5G学习笔记之随机接入

1. 概述

随机接入触发场景：

• 空闲态接入
• RRC重建
• 切换
• RRC连接态，数据到达时上行失步
• RRC连接态，有上行数据时PUCCH SR资源不足
• CA场景下，为第二个TAG提供TA测量
• SR失败
• 从去激活态转换成连接态
• 请求SI
• 波束恢复

2. MSG1

UE发送MSG1需要做5件事情：选择SSB、选择Preamble Index、选择发送Preamble的时频资源、确定对应的RA-RNTI、确定目标接收功率。

2.1 选择SSB

选择一个满足RSRP门限要求的SSB（SSB和PRACH对应)，如果都不满足RSRP门限，则任意选择一个SSB。

2.2 选择Preamble Index

根据MSG3的大小以及路径损耗，选择Preamble。

每个小区有 64 个可用的 preamble 序列，UE 会选择其中一个（或由 gNB 指定）在 PRACH 上传输。这些序列可以分成两部分，一部分用于基于竞争的随机接入，另一部分用于基于非竞争的随机接入。用于基于竞争的随机接入的 preamble 序列又可分为两组：group A 和 group B（group B 可以没有），这么做的目的是为了加入一定的先验信息，以便 基站在 RAR 中给 Msg3 分配适当的上行资源。基站通过SIB1来发送这些配置。

（1）竞争

• UE 首先要确定选择的是 group A 还是 group B 中的 preamble。如果存在 preamble group B，且Msg3 的大小大于 messageSizeGroupA，且 pathloss 小于 PCMAX,c –preambleInitialReceivedTargetPower - deltaPreambleMsg3 – messagePowerOffsetGroupB，则选择 group B；否则选择 group A
• 确定了 group 之后，UE 从该 group 中随机选择一个 Preamble

（2）非竞争

• 由基站决定preamble index。

2.3 选择发送Preamble的时频资源

PRACH资源：PRACH

2.4 确定RA-RNTI

2.5 确定发送功率

UE基于捕获SSB的接收功率来估计下行路损，然后结合基站配置的前导码目标接收功率来确定初始发送功率。

如果在预先确定的窗口内没有收到随机接入响应，则UE认为网络没有正确接收到前导码，很可能是由于前导码的发射功率太低。这时，UE可能会将前导码发射功率提升一个偏移量，重复发送前导码。

UE会持续提升发射功率，直到收到随机接入响应消息，或者达到可配置的最大重传次数preambleTransMax，或者达到可配置的前导码最大发送功率为止。后两种情况，可以认为随机接入失败。

发送功率计算见3GPP 38.321。

3. MSG2

UE侧

UE发送preamble后，将在RAR时间窗（ra-ResponseWindow）内监听PDCCH，以接收对应RA-RNTI的随机接入响应消息（PDSCH）。其中，PDCCH在公共搜索空间上传输。RAR时间窗在SIB1中配置。

RAR 时间窗起始于发送 preamble 的子帧 + 3 个子帧，并持续ra-ResponseWindow个子帧。如果 preamble 在时域上跨多个子帧，则以最后一个子帧计算。

基站侧

基站侧收到Msg1后：1）基于前导码的接收定时而计算出UE的TA；2）调度授权，指示UE用于传输后续消息3的资源；3）分配临时标识（ TC-RNTI），用于UE和网络之间进一步通信；4）发送RAR消息。

如果网络检测到多个来自不同UE的Msg1，那么各自的响应消息可以合并成一条消息发送。基站在DL-SCH调度响应消息，并使用随机接入响应预留的标识RA-RNTI，通过PDCCH指示给UE。

RAR中包含三种MAC subPDU:

• MAC subheader with Backoff Indicator only
• MAC subheader with RAPID only（如场景：SI请求确认)
• MAC subheader and MAC RAR
  

RAR消息说明:

• BI：Backoff Indicator，指定了 UE 重发 preamble 前需要等待的时间范围。如果 UE 在 RAR 时间窗内没有接收到 RAR，或接收到的 RAR 中没有一个 preamble 与自己的相符合，则认为此次 RAR 接收失败。此时 UE 需要等待一段时间后，再发起随机接入。等待的时间为在 0 至 BI 指定的等待时间区间内选取一个随机值。
  ♥ BI 的取值从侧面反映了小区的负载情况，如果接入的 UE 多，则该值可以设置得大些；如果接入的 UE 少，该值就可以设置得小些。
  ♥ 如果 UE 收到了一个 Backoff Indicator subheader，则会保存一个 backoff 值，该值等于该subheader 中的 BI 值；否则 UE 会将 backoff 值设为 0。。
• RAPID：Random Access Preamble Identifier，基站在检测preamble时得到的preamble Index。如果 UE 发现该值与自己发送 preamble 时使用的索引相同，则认为成功接收到对应的 RAR。
• Timing Advance Command：指定 UE 上行同步所需要的时间调整量。
• UL grant：指定了分配给 Msg3 的上行资源
• TC-RNTI：临时C-RNTI
  

另外，在下行波束赋形的情况下，基站发送随机接入响应要遵循SSB(即在小区初始搜索阶段捕获到的SSB)所用的波束赋形。这很重要，因为终端要使用接收端的波束赋形，就需要知道如何指向接收波束。通过使用与SSB相同的波束来发送随机接人响应，终端知道可以使用与小区搜索阶段确定的接收波束相同的波束来接收:

4. MSG3

MSG3最重要的就是携带UE标识给基站，用于后续收到MSG4后，UE判断随机接入结果。

• RRC_CONNECTED和RRC_INACTIVED态的UE，其唯一标志是 C-RNTI。在Msg3时，UE通过MAC CE将自己的C-RNTI告诉给基站。
• 对于非 RRC_IDLE 态的 UE 来说，将使用一个来自核心网的唯一的 UE 标志（S-TMSI或一个随机数）作为其标志。
  

5. MSG4

基站侧
若UE存在有效的C-RNTI，使用C-RNTI在PDCCH上对终端进行寻址来处理。
若UE不存在有效的C-RNTI，使用TC-RNTI在PDCCH上对终端进行寻址来处理，相应的DL－SCH包含了竞争解决消息。

UE侧
比较竞争解决消息中的UE标识和Msg3发送的是否一致，若是，则竞争成功，发送上行HARQ；否则，竞争失败。

6. 其它

6.1 切换中的随机接入

连接态的UE要切换到新的小区，目标小区会在触发切换的RRC重配消息中携带相关的RACH配置，基站通常会给UE分配一个专用前导码索引，即基于非竞争的随机接入。RRC重配消息中携带的随机接入相关信息：

6.2 SI请求的随机接入

UE请求发送SI的方式有：

• 先通过传统的随机接入进入连接态，然后通过传统的RRC信令显示地请求SI消息。

• 使用随机接入过程直接请求SI。在SIB1中携带SI请求配置，包括随机接入配置和前导码索引。UE通过给定的随机接入配置和前导码索引进行随机接入，就直接指示了请求发送SI。

通过随机接入获取SI更多内容见：5G学习笔记之系统消息

6.3 通过PDCCH order重新建立同步

如果连接态的UE保持不活动，即在一段时间内没有进行上行传输，可能会失去与基站的同步。基站检测到上行失步，则会通过PDCCH Order的方式触发UE进行随机接入。

PDCCH Order使用DCI格式1_0，将频域置为全1，指示该DCI是用于随机接入，而非下行调度。

DCI包含了专用的前导码索引和SSB索引。