背景介紹

在LTE以及5G Release 15中，UE和網絡側是通過Msg1/2/3/4完成交互（基于競爭的隨機接入），實現UE入網，在最新的協議中，這一過程又叫4-Step RACH。為了進一步優化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和網絡側只需要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恢復到RRC Connected狀態等，而CFRA一般常用于小區間的切換或者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發起隨機接入。

UE在發送preamble之后，會計算與PRACH occasion相關聯的RA-RNTI，以便接收對應RA-RNTI的RAR（Random Access Response，隨機接入響應），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傳輸的UL載波(0表示普通上行載波，1表示SUL載波)。

此外，UE的preamble實際發射功率主要由網絡側下發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的最大發送次數。如果初始接入過程失敗，但是還沒有達到最大嘗試次數preambleTransMax，則可以繼續傳輸preamble，如果達到最大次數，則本次隨機接入過程結束；

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

關于preamble的其他知識：

在LTE和5G NR中，每個小區總共有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的數目通過SIB消息中的numbuerOfRA-PreamblesGroupA指示。當然，如果numbuerOfRA-PreamblesGroupA和totalNumberOfRA-Preambles相等的話，就說明該小區不存在group B的preamble。

而group A和group B中preamble序列的區別主要是用于傳輸Msg3信息的大小，UE通過選擇group A或者group B中的preamble，收到Msg1的網絡側就可以知道需要給UE分配多少資源用于傳輸Msg3。

1.1.2 Msg2

UE發送了preamble之后，將在RA response window持續地內監聽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）。如果在RAR時間窗內沒有接收到網絡側回復的RAR，則認為此次隨機接入過程失敗。

RAR時間窗由網絡側通過RRC層的SIB消息下發給UE。比如sl20表示連續的20個slot，用于發送了preamble后，UE監聽PDCCH信道是否存在網絡側回復的RAR。

網絡側在解碼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發送的preamble相同時，則認為成功接收了RAR，獲得了上行資源(UL grant)，可以發送上行數據了。

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數據要傳輸；

?T表示type bit，“0”代表后續會傳輸backoff indicator信息，“1”代表后續會傳輸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preamble前需要等待的時間范圍（在該時間區間內選取一個隨機值），如果接入的UE多，則該值可以設置得大些；如果接入的UE少，該值就可以設置得小一些，以降低沖突的概率；

?RAPID表示random access preamble identifier，為網絡側在檢測preamble時所得到的preamble index。如果UE發現該值與自己發送preamble時使用的索引相同，則認為成功接收到對應的RAR；

?UL Grant指示了用于承載Msg3的PUSCH的時頻位置等信息；

?Temporary C-RNTI，用于在后續的隨機接入過程中作為UE的ID標記；

?TimingAdvance，用于指定 UE 上行同步所需要的時間調整量。

***需要注意的是，1 個 RAR MAC PDU 包含 1 個或多個RAR。使用相同 PRACH 資源發送 preamble（preamble 不一定相同）的所有 UE 都監聽相同的 RA-RNTI 加擾的 PDCCH，并接收相同的RAR MAC PDU，但不同 preamble index 對應不同的 RAR。不同 PRACH 資源（時頻位置不同）發送的 preamble 對應的 RAR 不能復用到同一個 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距離網絡設備（比如基站）的距離不一樣，傳輸時延不一樣，會導致多徑效應。為了保證上行傳輸的正交性，就要求來自同一子幀但不同頻域資源（不同的RB）的不同UE的信號到達網絡側的時間基本上是對齊的，網絡側只要在循環前綴（cyclic prefix）范圍內接收到UE所發送的上行數據，就能夠正確地解碼上行數據。這個同步是通過UE發送random access preamble序列，網絡側估計出時延，在下發的RAR中攜帶timing advance command給UE來完成的，UE根據timing advance command來調整發送時刻。

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發送Msg3后會啟動競爭解決定時器 (ra-ContentionResolutionTimer，網絡側通RRC層的SIB消息下發)持續地監聽PDCCH。

在不同場景，Msg3 對應不同類型的消息：

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：

如果網絡側配置了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的隨機數作為ue-identity。

1.1.4 Msg4

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

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發起接入前，網絡側會給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，這會加大業務傳輸的時延，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，可以縮短業務恢復的時間。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、或者網絡側需要需要傳輸下行數據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的相關流程。

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

1)原小區向target目標小區發送handover request；

2)目標小區經過admissioncontrol準入控制判決后，向原小區回復handoverrequestacknowledge;

3)然后原小區會下發一條RRC重配消息給UE，該重配消息攜帶了一條分配給對應UE的專屬preamble以及用于傳輸preamble的PRACH信道的時頻資源，對應于CFRA過程中的Msg0，此外還包含了目標小區的Cell ID、頻點、帶寬、bearer等信息，以用于UE向目標小區發起接入，有點類似NSA下讓UE接入NR的重配消息以及SA下SIB消息的內容；

4)UE根據Msg0的指示，在指定的PRACH資源上發送一個專屬preamble用于向目標小區發起隨機接入，對應于CFRA過程中的Msg1。網絡側收到Msg1后，根據Msg1計算上行timing advance，之后網絡側向UE發送RAR隨機接入響應，隨機接入響應中包含timing advance、用于配置PUSCH傳輸資源的UL grant等信息，對應于CFRA過程中的Msg2。當網絡側響應了一條RAR，UE就完成了在目標小區的接入，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