第21章 随机接入过程

21.1 随机接入过程事件触发场景

      1) 初始接入：UE从RRC_IDLE态到RRC_CONNETTED态；

      2) RRC连接重建：以便UE在无线链路失败后重新建立无线连接(期间重建小区可能是UE无线链路失败的小区，也可能不是)；

      3) 切换：UE处于RRC_CONNETED态，此时UE需要新的小区建立上行同步；

      4) RRC_CONNETTED态下，上行或下行数据到达时，此时UE上行处于失步状态；

      5) RRC_CONNETTED态下，上行数据到达，此时UE没有用于SR的PUCCH资源时；

      6) SR失败：通过随机接入过程重新获得PUCCH资源；

      7) RRC在同步重配时的请求；

      8) RRC_INACTIVE态下的接入：UE会从RRC_INACTIVE态到RRC_CONNETTED态；

      9) 在SCell添加时建立时间对齐；

      10) 请求其他SI：UE处于RRC_IDLE态和RRC_CONNETTED态下时，通过随机接入过程请求其他SI(参考38.300的7.3.2)；

      11) 波束失败恢复：UE检测到失败并发现新的波束时，会选择新的波束。

      因此，随机接入过程有2种不同的模式：

      1. 基于竞争的随机接入过程：应用于上述/2)/3)/4)/5)/6)/8)/10)/11)。

      2. 基于非竞争的随机接入过程：应用于上述3)/4)/7)/9)/10)/11)。

对于基于竞争的随机接入过程，UE只能在PCell发起，而基于非竞争的随机接入过程，UE即可以在PCell发起也可以在SCell发起。 

21.2 Preamble

21.2.1 preamble的组成

         preamble由循环前缀(CP)和preamble序列(sequence)组成，其如图21.1所示。

                                                                                    图21.1 preamble组成示意图

21.2.2 preamble的分类

         preamble支持4种长度为839的长序列前导(参考38.211表6.3.3.1-1，分为format 0/1/2/3,如表21.1X所示)和9种长度为139的短序列前导(参考38.211表6.3.3.1-2，分为format A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4、C0、C1、混合A1/B1、混合A2/B2、混合A3/B3，如表21.2X所示)，其preamble序列长度由高层参数prach-RootSequenceIndex指示。在FR1下，支持长序列和子载波间隔为15KHz和30KHz的短序列。而在FR2下，仅支持子载波间隔为60KHz和120KHz的短序列。

                              表21.1X PRACH preamble formats for  and ΔfRA∈1.25, 5  kHz(38.211 Table 6.3.3.1-1)

Format					Support for restricted sets
0	839	1.25 kHz	24576κ	3168κ	Type A, Type B
1	839	1.25 kHz	2⋅24576κ	21024κ	Type A, Type B
2	839	1.25 kHz	4⋅24576κ	4688κ	Type A, Type B
3	839	5 kHz	4⋅6144κ	3168κ	Type A, Type B

                                        表21.2X Preamble formats for  and ΔfRA=15⋅2μ  kHz(其中)

Format					Support for restricted sets
A1	139				-
A2	139				-
A3	139				-
B1	139				-
B2	139				-
B3	139				-
B4	139				-
C0	139				-
C2	139

      其中是LTE与NR之间的基本时间单位比值，。

       对于表21.1X和21.2X中和列可以看出，不同format所对应的preamble在时域上所占的连续时间是不一样的，其中长短序列preamble所占时域的连续时间示意图分别如图21.2X和21.3X所示。

                                                 图21.2 X长序列preamble各format所占时域连续时间示意图

                                             图21.3X 短序列preamble各format所占时域连续时间示意图(μ=0)

21.2.3 preamble的数目

       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，这些序列可分为两部分，一部分为totalNumberOfRA-Preambles指示用于基于竞争和基于非竞争随机接入的前导；另一部分是除了totalNumberOfRA-Preambles之外的前导，这一部分前导用于其他目的(例如：SI请求，其中SI请求所用preamble由ra-PreambleStartIndex配置，如果N个SSB与RACH occasion相关联，其中N >= 1，则对于第i个SSB(i = 0, …,N-1)，具有preamble index = ra-PreambleStartIndex + i的preamble用于SI请求；对于N < 1，具有preamble index = ra-PreambleStartIndex的preamble用于SI请求)。值得注意的是，如果totalNumberOfRA-Preambles不只是具体的前导数，则64个前导都用于基于竞争和基于非竞争随机接入。基于竞争的随机接入的preamble又可分为两组：group A和group B，其中group B不一定存在，其参数的配置由ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB进行配置(详细参考21.2.4节)。对于基于竞争的随机接入参数的配置，gNB是通过RACH-ConfigCommon(SIB1中BWP-Common携带)来发送这些配置的，而基于非竞争的随机接入参数的配置，gNB通过RACH-ConfigDedicated进行参数的配置。

21.2.4 SSB映射PRACH Occasion和Preamble

       高层通过参数ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB配置N(L1参数：SSB-per-rach-occasion)个SSB关联一个PRACH occasion(频域)，和每个SSB在每个有效PRACH occasion上基于竞争的preamble数(L1参数：CB-preambles-per-SSB)。其中对于N的配置有如下两种：

       如果N < 1，则一个SSB映射到1/N个连续有效的PRACH occasion(频域)(例如：N = 1/8，则一个SSB映射8个PRACH occasion)，且R个连续索引的preamble映射到SSB n，0 <= n <= N-1，每个有效PRACH occasion从preamble索引0开始(例：N = 1/8，则一个SSB映射8个PRACH occasion，那么一个SSB中有8个preamble索引为0的起始点，因为一个PRACH occasion对应一个preamble索引为0的起始点，其SSB与preamble的映射分支示意图如图21.2所示)；

       如果 N >= 1，R个连续索引的preamble映射到SSB n，0 <= n <= N-1，每个有效PRACH occasion从preamble索引开始(例：N = 2， = 64，则两个SSB映射1个PRACH occasion，那么SSB n = 0，其中1)当n = 0时，在SSB 0的preamble索引从0开始；2)当n = 1时，在SSB 1的preamble索引从32开始；3)SSB 0上的preamble索引为0~31，SSB 1上的preamble索引为32~所配置竞争preamble -1(其SSB与preamble的映射分组示意图如图21.3所示)；4)一个有效PRACH occasion对应整个竞争preamble数，此时一个有效PRACH occasion覆盖两个SSB，所以两个SSB各占部分preamble，与N < 1不一样)，其中由totalNumberOfRA-Preambles配置且是N的整数倍。

       对于链路恢复，UE通过高层参数BeamFailureRecoveryConfig中携带ssb-perRACH-Occation指示N个SSB关联一个PRACH occasion。如果N < 1，则一个SSB映射到1/N个连续有效的PRACH occasion。如果N >= 1，则N个连续的SSB关联一个PRACH occasion。

                                     图21.2 SSB-per-rach-occation <= 1时每个SSB与preamble的映射分组示意图

                                      图21.3 SSB-per-rach-occation = 2时每个SSB与preamble的映射分组示意图

       从上文可知，SSB与PRACH occasion是有映射关系的，其SSB映射到PRACH occasion的顺序应遵循如下几点：

       -  首先，在一个PRACH occasion中preamble索引的顺序是递增的；

       -  第二，频率复用PRACH occasion的频率资源索引顺序是递增的；

       -  第三，在PRACH时隙内的时域复用PRACH occasion的时域资源索引的顺序是递增的；

       -  第四，PRACH时隙索引的顺序是递增的。

      下面通过举例来阐述两者的映射关系。

       例：8个SSB(编号：0~7)，msg1-FDM = 4(表示频域PRACH occasion的个数，详情参考第21.3节)(注：下文举例的PRACH occasion索引编号可能并不是从0开始，而是从1开始)。

       ssb-perRACH-Occasion = 1/4，其SSB与PRACH occasion映射示意图如图21.4所示：

                                        图21.4 ssb-perRACH-Occasion = 1/4时SSB域PRACH occasion映射示意图

       图21.4中表示的是，ssb-perRACH-Occasion = 1/4，表示一个SSB映射4个PRACH occasion，同时msg1-FDM = 4，表示一个时域PRACH occasion上有4个频域PRACH occasion，因此在第一个时域PRACH occasion上的4个频域PRACH occasion对应一个SSB，第二个时域PRACH occasion上的4个频域PRACH occasion对应另一个SSB，依此类推。

       1) ssb-perRACH-Occasion = 1，其SSB与PRACH occasion映射示意图如图21.5所示：

                                    图21.5 ssb-perRACH-Occasion = 1时SSB域PRACH occasion映射示意图

       图21.5中表示的是，ssb-perRACH-Occasion = 1，表示一个SSB映射1个PRACH occasion，同时msg1-FDM = 4，表示一个时域PRACH occasion上有4个频域PRACH occasion，因此第一个时域PRACH occasion上的4个频域PRACH occasion分别对应一个SSB，其为SSB 0~3，而SSB数为8，此时还没有映射完，则根据SSB与PRACH occasion映射要求，因此在第二个时域PRACH occasion上的4个频域PRACH occasion依次以递增的顺序映射SSB 4~7，依此类推。

      2) ssb-perRACH-Occasion = 1/2，其SSB与PRACH occasion映射示意图如图21.6所示：

                                图21.6 ssb-perRACH-Occasion = 1/2时SSB域PRACH occasion映射示意图

        图21.6中表示的是，ssb-perRACH-Occasion＝1/2，表示一个SSB映射2个PRACH occasion，同时msg1-FDM = 4，表示一个时域 PRACH occasion上有4个频域 PRACH occasion，因此在第一个时域 PRACH occasion上的4个频域 PRACH occasion，其中 PRACH occasion 0~1映射SSB 0， PRACH occasion 2～3映射SSB1。此时还没有映射完，则根据SSB与 PRACH occasion映射要求，因此在第二个时城 PRACH occasion上的4个频域 PRACH occasion依次以递增的顺序进行映射SSB，其中 PRACH occasion 0~1映射SSB 2， PRACH occasion  2~3映射SSB 3。在第三个时城 PRACH occasion上的4个频域 PRACH occasion的映射关系: PRACH occasion 0~1映射SSB 4， PRACH occasion 2~3映射SSB5。在第四个时域 PRACH occasion上的4个频域 PRACH occasion的映射关系: PRACH occasion 0~1映射SSB6， PRACH occasion 2~3映射SSB 7，以此类推

      3) ssb-perrach-occasion ＝ 2，其SSB与 PRACH occasion映射示意图如图21.7所示：

                                         图21.7 ssb-perRACH-Occasion = 2时SSB域PRACH occasion映射示意图

       图21.7中表示的是，ssb-perRACH-Occasion ＝ 2，表示2个SSB映射1个PRACH occasion，因此在第一个时域PRACH occasion上的4个频域PRACH occasion的映射如下：SSB 0/1映射PRACH occasion 0、SSB 2/3映射在PRACH occasion 1、SSB 4/5映射在PRACH occasion 2、SSB 6/7映射在PRACH occasion 3，依此类推。

       4) ssb-perrach-occasion ＝ 8，其SSB与 PRACH occasion映射示意图如图21.8所示：

                                   图21.8 ssb-perRACH-Occasion = 8时SSB域PRACH occasion映射示意图

       图21.8中表示的是，ssb-perRACH-Occasion ＝ 2，表示8个SSB映射1个PRACH occasion，因此在第一个时域PRACH occasion上的4个频域PRACH occasion都映射SSB 0~7，依此类推。

21.2.5 CSI-RS映射PRACH Occasion

       CSI-RS与SSB类似，其ID与波束有对应关系。如果随机接入过程由高层触发，且CSI-RS索引关联了PRACH occasion，则当ra-PreambleIndex不为0时，ra-OccasionList中指示了该CSI-RS Index绑定的可用于传输PRACH的PRACH occasion资源集。

21.3 PRACH资源

21.3.1 PRACH时域资源

       PRACH occasion时域位置由高层参数RACH-ConfigGeneric->prach-ConfigurationIndex指示，根据小区不同的频域和模式，38.211的第6.3.3节中给出了prach-ConfigurationIndex所对应的表格。

       -  小区频段为FR1，FDD模式(paired频谱)/SUL，查表38.211 6.3.3.22；

       -  小区频段为FR1，TDD模式(paired频谱)，查表38.211 6.3.3.23；

       -  小区频段为FR2，TDD模式(paired频谱)，查表38.211 6.3.3.24；

     下面摘录FR1 TDD模式部分表进行说明：

                                        表21.1: Random access configurations for FR1 and unpaired spectrum

       根据小区配置的prach-ConfigurationIndex可以得到：

       1) 前导格式preamble 0 format；

       2) ，为PRACH资源所在的无线帧，x为PRACH周期，以SFN0作为起点，y用来计算PRACH资源所在无线帧在PRACH周期内的位置；

       3) Subframe number，PRACH资源所在的子帧号；

       4) Starting symbol，PRACH资源在RACH slot中的起始符号；

      5) ，RACH slot中时域PRACH occasion数目；

      6) ，一个频域PRACH occasion的时域符号长度，对于不同的前导格式，占用的符号长度不同；

       7) s，一个子帧中PRACH slot的数目。

      FR1下PRACH SCS只支持15KHz或30KHz：

      -  当SCS = 15KHz时，在1个子帧中只有1个RACH slot；

      -  当SCS = 30KHz时，在1个子帧中可以有1个或2个RACH slot，如果值为1，则子帧的第2个slot为RACH slot；如果值为2，则子帧的两个slot都是RACH slot；

      注：prach-ConfigurationIndex配置与实际的帧结构无关，配置的时域PRACH occasion是否有效需要基于帧结构进行判断(参加38.213中8.1节)。

      -  对于FDD，所有PRACH occasion都是有效的；

      -  对于TDD，如果UE没有收到TDDUL-DL-ConfigurationCommon，则在当前PRACH slot，PRACH occasion后面没有SSB，且与前面最近的SSB至少间隔Ngap(参见38.213表8.12)个符号，则该PRACH occasion是有效的；

      -  如果UE收到TDDUL-DL-ConfigurationCommon，如果：PRACH occasion在UL符号中或者在当前PRACH slot，PRACH occasion后面没有SSB，且与前面最近的SSB至少间隔Ngap个符号，且与前面最后的DL符号至少间隔Ngap个符号，则认为在PRACH slot中的PRACH occasion是有效的。

21.3.2 PRACH频域资源

       PRACH在频域位置由IE RACH-ConfigGeneric中参数msg1-FrequencyStart和msg1-FDM所指示，其中msg1-FrequencyStart确定PRACH occasion 0的RB其实位置相对于上行公共BWP的频域其实位置(即BWP 0)的偏移，即确定PRACH的频域起始位置，msg1-FDM的取值为{1,2,4,8}，它确定频域PRACH occasion的个数，而PRACH在业务信道上占用的RB数由prach-RootSequenceIndex指示preamble序列，然后根据ΔfRA共同确定PUSCH所占用的RB数(参见38.211表6.3.3.2-1)，其PRACH频域位置示意图如图21.9所示。

                                                                   图21.9 PRACH频域位置示意图

21.4 RA时序

       在随机接入过程的4个步骤过程中，其每一个步骤之间都有着严格的时序，例如：UE发送Msg1，应该在有效时间内收到gNB下发的Msg2。如果在协议所规定的时间内没有收到相应的消息，则会进行失败的处理，相反，则进行成功的处理。RA时序如图21.10所示，图中参数含义由表21.2所示。

                                                                  图21.10 RA时序示意图

                                                                    表21.2 RA时序参数

                           注：参考38.213的第8章

       其中表21.2中参数解释如下：

       1) ΔBWPSwitching：如果激活UL BWP没有改变，则该值为0，否则根据表21.3进行赋值；

                                                   表21.3: BWP switch delay(38.133 Table 8.6.2-1)

<p style="margin-left:42.55pt;">Note 2:&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; If the BWP switch involves changing of SCS, the BWP switch delay is determined by the larger one between the SCS before BWP switch and the SCS after BWP switch.</p>
</td>
</tr></tbody></table></div><p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; 2) ΔDelay：对于FR1，其值为0.5ms；对于FR2，其值为0.25ms；</p>

      3) NT,2：该参数为UE处理能力1的PUSCH准备时间，长度为表21.4的N2所对应的值；

                                 表21.4: PUSCH preparation time for PUSCH timing capability 1(38.214 Table 6.4-1)

       其中μ = min(μDL，μUL)，μDL为调度PUSCH的PDCCH的子载波间隔或者msg2的子载波间隔，μUL为上行数据发送的子载波间隔。如果发送PRACH，对于PRACH长格式，μUL = 0，对于PRACH短格式，μUL由高层参数msg1-SubcarrierSpacing指示。如果发送PUSCH，μUL为PUSCH子载波间隔。

      4）NT,1：该参数为UE能力1的PDSCH准备时间，长度为表21.5的N1所对应的值；

                               表21.5: PDSCH processing time for PDSCH processing capability 1(Table 5.3-1)

<p style="margin-left:0cm;"><strong><em><span style="color:#000000;">or if the higher layer parameter is not configured </span></em></strong></p>
</td>
</tr><tr><td style="vertical-align:top;width:41.4pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">0</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.65pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">8</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.7pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><em><span style="color:#000000;">N1,0</span></em></p>
</td>
</tr><tr><td style="vertical-align:top;width:41.4pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">1</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.65pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">10</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.7pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">13</span></p>
</td>
</tr><tr><td style="vertical-align:top;width:41.4pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">2</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.65pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">17</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.7pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">20</span></p>
</td>
</tr><tr><td style="vertical-align:top;width:41.4pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">3</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.65pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">20</span></p>
</td>
<td style="vertical-align:top;width:188.7pt;">
<p style="margin-left:0cm;"><span style="color:#000000;">24</span></p>
</td>
</tr></tbody></table></div><p style="margin-left:0cm;">&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 其中<em>μ</em> = min(<em>μ</em>PDCCH，<em>μ</em>PDSCH，<em>μ</em>UL)，其结果来源于<a name="_Hlk508187268"></a><a name="_Hlk500865557"></a>，其中<em>μ</em>PDCCH对应于调度PDSCH的PDCCH的子载波间隔，<em>μ</em>PDSCH对应于调度的PDSCH的子载波间隔，并且<em>μ</em>UL对应于要与其发送HARQ-ACK上行的子载波间隔，并且<em>k</em>定义在38.211的第4.4.1节。</p>

21.5 Msg1

       触发随机接入过程的方式有以下3种：

       1) PDCCH order触发：gNB通过特殊的DCI format 1_0告诉UE需要重新发起随机接入过程，并告诉UE应该使用的ra-PreambleIndex、SSB Index、PRACH Mask Index以及指示UL还是SUL的UL/SUL Indicator。

       2) MAC层触发：UE自己选择preamble发起随机接入过程。

       3) RRC层触发：如初始接入、重建、切换、RRC_INACTIVE转换到RRC_CONNECTED态、请求其他SI、RRC在同步重配时的请求等。

       UE要成功发送preamble，需要：(1) 选择SSB或CSI-RS；(2) 选择preamble index；(3)选择用于发送preamble的PRACH资源；(4) 确定对应的RA-RNTI；(5) 确定目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER。

21.5.1 选择SSB或CSI-RS

       由第21.2可得知，PRACH occasion中包含preamble index，并且preamble index的取值范围与SSB或CSI-RS索引有关联，因为SSB和CSI-RS索引与PRACH occasion有着映射关系。

       对于SSB，其既可以在基于竞争的随机接入过程中使用也可以在基于非竞争的随机接入过程中使用，在选择SSB时，UE会根据不同的事件触发场景进行选择，其如下选择：

       1) 基于非竞争：对于波束失败和其他时间触发基于非竞争随机接入过程(PRACH order触发和SI请求触发除外)，SSB的SS-RSRP会与参数rsrp-ThresholdSSB进行比较，如果某一个的SSB的SS-RSRP大于rsrp-ThreholdSSB，则选择大于rsrp-ThreholdSSB的SSB，对于PDCCH order触发，则直接选择由PDCCH order指示的SSB，对于SI请求触发，如果某一个SSB的SS-RSRP大于rsrp-ThresholdSSB，则选择大于rsrp-ThresholdSSB的SSB，否则选择任意的SSB(多个SSB的SS-RSRP大于rsrp-ThresholdSSB)。

       2) 基于竞争：如果某一个的SSB的SS-RSRP大于rsrp-ThresholdSSB，则选择大于rsrp-ThresholdSSB的SSB，否则选择任意的SSB(多个SSB的SS-RSRP大于rsrp-ThresholdSSB)。

       对于CSI-RS，其职能基于非竞争的随机接入过程中(PDCCH order触发和SI请求触发除外)，在选择CSI-RS时，CSI-RS的CSI-RSRP会与参数rsrp-ThresholdSSB进行比较，如果某一个的CSI-RS的CSI-RSRP大于rsrp-ThresholdCSI-RS，则选择大于rsrp-ThresholdCSI-RS的CSI-RS。

21.5.2选择 preamble index

       基于竟争的随机随机接入过程，其 preamble index是由UE随机择的。

       UE首先要确定择的是 group A还是 group B中的 preamble。如果存在 preamble group B，且Msg3的大小(可

用于传输的UL数据加上MAC头以及 MAC CE(知果需要)大于 messageSizeGroupA，且pathloss小于 PCMAX,C – preambleInitialReceivedTargetPower - msg3-DeltaPreamble - messagePowerOffsetGroupB，或者知果CCCH逻辑信道触发随机接入过程，并且 CCCH SDU大小加MAC子头大于 ra-Msg3SizeGroupA，别择 Group B；否则选择 Group A。

如果UE在之前发送过Mg3且接入失败，则再次尝试接入时使用的 preamble应该与第一次发送Msg3时使用的 preamble属于相同的 group。确定了 group之后，UE从所选SSB和所选 group相关联的 preamble中随机择

preamble。UE从该 group中随机择一个 preamble。

       如果SI请求触发的随机接入过程，如果 ra-AssociationPeriodIndex和si-RequestPeriod被配置，则在si-RequestPeriod(如果配置ra-ssb-OccasionMaskIndex，则属于其允许的si-RequestPeriod)中由 ra-AssociationPeriodIndex给出的关联周期中所选SSB相对应的 PRACH occasion中确定下一个可用的 PRACH occasion。

       如果MAC在选择SSB时，一个SSB被选择，则从所选SSB(如果配置或由于PDCCH指示ra-ssb-OccasionmaskIndex，则属于其允许的SSB)相对应的 PRACH occasion中确定下一个可用的 PRACH occasion(MAC要考虑测量间隔)。

       如果一个CSI-RS被选择，其有两种情况，如果没有随机接入资源与之关联，则在candidateBeamRSList中选从SSB(如果配置ra-ssb-OccasionMaskIndex，则属于其允许的SSB，并对应于与CSI-RS准共定位candidateBeamRSList中SSB)相对应的PRACH occasion中确定下一个可用的PRACH occasion(MAC要考虑测量间隔)；否则从所选CSI-RS对应的ra-OccasionList中的PRACH occasion中确定下一个可用的PRACH occasion(MAC要考虑测量间隔)。

      基于非竞争的随机接入过程，其preamble index是由gNB指示的。

      gNB分配preamble index的方式有两种：1) 通过PRACH-ConfigDedicated的ra-PreambleIndex字段配置；2) 在PDCCH order触发的随机接入中，通过DCI format 1_0的Random Access Preamble index字段进行配置。

21.5.3 选择用于发送preamble的PRACH资源

       PRACH mask index用于确定基于非竞争的随机接入过程的PRACH资源位置(频域)。

       对于基于竞争的随机接入过程，UE准备接入Msg1之后，由SSB相对应的PRACH occasion中确定下一个可用的PRACH occasion则是下一个可用的PRACH资源位置，而对于基于非竞争的随机接入过程，UE准备好Msg1之后，则下一个可用的PRACH资源位置由PRACH mask index确定，其值如表21.6所示(参考38.321表7.4.1)：

                                                     表21.6: PRACH Mask Index values(Table 7.4-1)

       PRACH mask index只在N < 1时，N个SSB映射到1/N个连续有效的PRACH occasion时，才进行使用，也就是说PRACH mask index只用于指示频域上的PRACH occasion。例如N = 1/8，则1个SSB映射到8个PRACH occasion，如果PRACH Mask index = 3，则选择PRACH occasion index 3。

       PRACH mask index可以为0，这说明gNB只为UE分配了preamble，但频域频域上的PRACH occasion还需UE自己选择。

       基于非竞争的PRACH mask index配置方式有4种：1)由消息4中参数PRACH-ConfigDedicated->ra-ssb-OccasionMaskIndex指示；2) 由消息4中参数BeamFailureRecoveryConfig->ra-ssb-OccassionMakIndex指示；3)由SIB1中SI-SchedulingInfo->SI-RequestResources->ra-ssb-OccassionMakIndex指示；4) 由PDCCH order通过DCI format 1_0中PRACH mask index指示。

21.5.4 确定对应的RA-RNTI

       PRACH资源的时域位置确定了RA-RNTI值，UE发送preamble之后，则会计算PRACH occasion相关联的RA-RNTI，以便接受对应RA-RNTI的RAR，其计算公式如下所示(除了用于波束失败恢复请求的基于非竞争的随机接入前导)：

                                  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的第一个OFDM符号的索引(0 ≤ s_id < 14)，t_id是系统帧中PRACH occasion的第一个时隙的索引(0 ≤ t_id < 80)，f_id是频域中的PRACH occasion的索引(0 ≤ f_id < 8)，ul_carrier_id是用于preamble传输的UL载波(0表示正常上行载波，1表示SUL载波)。

21.5.5 确定目标接收功率

preamble的目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER通过下面的公式计算(见38.321的5.1.3节)：

           preambleReceivedTargetPower + DELTA_PREAMBLE + (PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER – 1) ×                                                                    PREAMBLE_POWER_RAMPING_STEP

       其中，preambleReceivedTargetPower是gNB期待接收到的preamble的初始功率，DELTA_PREAMBLE与preamble format相关，其值见38.321的Table 7.3-1和Table 7.3-2；PREAMBLE_POWER_RAMPING_STEP是每次接入失败后，下次接入时提升的发射功率，PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER是提升发射功率的次数。

       而preamble的实际发射功率 的计算公式为(参考38.213的7.4节)：

                                          [dBm]

       其中，是在传输occasion i的服务小区C的载波f配置给UE的最大传输功率(UE发送最大功率为23dBm)；是服务小区C上的载波f的激活UL BWP b上的PRACH目标接收功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER；是基于服务小区C的激活DL BWP上与PRACH传输相关联的DL RS的载波f的激活UL BWP b的路损，并且等于referenceSignalPower(单位dB) - higher layer filtered RSRP(单位dBm，RRC过滤)。

       如果基于DL BWP是初始DL BWP并且对于SSB和CORESET复用模式2或3，则UE基于与PRACH传输相关联的SSB来确定。

21.6 Msg2

       UE发送了preamble之后，将在RAR时间窗(RA Response window)内监听PDCCH，以接收对应RA-RNTI的RAR(此时不考虑可能出现的测量gap)。如果在RAR时间窗内没有接收到gNB回复的RAR，则认为此次随机接入过程失败。

       RAR窗起始时刻：RAR窗起始于最早的CORESET的第一个符号，该CORESET是UE被配置用于接收Type1-PDCCH CSS集的PDCCH，而最早的CORESET与PRACH传输相对应的PRACH occasion的最后一个符号之后至少间隔一个符号，其RAR窗起始时刻示意图如图21.11所示(值得注意的是，图21.11中a描述的RO虽然与CORESET挨着，但是并没有间隔一个符号，因此RAR窗并不能在挨着的CORESET的第一个符号启动，而是其后面那个CORESET，而b描述的RO与第一个CORESET间隔两个符号，因此ROC与最早的CORESET间隔了一个符号，则RAR窗在第一个CORESET就会启动)。RAR窗的长度由ra-ResponseWindow提供，单位是slot，其长度基于Type1-PDCCH CSS集的SCS。

                          图21.11 preamble format B4的PRACH occasion不同起始符号下RAR窗的起始时刻示意图

       当UE成功地接收到一个RAR(使用前面介绍的RA-RNTI来解码)，且该RAR中的preamble index与UE发送的preamble index相同时，则认为成功接收了RAR，此时UE就可以停止监听RAR了。

21.6.1 MAC PDU(RAR)

       MAC RAR组成的MAC PDU如图21.12所示。

                                                   图21.12 MAC RAR组成的MAC PDU的示意图

       从图21.12可以看出，RAR MAC PDU由1个或多个MAC subPDU和可选的padding组成，其中MAC subPDU由如下组成：

       -   仅具有BI的MAC子头(可单独存在)；

       -   仅具有RAPID的MAC子头(即对SI请求的确认，可单独存在)；

       -   具有RAPID的MAC RAR的MAC子头。

       仅包括BI的MAC subPDU被放置在RAR MAC PDU的开头(如果包括BI)。仅具有RAPID的MAC subPDU(如SI请求的确认)和具有RAPID的MAC RAR的MAC subPDU可以被放置在BI(如果存在)和padding(如果存在)的MAC subPDU之间的任何地方。

       从RAR MAC PDU的结构可以看出，如果gNB在同一PRACH资源上检测到来自多个UE的随机接入请求(RA-RNTI一样)，则使用一个RAR MAC PDU就可以对这些接入请求进行响应，每个随机接入请求(对应一个preamble index)的响应对应一个RAR。

       如果多个UE在同一 PRACH资源(时频位相同，使用同一 RA-RNTI)发送 preamble，则对应的RAR复用在同一RAR MAC PDU中。

       RAR MAC PDU在DL-SCH上传输，并用以RA-RNTI加扰的PDCCH来指示。知果使用相同 PRACH资源发送 preamble(preamble不一定需要相同)的所有UE都监听相同的RA-RNTI加扰的PDCCH，并接收相同的 RAR MAC PDU，但不同 preamble index对应不同的 MAC RAR，即 RAR MAC PDU中的1个 MAC subPDU。

       由于 RAR MAC PDU只能使用一个RA-RNTI加扰，这也意味着使用不同 PRACH资源(时频位置不同)发送的preamble对应的RAR不能复用到同个 RAR MAC PDU中。

       值得注意的是，在NR中，随机接入过程的触发增加了几个触发事件，其中包括了其他SI请求触发景。对其他SI的请求，在随机接入过程中UE可有两种方式通知gNB，其为随机接入过程中的消息1或消息3携带请求信息，描述如下：

       1) 从38.331可知，UE与gNB了一条高层信令，即： RRCSystemInfoRequest，该信今是随接入过程中的消息3，可直接通和gNB，gNB.则通过消息4进行确认请求(如何确认或者不要确认，是LCID吗？但是没有，还是直接通过收到收到消息4竞争解决成功就可以确认gNB已经收到了UE的消息3(详情见本章疑问部分)；而消息1的话，可能会出现RAR MAC PDU并不是UE本身的，就算收到RAR也可能是其他UE的，所以要确认)；

       2) 如果请求的SI与PRACH资源的子集相关联(通过参数rach-OccasionsSI进行配置)，在这种情况下，Msg1用于指示UE需要请求的SI，并且会为SI请求划分专有的preambles，而当使用Msg1时进行SI请求时，请求的最小粒度是一个SI(即一组SIBs)，其中1个preamble或PRACH资源可用于请求多个SI消息，并且通过RAR中的子头进行SI请求的确认。

       为什么会有其他SI请求以及UE如何判断是否需要请求SI?在NR中，SI的方式除了广播(分为周期广播和按需广播)之外，还可以进行单播，其中其他SI请求的SIB包括SIB2~SIB9，不包括MIB和SIB1(MIB进行周期广播，SIB1可周期广播也可在RRC_CONNECTED进行单播)。如果对其他SI进行广播，则是在RRC_IDLE态和RRC_INACTIVE态下进行；如果对其他SI进行单播，其需要进行随机接入请求，因此是在RRC_CONNECTED态下进行。对于UE而言，如果在SIB1中SI-SchedulingInfo->si-BroadcastStatus被配置为notBroadcasting，则UE需要请求其他SI时，需要通过上述两种方式的其中一种进行请求(通过竞争或者非竞争随机接入)。

具有BI的MAC子头由五个头部字段E/T/R/R/BI组成，如图21.13所示。

                                                             图21.13 E/T/R/R/BI MAC子头示意图

       如果UE收到了一个BI子头，则会保存一个backoff值，该值等于该subheader的BI值(其为一个backoff的索引值)所对应索引所对应的值；否则UE会将backoff值设为0。

       BI(Backoff Indicator)指定了UE重发preamble前需要等待的时间范围(取值范围见38.321.的7.2节)。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，再次发起随机接入请求。等待的时间为在BI索引所对应的值乘以一个高层配置的比例因子SCALING_FACTOR_BI(该值为：0、0.25、0.5、0.75)。如果BI索引为0，查38.321的表7.2.1可得知其该索引对应的值为5，那么如果比例因子SCALING_FACTOR_BI = 0，则5 * 0 = 0，得到的等待时间为0，那么此时的BI子头虽然存在，但其实并没有作用。也就是说BI存在，并不一定会延迟发送Msg1，这取决于gNB端的实现，因为协议并没有规定只有需要UE延迟发送Msg1才在RAR中组BI。

       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一些，这由基站实现所决定。

       RAPID为Random Access Preamble Identifier的简称，为gNB在检测preamble时所得到的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。其对应的RAPID MAC子头由三个字段E/T/RAPID组成。如图21.14所示。

                                                                 图21.14 E/T/RAPID MAC子头示意图

       其中MAC子头中各域含义如表21.7所示。

                                                                表21.7 RAR MAC PDU中MAC子头各域参数

<p>0：指示当前MAC subPDU是最后一个</p>
<p>1：指示当前MAC subPDU后至少还有一个MAC subPDU</p>
</td>
</tr><tr><td>
<p>T(Type)域</p>
</td>
<td style="width:379px;">
<p>0：指示BI MAC子头</p>
<p>1：指示RAPID MAC子头</p>
</td>
</tr><tr><td>
<p>BI(Backoff Indicator)域</p>
</td>
<td style="width:379px;">
<p>指示当前小区的过载情况</p>
</td>
</tr><tr><td>
<p>RAPID域</p>
</td>
<td style="width:379px;">
<p>指示传输的睡觉接入前导</p>
</td>
</tr></tbody></table></div><h3 style="margin-left:0cm;"><a name="t20"></a><a name="t20"></a>21.6.2 RAR组成</h3>

       固定RAR如图21.15所示。

                                                                图21.15 MAC RAR的组成示意图

       RAR UL Grant调度用于UE的PUSCH传输。从MSB开始到以LSB结束的RAR UL Grant的内容在表21.8中给出。

表21.8 RAR UL Grant组成大小(38.213 Table 8.2-1)

       14比特PUSCH frequency resource allocation用于确定Msg3传输的频域资源位置，该字段解释如下：

       Msg3 PUSCH频率资源分配用于上行链路资源分配类型1。在具有跳频的Msg3 PUSCH传输的情况下，Msg3 PUSCH频率资源分配字段的钱一个或两个比特被用作跳频信息比特，且与激活的UL BWP的大小相关，如表21.9所述。

表21.9 Frequency offset for second hop of PUSCH transmission with frequency hopping scheduled by RAR UL grant(38.213 Table 8.3-1)

       UE在个RBs的激活UL BWP中处理频域资源分配如下描述：

       如果 ，则只使用该字段的最低个比特，其解析方式与正常的DCI format 0_0中的频域资源分配字段相同。

       如果，14bits会被分为2部分：个跳频bit和剩余14 –比特。如果“hopping flag”域设置为1，则 个跳频比特的定义如表21.9所示。如果“hopping flag”域设置为0，则为0，即此时不存在跳频。由于14比特并不足以表示所有的资源分配情况，因此协议中规定会在 个跳频比特后插入值为0的 特。也就是说，此时认为Msg3 PUSCH frequency resource allocation域包含  + 

 + (14 - )比特，然后扩展后的频域资源分配域的解析方式按照DCI format 0_0中的频域资源分配字段进行解析。

       4比特PUSCH time resource allocation用于确定Msg3传输的时域资源位置，如果UE在slot n收到带有RAR消息的PDSCH，则UE在slot 传输PUSCH(Msg3)，其中k2指的是时隙偏移，由PUSCH time resource allocation确定， Δ指的是第一次Msg3传输附加子载波间隔特定时隙延迟值，其值参见38.214表6.1.2.1.1-5。

       1比特Frequency hopping flag，用于判断PUSCH传输是否跳频，如果其值为0，则UE在没有跳频的情况下发送PUSCH(Msg3)；否则，UE通过跳频发送PUSCH(Msg3)。

       4比特MCS，取值0~15，说明RAR对应的PUSCH传输(Msg3)的MCS的取值范围为0~15，可参考38.214。

       3比特TPC command for PUSCH，用于设置PUSCH传输(Msg3)的功率，如何使用参考38.213的7.1.1，其定义参考38.213的表8.2-2。

       1比特CSI request，对于基于非竞争的随机接入而言，RAR中的CSI request字段用于决定在对应的PUSCH传输是否包含非周期CSI上报。而对于基于竞争的随机接入而言，RAR中的CSI request字段是预留的，即没有任何作用。

21.7 Msg3

       基于非竞争的随机接入过程，preamble是某个UE专用的，所以不存在冲突；又因为该UE已经拥有在接入小区内的唯一标识C-RNTI，所以也不需要gNB给它分配C-RNTI。因此，只有基于竞争的随机接入过程才需要步骤三和步骤四。

       之所以将3条消息称为Msg3，而不是某一条具体消息的原因，其在于根据UE状态的不同和应用场景的不同，这条消息也可能不同，因此就称为Msg3，即随机接入过程的第3条消息，其在不同场景下的Msg3如下所描述：

       -  RRC_IDLE态下初始接入，通过RRCSetupRequest；

       -  RRC_INACTIVE态下恢复接入，通过RRCResumeRequest；

       -  RRC连接重建，通过RRCReestablishmentRequest；

       -  上行失步，上行数据到达，下行数据到达(竞争)，通过CRNTI；

       -  其他SI请求，通过RRCSystemInfoRequest；

       -  切换(竞争)，通过CRNTI + RRCReconfigurationComplete；

       Msg3中需要包含一个重要信息：每个UE唯一的标识，该标识将用于步骤四的冲突解决。

       对于处于RRC_CONNECTED态的UE来说，其唯一标识是C-RNTI。

       对于处于RRC_IDLE态的UE来说，将使用一个来自核心网的唯一的UE标识：39比特的ng-5G-S-TMSI-Part1或一个39比特的随机数作为其标识。此时gNB需要先与核心网通信，才能响应Msg3。

       对于处于RRC_INACTIVE态的UE来说，将使用一个来自核心网的唯一的UE标识：24比特的resumeIdentity(ShortI-RNTI-Value)或40比特的resumeIndetity(I-RNTI-Value)作为标识，用于恢复UE上下文。

       当UE处于RRC_CONNECTED态但上行不同步时，UE有自己的C-RNTI，在随机接入过程的Msg3中，UE会通过C-RNTI MAC control element将自己的C-RNTI告诉gNB，gNB在步骤4中使用这个C-RNTI来解决冲突。

       对于Msg3而言，使用CCCH传输的Msg3时，UE还没有C-RNTI，而CCCH传输的Msg3有两种大小，从38.331查看UL-CCCH-Message得知RRC建立请求、RRC恢复请求、RRC重建请求、RRC系统信息请求使用上行CCCH逻辑信道，并且为48比特；而查看UL-CCCH1-Message得知RRC系统信息请求1使用上行CCCH逻辑信道，其大小为64比特，从上文得知，处于RRC_INACTIVE态的UE进行恢复时，其有两种大小的恢复ID，则UL-CCCH-Message中的RRC系统信息请求携带的是24bite的resumeIdentity，UL-CCCH1-Message中的RRC系统信息请求1携带的是40比特的resumeIdentity。

21.8 Msg4

       UE发送了Msg3，会启动一个mac-ContentionResolutionTimer，并在Msg3进行HARQ重传时，重启该timer。在该timer超时或停止之前，UE会一直监听PDCCH。

       如果UE监听到PDCCH，且UE在发送Msg3时携带了C-RNTI MAC control element，则在以下2种情况下，UE认为冲突解决成功(即该UE成功接入，此时UE会停止mac-ContentionResolutionTimer，并丢弃TC-RNTI。注意：这2种情况下TC-RNTI不会提升为C-RNTI)：

       -  随机接入过程由MAC子层触发，且UE在Msg4中接收到的PDCCH由Msg3携带的C-RNTI加扰，且给新传的数据分配了UL Grant；

       -  随机接入过程由PDCCH order触发，且UE在Msg4中接收到的PDCCH由Msg3携带的C-RNTI加扰。

       如果Msg3在CCCH发送，且在Msg4中接收到的PDCCH由RAR中指定的TC-RNTI加扰，则当成功解码出的MAC PDU中包含的Contention Resolution Identity MAC CE与Msg3发送的CCCH SDU匹配时，UE会认为随机接入成功并将自己的TC-RNTI设置为C-RNTI。(只有成功解码RAR MAC PDU，就停止mac-ContentionResolutionTimer，并不需要等待冲突解决成功。注意：这种情况下TC-RNTI会提升为C-RNTI)。

       值得注意的是，协议38.321规定Contention Resolution Identity MAC CE为48比特，而UL-CCCH1-Message大小为64比特，也就是说CCCH SDU为64比特，则大小不一致，那么UE MAC如何对CCCH SDU于Contention Resolution Identity MAC CE进行匹配？在UE端MAC如果收到高层CCCH SDU大于48比特，则其只会保存前48比特用于Msg4中48比特的Contention Resolution Identity MAC CE进行匹配，也就是说，在网络端MAC组成的Contention Resolution Identity MAC CE也是一个前48比特的数据，这样才会匹配一致。

        如果mac-ContentionResolutionTimer超时，UE会丢弃TC-RNTI并认为冲突解决失败。

疑问：

      1. SSB包含PSS/SSS/PBCH，它是一个下行的概念，而PRACH occasion是一个上行的概念，两者为什么能关联，又是如何关联的？

       A：在NR中的随机接入过程使用了波束，其中SSB在时域周期内有多次发送机会，并且有相应的编号，其可分别对应不同的波束，而对于UE而言，只有当SSB的波束扫描信号覆盖到UE时，UE才有机会发送preamble。而当网络端收到UE的preamble时，就知道下行最佳波束，换句话说，就是知道哪个波束指向了UE，因此SSB需要与preamble有一个关联，而preamble都是在PRACH occasion才能进行发送，则SSB与PRACH occasion进行了关联。

举例：SSB-per-rach-occation = 1/4，每个PRACH occasion对应竞争preamble = 56，msg1-FDM = 4，SSB num = 8，SCS = 15KHz，PRACH Configuration Index = 109(TDD制下FR1)。

解释：

 1) PRACH Configuration Index = 109，查38.211表6.3.3.2-3得出：

        -- 在所有的帧中都有PRACH occasion(nSFN mod 1 = 0);

        -- 无线帧下的所有子帧都有PRACH occasion；

        -- 在每个子帧下的PRACH occasion的起始位置是从第9个符号开始；

        -- 每个子帧下一个PRACH slot；

        -- 一个PRACH slot中只有一个时域PRACH occasion；

        -- 一个PRACH长度为4，则占4个符号。

     2) SSB-per-rach-occation = 1/4，表示一个SSB映射4个频域PRACH occasion；

     3) msg1-FDM = 4表示一个时域PRACH occasion有4个频域PRACH occasion；

     4) 举例得到SSB的PRACH occasion之间的映射如图21.16所示。

                                             图21.16 SSB与PRACH occasion之间的映射

       图例解释：

       因为SSB是一个下行的概念，但是SSB的编号与PRACH occasion有一一映射关系，因为SSB-per-rach-occation = 1/4，所以一个SSB就映射4个频域PRACH occasion，其中每个SSB编号与PRACH occasion都有一一映射关系，但是PRACH occasion不一定与SSB编号全部映射。同时，无线帧下的每个子帧都有时域PRACH occasion，并且时域PRACH occasion在每个子帧下起始符号是9，长度占4个符号，而每个时域PRACH occasion下都有4个频域PRACH occasion，因此图21.16中的每个子帧的第9个符号至12个符号表示时域PRACH occasion的长度，而频域是4个PRACH occasion。由于每个SSB都映射4个PRACH occasion，因此SSB0映射在另一个无线帧的无线子帧0号的4个PRACH occasion，依此类推。但是只有8个SSB，却在10个子帧下都有时域PRACH occasion，由于SSB与PRACH occasion的映射周期最小是1，因此子帧8、9号上的PRACH occasion没有SSB与其进行映射，则8、9号上的PRACH occasion被UE视为无效，UE不能在8、9号子帧的PRACH occasion发送preamble

      2. 其他SI请求的其中一种请求方式，是通过RRCSystemInfoRequest进行，也就是随机接入过程中的消息3，其相对于另外一种通过Msg1进行请求的方式而言，在Msg2中有RAPID作为SI确认，而该请求方式没有，那么其如何受到SI确认?并且UE在发起消息3时，此时还没有唯一标识，那么UE如何判断SI请求是否成功？

      A：从38.331中可得知RRCSystemInfoRequest是48比特，其在CCCH逻辑信道上传输，则此时UE并没有C-RNTI，那么对于UE MAC而言，整个RRCSystemInfoRequest就是一个CCCH SDU，则RRCSystemInfoRequest中requested-SI-List就相当于一个唯一标识，或者说整个RRCSystemInfoRequest相当于一个唯一标识，当UE收到Msg4的时候，则UE会使用保存的CCCH SDU(即RRCSystemInfoRequest)与解码得到的Contention Resolution Identity MAC CE进行匹配，如果匹配成功，并且随机接入过程是由SI请求触发，则MAC会给高层指示一个SI确认。

最后

以上就是顺利大碗为你收集整理的5G/NR 随机接入过程学习总结第21章 随机接入过程的全部内容，希望文章能够帮你解决5G/NR 随机接入过程学习总结第21章 随机接入过程所遇到的程序开发问题。

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