Group B用于MSG3较大而路损较小的场景，Group A用于其它不适合Group B的场合。那么如何衡量MSG3和路损是大还是小，这些值衡量的门限参数是由eNB在SIB2信息中通知给UE的。UE确定Preamble码使用集合A或B后，从该集合中随机选择一个Preamble码发送。
如果eNB将小区内所有的Preamble码都划归为Group A（即SIB2中配置的总SIZE=Group A SIZE），则UE直接从Group A中随机选择一个Preamble码发送。eNB侧RRC配置的Group A SIZE和Group total SIZE一般可以由管理工具配置，不需要RRC代码静态分配，UE侧RRC根据Group A SIZE和total SIZE即可计算出Group B的SIZE。
UE根据从SIB2中获取到的信息，生成随机接入前导Preamble序列，并在PRACH信道的相应随机接入资源上发起随机接入。 此时UE并不知道eNB与UE之间的距离，为避免对其它用户干扰，Preamble序列设计时，后面会有一个GT保护间隔。
3.2 MSG2
eNB向UE发送MSG2（Random Access Response generated by MAC on DL-SCH）。
eNB会在PRACH中盲检测前导码，如果eNB检测到了随机接入前导序列码Radom Access Preamble，则上报给MAC，后续会在随机接入响应窗口内，在下行共享信道PDSCH中反馈MAC的随机接入响应Radom Access Response。解码PDSCH信道内容，需要UE先通过RA-RNTI解码出PDCCH资源分配信息，然后继续解码PDSCH信道内容。而RA-RNTI是由承载MSG1的PRACH时频资源位置确定的，UE和eNB均可以计算出RA-RNTI值，因此空口中并不需要传输RA-RNTI。
随机接入响应窗口的起点是与MSG1（RA Preamble）间隔3个子帧，长度为2-10ms，由eNB的RRC配置，并通过系统信息SIB2发送到UE。
RA Response（MSG2）消息中包含：MSG1中的RA Preamble（供UE匹配操作）、UE上行定时提前量TA（11位，粗调）、backoff回退参数（重新发起Preamble码应延迟再次接入的时间）、为传输MSG3分配的PUSCH上行调度信息UL_Grant（包括是否跳频、调制编码率、接入资源和接入时刻等内容）、Temple C-RNTI（供MSG3加扰使用）。
RA response（MSG2）是一个独立的MAC PDU，在DL-SCH中承载。一个MSG2中可以包含多个UE的Preamble，即响应多个UE的随机接入请求。UE通过检测MSG2中是否携带了其发送的Preamble码来标识是否收到了eNB的随机接入响应，但此时还没有完成竞争解决，并不表示此次eNB侧的应答就是针对本UE的应答。
3.3 MSG3
UE向eNB发送MSG3（First scheduled UL transmission on UL-SCH）。
UE根据RA Response中的TA调整量可以获得上行同步，并在eNB为其分配的上行资源中传输MSG3，以便进行后续的数据传输。
Msg3的初始传输是唯一通过MAC层MSG2消息指示的上行数据动态调度传输，当随机接入过程完成后，其他动态调度上行初始传输都是通过DCI0进行资源分配指示。MSG3消息开始支持HARQ过程，重传的资源和位置通过Temple C-RNTI加扰的DCI0告诉UE。
MSG3可能携带RRC建链消息（RRC Connection Request），也可能携带RRC重建消息（RRC Connection Re-establishment Request ）。如果有层3消息，那么MAC需要保存该CCCH SDU信息，因为eNB MAC发送MSG4的时候需要将UE的这个CCCH SDU信息回发给UE，当做竞争解决标识（UE Contention Resolution Identity）使用，以便完成最终的竞争解决。
3.4 MSG4
eNB向UE发送MSG4（Contention Resolution on DL）。
eNB和UE最终通过MSG4完成竞争解决：
（1）对于初始接入和重建的情况，MSG4中的MAC PDU会携带竞争解决标识（UE Contention Resolution Identity，即MSG3中的CCCH SDU，RRC Connection Request、RRC Connection Re-establishment Request 等消息）。UE在解码TC-RNTI加扰的PDCCH信道后（The Temporary C-RNTI on PDCCH for initial access and after radio link failure），继续在PDSCH信道中获取MSG4的MAC PDU内容，解码成功后，与UE之前在MSG3中发送的CCCH SDU进行比较，二者相同则竞争解决成功（因为不同的UE，其标识不同）。此时MSG3的MAC-CE中不会携带CRNTI字段，对于重建而言，CCCH SDU中则会携带CRNTI信息，RRC据此区分不同的UE。竞争解决后，TCRNTI转正为CRNTI(The Temporary C-RNTI is promoted to C-RNTI for a UE which detects RA success and does not already have a C-RNTI; it is dropped by others. )
（2）对于切换、上/下行数据传输但失步等其他场景进行的竞争随机接入场景，此时因为UE已经分配了C-RNTI，在MSG3的MAC-CE中会将C-RNTI通知到eNB，因此eNB使用旧的C-RNTI加扰的PDCCH调度MSG4，而不使用TCRNTI加扰MSG4(The C-RNTI on PDCCH for UE in RRC_CONNECTED)。UE解码出PDCCH调度命令的时候表示完成竞争解决，MSG4中的具体内容已经与竞争解决无关。这时，MSG2中由eNB分配的TC-RNTI失效，后续由eNB继续分配给其它UE使用(A UE which detects RA success and already has a C-RNTI, resumes using its C-RNTI.)。因此，此种场景MSG4中不包括UE竞争解决标识。
MSG4消息也支持HARQ过程，UE通过PUCCH指示ACK，eNB PHY收到ACK后报给MAC。只有成功完成竞争解决的UE才反馈ACK。
4.非竞争随机接入的主要过程
非竞争随机接入是UE根据eNB的指示，在指定的PRACH信道资源上使用指定的Preamble码发起的随机接入，适用于切换、下行数据到达但失步、定位的场景。
4.1 eNB向UE发送RA Preamble assignment（Random Access Preamble assignment via dedicated signalling in DL）
eNB向UE发送非竞争随机接入过程需要的Preamble码和PRACH信道接入资源。若此时前导码资源不够，eNB只能通知UE发起竞争随机接入，方式是将PDCCH格式1a中的Preamble index设置为全0，UE解码出的Preamble Index全0后，会执行基于竞争的随机接入过程。
对于切换，非竞争前导码通过切换命令发到UE；而其他的两种场景，需要通过CRNTI加扰的DCI1A发到UE。
4.2 UE向eNB发送Preamble码（Random Access Preamble on RACH in uplink）
如果指定了多个PRACH信道资源，UE在连续三个可用的、有PRACH信道资源的子帧中随机选择一个指定的PRACH信道资源用于承载MSG1。eNB侧MAC处理过程同基于竞争的随机接入过程。
4.3 eNB向UE反馈随机接入响应Radom Access Response（Random Access Response on DL-SCH）
eNB侧MAC处理过程同基于竞争的随机接入过程。
五、整体附着流程
1.处在RRC_IDLE态的UE进行Attach过程，首先发起随机接入过程，即MSG1消息；
2.eNB检测到MSG1消息后，向UE发送随机接入响应消息，即MSG2消息；
3.UE收到随机接入响应后，根据MSG2的TA调整上行发送时机，向eNB发送RRCConnectionRequest消息；
4.eNB向UE发送RRCConnectionSetup消息，包含建立SRB1承载信息和无线资源配置信息；
5.UE完成SRB1承载和无线资源配置，向eNB发送RRCConnectionSetupComplete消息，包含NAS层Attach request信息；
6.eNB选择MME，向MME发送INITIAL UE MESSAGE消息，包含NAS层Attach request消息；
7.MME向eNB发送INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，请求建立默认承载，包含NAS层Attach Accept、Activate default EPS bearer context request消息；
8.eNB接收到INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息，如果不包含UE能力信息，则eNB向UE发送UECapabilityEnquiry消息，查询UE能力；
9.UE向eNB发送UECapabilityInformation消息，报告UE能力信息；
10.eNB向MME发送UE CAPABILITY INFO INDICATION消息，更新MME的UE能力信息；
11.eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中UE支持的安全信息，向UE发送
12.SecurityModeCommand消息，进行安全激活；
13.UE向eNB发送SecurityModeComplete消息，表示安全激活完成；
14.eNB根据INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息中的ERAB建立信息，向UE发送RRCConnectionReconfiguration消息进行UE资源重配，包括重配SRB1和无线资源配置，建立SRB2、DRB（包括默认承载）等；
15.UE向eNB发送RRCConnectionReconfigurationComplete消息，表示资源配置完成；
16.eNB向MME发送INITIAL CONTEXT SETUP RESPONSE响应消息，表明UE上下文建立完成；
17.UE向eNB发送ULInformationTransfer消息，包含NAS层Attach Complete、Activate default EPS bearer context accept消息；
18.eNB向MME发送上行直传UPLINK NAS TRANSPORT消息，包含NAS层Attach Complete、Activate default EPS bearer context accept消息。
六、信令解析
1、RRC_CON_REQ
RRC连接请求：终端由IDLE态转为CONNECT状态，或者终端有数据要发送时，会发送建立RRC连接的请求。由UL_CCCH信道发送上来，由SRB0承载。
Ue-Identity（UE标识）
包含randomValue和S-TMSI两种。通常，终端初始入网附着时，用标识randomValue表示；当终端如果已经获取过S-TMSI，并判断驻留cell的TA在UE的TAI list里，即MME中保存了UE的上下文信息，则会使用S-TMSI作为UE的ID，其他的情况使用随机数randomValue。
establishmentCause（RRC建立原因）
原因参数：emergency（紧急呼叫），highPriorityAccess（高优先级接入），mt-Access（移动终端接入，如响应寻呼），mo-Signalling（移动始端信令，如附着/位置更新/随机接入等），mo-Data（移动始端数据，上行有需要传送时，如发生视频/图片）；终端初始入网时可能携带highPriorityAccess/mo-Signalling；当终端有数据传送时，携带原因值mo-Data；当网络侧有数据要向终端传输时，携带原因值mt-Access。
2、RRC_CONN_SETUP
RRC连接建立消息包含建立SRB1承载和无线资源配置信息，主要的目的是建立SRB1与AM，该消息通过DL_CCCH信道发送，承载在SRB0上。
srb-Identity:1
SRB1的标识，表示只建立SRB1
Am
SRB为保证信令的正确接收配置为AM模式，关于模式：透明模式（TM），非确认模式（UM）,确认模式（AM）
logicalChannelConfig
SRB1逻辑信道的配置
3、RRC_CONN_SETUP_CMP
RRC连接建立完成，建立完成消息就通过SRB1承载在UL_DCCH信道上发送。该消息中带有NAS层消息，NAS消息基站侧不解析，直传给MME。
selectedPLMN-Identity
指示UE选择的PLMN，如果是1，表示在SIB1消息里面的第一个PLMN，如果是2，表示在SIB1消息里面的第二个PLMN，以此类推；
dedicateInfoNAS
传输UE的NAS层消息，通过eNB层透传给MME，包含了Attach request的消息；
RRC_DL_INFO_TRANSF
RRC下行直传消息，目的是传送NAS消息
RRC_UL_INFO_TRANSF
RRC上行直传消息，目的是传送NAS消息，这是RRC层（空口）跟踪的消息内容
以上的信令主要是实现消息的安全交互，包括UE和网侧间的双向鉴权，对空口消息的加密和完整性保护两方面，分为NAS Security和AS Security;
NAS Security：负责对NAS数据的加密和完整性保护，在MME和UE间对等的NAS层实现；
AS Security： 负责对AS数据中控制平面（RRC)数据（即SRB1,SRB2）的加密和完整性保护，以及数据平面（UP）数据（DBR)的加密。在eNodeB和UE间对等的PDCP层实现；
RRC_UE_CAP_ENQUIRY
UE能力查询请求消息，由基站发往终端。查询UE在不同网络的接入能力：
RRC_UE_CAP_INFO
UE根据前一个消息会把自己的无线接入能力上报给上层网络，并与网络MME中存储的能力进行对比更新，以应对后续的通信服务需求；
ue-CapabilityRAT-ContainerList
UE支持网络制式的列表，该列表中优先介绍LTE的支持能力，然后介绍是否包含3G能力，如果包含就会介绍，最后介绍包含2G的能力；
supportedROHC-Profiles
支持ROHT协议情况。ROHC是一种专为无线链路设计的数据包头压缩机制，以适应无线链路高误码率和长环回时间的链路特性，一般应用于VOIP业务；
RRC_CONN_RECFIG
RRC连接重配置，由eNodeB发送给UE，要求UE进行相关无线资源重配，为建立SRB2和DRB;
srb-Identity---0x2(2)
增加SRB2，SRB2：用于传送NAS消息的，它必须在安全激活后才能被建立起来，以确保信令的安全性。SRB1是传送RRC信令的，在SRB2建立前也传NAS消息，SRB2建立后SRB1就只用于传RRC信令了。重配置等消息就是在SRB1上传送的；
logicalChannelConfig
DRB逻辑信道配置；
Priority
逻辑信道优先级。UE调度器按逻辑信道优先级由高到低依次保证逻辑信道的优先速率；所有业务优先速率保证后，按逻辑信道优先级由高到低分配资源，仅在QCI为6，7，8，9时该参数有效。取值范围9~16，默认值QCI6:9；QCI:10;QCI8:11；QCI9:12
RRC_CONN_RECFG_CMP
RRC连接重配完成消息与连接重配置消息是一对对存在的，总是对应前一个重配消息。信令中没有重配失败消息，如果重配失败，则直接发起RRC连接重建。该消息表示建立SRB2和DRB已完成。
