背景介紹

在LTE以及5G Release 15中，UE和網(wǎng)絡(luò)側(cè)是通過Msg1/2/3/4完成交互（基于競爭的隨機接入），實現(xiàn)UE入網(wǎng)，在最新的協(xié)議中，這一過程又叫4-Step RACH。為了進一步優(yōu)化UE接入的流程，降低時延，減少額外的信令開銷，5G Release 16定義了2-Step RACH，也就是UE和網(wǎng)絡(luò)側(cè)只需要MsgA和MsgB即可完成隨機接入。

目錄

1.4-Step RACH介紹

1.1基于競爭的隨機接入

1.1.1 Msg1

1.1.2 Msg2

1.1.3 Msg3

1.1.4 Msg4

1.2基于非競爭的隨機接入

2.2-Step RACH介紹

2.1基于競爭的隨機接入

2.1.1 MsgA

2.1.2 MsgB

2.2基于非競爭的隨機接入

1.4-StepRACH介紹

在介紹2-Step RACH之前，我們有必要先來回顧一下4-Step RACH的內(nèi)容。

4-Step RACH包含了CBRA（Contention-Based Random Access，基于競爭的隨機接入）和CFRA（Contention-Free Random Access，基于非競爭的隨機接入）。其中，CBRA主要用于初始RRC連接建立、RRC連接重建，以及從RRC Inactive或者RRC Idle恢復(fù)到RRC Connected狀態(tài)等，而CFRA一般常用于小區(qū)間的切換或者UE定位，在5G中，CFRA還用于NSA下，UE在連上LTE后去聚合NR載波。

1.1基于競爭的隨機接入

這里以UE初始接入來介紹一下CBRA基于競爭的隨機接入的內(nèi)容。

1.1.1 Msg1

UE從preamble pool中隨機選擇一個在PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道）上發(fā)起基于競爭（Contention-Based）的隨機接入，因此可能會存在多個不同的UE在相同時間選擇相同的preamble發(fā)起隨機接入。

UE在發(fā)送preamble之后，會計算與PRACH occasion相關(guān)聯(lián)的RA-RNTI，以便接收對應(yīng)RA-RNTI的RAR（Random Access Response，隨機接入響應(yīng)），其計算公式如下所示：

RA-RNTI= 1 + s_id + 14 × t_id + 14 × 80 × f_id + 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id

其中：

?s_id是PRACH occasion的第一個OFDM符號的索引(0 ≤ s_id < 14)；

?t_id是系統(tǒng)幀中PRACH occasion的第一個時隙的索引(0 ≤ t_id < 80)；

?f_id是頻域中的PRACH occasion的索引(0 ≤ f_id < 8)；

?ul_carrier_id是用于preamble傳輸?shù)腢L載波(0表示普通上行載波，1表示SUL載波)。

此外，UE的preamble實際發(fā)射功率主要由網(wǎng)絡(luò)側(cè)下發(fā)RRC層的SIB消息指示。

其中：

?preambleReceivedTargetPower，UE用于傳輸preamble的初始功率；

?preambleTransMax是preamble的最大發(fā)送次數(shù)。如果初始接入過程失敗，但是還沒有達到最大嘗試次數(shù)preambleTransMax，則可以繼續(xù)傳輸preamble，如果達到最大次數(shù)，則本次隨機接入過程結(jié)束；

?powerRampingStep是每次接入失敗后，UE下次接入時提升的發(fā)射功率。在這個過程中采用的是開環(huán)功控的方式，如果上一次Msg1發(fā)送失敗，則UE在下一次增加發(fā)射功率，以提高接入成功率。

關(guān)于preamble的其他知識：

在LTE和5G NR中，每個小區(qū)總共有64個可用于隨機接入的preamble序列，一部分用于CBRA，另一部分則用于CFRA，具體可用于CBRA的preamble數(shù)是通過SIB消息中的totalNumberOfRA-Preambles來知會UE。

用于CBRA的preamble序列又可以分為group A和group B，group A preamble的數(shù)目通過SIB消息中的numbuerOfRA-PreamblesGroupA指示。當(dāng)然，如果numbuerOfRA-PreamblesGroupA和totalNumberOfRA-Preambles相等的話，就說明該小區(qū)不存在group B的preamble。

而group A和group B中preamble序列的區(qū)別主要是用于傳輸Msg3信息的大小，UE通過選擇group A或者group B中的preamble，收到Msg1的網(wǎng)絡(luò)側(cè)就可以知道需要給UE分配多少資源用于傳輸Msg3。

1.1.2 Msg2

UE發(fā)送了preamble之后，將在RA response window持續(xù)地內(nèi)監(jiān)聽PDCCH（攜帶DCI format 1_0，用RA_RNTI加擾)，以接收RAR（Random Access Response，隨機接入響應(yīng)）。如果在RAR時間窗內(nèi)沒有接收到網(wǎng)絡(luò)側(cè)回復(fù)的RAR，則認(rèn)為此次隨機接入過程失敗。

RAR時間窗由網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過RRC層的SIB消息下發(fā)給UE。比如sl20表示連續(xù)的20個slot，用于發(fā)送了preamble后，UE監(jiān)聽PDCCH信道是否存在網(wǎng)絡(luò)側(cè)回復(fù)的RAR。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)在解碼preamble時，也獲得了該preamble的時頻位置，進而知道了RAR中需要使用的RA-RNTI，將DCI用該RA-RNTI加擾后通過PDCCH發(fā)送出去，UE在PDCCH公共搜索空間上獲取DCI信息，通過DCI指示的時頻位置去檢測PDSCH，并在PDSCH上解碼所攜帶的RAR信息，當(dāng)UE成功地接收到一個 RAR（使用前面介紹的 RA-RNTI 來解碼），且該RAR中的preamble與UE發(fā)送的preamble相同時，則認(rèn)為成功接收了RAR，獲得了上行資源(UL grant)，可以發(fā)送上行數(shù)據(jù)了。

如下是一個典型RAR MAC PDU介紹：

?E表示extension bit，“0”和”1”代表后面是否會接著其他的MAC subPDU數(shù)據(jù)要傳輸；

?T表示type bit，“0”代表后續(xù)會傳輸backoff indicator信息，“1”代表后續(xù)會傳輸RAPID信息；

?R表示reserved bit，置為“0”；

?BI表示backoff indicator，指定了UE在RAR失敗后重發(fā)preamble前需要等待的時間范圍（在該時間區(qū)間內(nèi)選取一個隨機值），如果接入的UE多，則該值可以設(shè)置得大些；如果接入的UE少，該值就可以設(shè)置得小一些，以降低沖突的概率；

?RAPID表示random access preamble identifier，為網(wǎng)絡(luò)側(cè)在檢測preamble時所得到的preamble index。如果UE發(fā)現(xiàn)該值與自己發(fā)送preamble時使用的索引相同，則認(rèn)為成功接收到對應(yīng)的RAR；

?UL Grant指示了用于承載Msg3的PUSCH的時頻位置等信息；

?Temporary C-RNTI，用于在后續(xù)的隨機接入過程中作為UE的ID標(biāo)記；

?TimingAdvance，用于指定 UE 上行同步所需要的時間調(diào)整量。

***需要注意的是，1 個 RAR MAC PDU 包含 1 個或多個RAR。使用相同 PRACH 資源發(fā)送 preamble（preamble 不一定相同）的所有 UE 都監(jiān)聽相同的 RA-RNTI 加擾的 PDCCH，并接收相同的RAR MAC PDU，但不同 preamble index 對應(yīng)不同的 RAR。不同 PRACH 資源（時頻位置不同）發(fā)送的 preamble 對應(yīng)的 RAR 不能復(fù)用到同一個 RAR MAC PDU 中。

這里還需要再介紹一下為什么需要配置timing advance：

隨機接入過程的一個重要作用是上行同步，由于不同UE距離網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（比如基站）的距離不一樣，傳輸時延不一樣，會導(dǎo)致多徑效應(yīng)。為了保證上行傳輸?shù)恼恍裕鸵髞碜酝蛔訋煌l域資源（不同的RB）的不同UE的信號到達網(wǎng)絡(luò)側(cè)的時間基本上是對齊的，網(wǎng)絡(luò)側(cè)只要在循環(huán)前綴（cyclic prefix）范圍內(nèi)接收到UE所發(fā)送的上行數(shù)據(jù)，就能夠正確地解碼上行數(shù)據(jù)。這個同步是通過UE發(fā)送random access preamble序列，網(wǎng)絡(luò)側(cè)估計出時延，在下發(fā)的RAR中攜帶timing advance command給UE來完成的，UE根據(jù)timing advance command來調(diào)整發(fā)送時刻。

1.1.3Msg3

Msg3在PUSCH上傳輸，采用HARQ機制，這里UE使用的PUSCH時頻資源是通過Msg2中的UL grant所指示的。UE發(fā)送Msg3后會啟動競爭解決定時器 (ra-ContentionResolutionTimer，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通RRC層的SIB消息下發(fā))持續(xù)地監(jiān)聽PDCCH。

在不同場景，Msg3 對應(yīng)不同類型的消息：

a.初始接入，為 RRCSetupRequest；

b.重建，為RRCReestablishmentRequest；

c.從RRC Inactive接入，為RRCResumeRequest。

以初始接入為例：

如果網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置了5G-S-TMSI，那么UE會將RRCSetupRequest中的ue-identity配置為ng-5G-S-TMSI-Part1，否則的話將一個0..239-1的隨機數(shù)作為ue-identity。

1.1.4 Msg4

網(wǎng)絡(luò)側(cè)從眾多Msg3中隨機選擇一個，將其封裝成一個contention resolution identity MAC CE，用對應(yīng)UE的TC-RNTI加擾后，通過PDCCH（攜帶了DCI format 1_0）發(fā)送出去，UE用TC-RNTI解擾PDCCH成功，且其中的內(nèi)容與自己發(fā)送的UE ID一致，則認(rèn)為完成了隨機接入，后續(xù)將TC-RNTI變成C-RNTI，并通過PUCCH反饋ACK給網(wǎng)絡(luò)側(cè)，否則表示競爭解決失敗，需要重新發(fā)起隨機接入。

1.2基于非競爭的隨機接入

與CBRA基于競爭的隨機接入不同，CFRA基于非競爭的隨機接入的流程相對較為簡單，在UE選擇CFRA發(fā)起接入前，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會給UE分配一個專屬的preamble，使得UE在隨機接入的過程中不會產(chǎn)生沖突。通過前面對基于競爭的隨機接入的介紹，我們知道UE會存在接入失敗的可能，這會加大業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r延，而UE在基于非競爭的隨機接入中有自己專屬的preamble，保證了接入的成功性，可以縮短業(yè)務(wù)恢復(fù)的時間。值得一提的是，除了切換是通過RRC重配消息給UE分配一個preamble，其他CFRA場景則是通過PDCCH order來給UE配置preamble的。

CFRA主要用于切換、或者網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要需要傳輸下行數(shù)據(jù)但是檢測到了上行失步等場景，這里以最常見的切換為例，介紹一下CFRA的相關(guān)流程。

在滿足了可以進行切換的場景，比如UE從本小區(qū)中心移動到了小區(qū)邊緣，且UE上報的鄰區(qū)信號高于門限，即可觸發(fā)小區(qū)切換流程，大致流程如下：

1)原小區(qū)向target目標(biāo)小區(qū)發(fā)送handover request；

2)目標(biāo)小區(qū)經(jīng)過admissioncontrol準(zhǔn)入控制判決后，向原小區(qū)回復(fù)handoverrequestacknowledge;

3)然后原小區(qū)會下發(fā)一條RRC重配消息給UE，該重配消息攜帶了一條分配給對應(yīng)UE的專屬preamble以及用于傳輸preamble的PRACH信道的時頻資源，對應(yīng)于CFRA過程中的Msg0，此外還包含了目標(biāo)小區(qū)的Cell ID、頻點、帶寬、bearer等信息，以用于UE向目標(biāo)小區(qū)發(fā)起接入，有點類似NSA下讓UE接入NR的重配消息以及SA下SIB消息的內(nèi)容；

4)UE根據(jù)Msg0的指示，在指定的PRACH資源上發(fā)送一個專屬preamble用于向目標(biāo)小區(qū)發(fā)起隨機接入，對應(yīng)于CFRA過程中的Msg1。網(wǎng)絡(luò)側(cè)收到Msg1后，根據(jù)Msg1計算上行timing advance，之后網(wǎng)絡(luò)側(cè)向UE發(fā)送RAR隨機接入響應(yīng)，隨機接入響應(yīng)中包含timing advance、用于配置PUSCH傳輸資源的UL grant等信息，對應(yīng)于CFRA過程中的Msg2。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)響應(yīng)了一條RAR，UE就完成了在目標(biāo)小區(qū)的接入，接著UE會返回一條RRCReconfigurationComplete的消息。

具體切換過程中的preamble是通過RRC重配消息中的RACH-ConfigDedicatedàCFRA-SSB-Resourceàra-PreambleIndex來指示：

審核編輯：湯梓紅