5G/NR 学习笔记: RAR随机接入过程

*本文如果没有特别说明，指的都是36；如果是38，则会明确指出。

随机接入的目的

在小区搜索过程之后，UE已经与小区取得了下行同步，因此UE能够接收下行数据。但UE只有与小区取得上行同步，才能进行上行传输。UE通过随机接入过程（Random Access Procedure）与小区建立连接并取得上行同步。

随机接入的主要目的：（1）获得上行同步；（2）为UE分配一个唯一的标识C-RNTI。

随机接入的原因（触发条件）

随机接入过程通常由以下6类事件之一触发：(见36.300的10.1.5节)

初始接入时建立无线连接：UE会从RRC_IDLE态到RRC_CONNECTED态；
RRC连接重建过程（RRC Connection Re-establishment procedure）：以便UE在无线链路失败（Radio Link Failure）后重建无线连接。
切换（handover）：此时UE需要与新的小区建立上行同步。
RRC_CONNECTED态下，下行数据到达（此时需要回复ACK/NACK）时，上行处于“不同步”状态；
RRC_CONNECTED态下，上行数据到达（例：需要上报测量报告或发送用户数据）时，上行处于“不同步”状态或没有可用的PUCCH资源用于SR传输（此时允许已经处于上行同步状态的UE使用RACH来替代SR的作用）；
RRC_CONNECTED态下，为了定位UE，需要timing advance。

但是38.300另外添加了三件事情：

从RRC_INACTIVE状态的变化
需要其他心痛信息SI
beam失败恢复

随机接入的方式

随机接入过程有2种不同的方式：

基于竞争（Contention based）：应用于之前介绍的前5种事件；
基于非竞争（Non-Contention based或Contention-Free based）：只应用于之前介绍的36系列的 (3)、(4) 、(6)三种事件。

随机接入的步骤

步骤一 UE发送preamble

随机接入过程的步骤一就是UE发送random access preamble。Preamble的主要作用是告诉eNodeB有一个随机接入请求，并使得eNodeB能估计其与UE之间的传输时延，以便eNodeB校准uplink timing并将校准信息通过timing advance command告知UE。

（Preamable 是个复杂的过程，以后有机会再整理）一些重要性结论如下：

preamble由2部分组成：循环前缀（CP）和preamble序列（如36.211的Figure 5.7.1-1所示）。
Preamble在PRACH上传输。eNodeB会通过广播系统信息SIB2来通知所有的UE，允许在哪些时频资源上传输preamble。（由prach-ConfigIndex和prach-FreqOffset字段决定，详见36.211的5.7节）
每个小区有64个可用的preamble序列，UE会选择其中一个（或由eNodeB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可能不存在）
（关于preamble的选择：详见36.321的5.1.2节）Group A/B中的preamble序列本身并没有太大区别，只有它们的划分才是有意义的，用于告诉eNodeB后续的资源需求。
如果UE进行的是基于非竞争的随机接入，例如handover，使用的preamble是由eNodeB直接指定的（见36.331的RACH-ConfigDedicated，以及36.212的5.3.3.1.3节中关于PDCCH order的介绍）。为了避免冲突，此时使用的preamble是除group A和group B外的预留preamble。
PRACH用于传输random access preamble。
PRACH在频域上占6个连续的RB。
简单地说：eNodeB通过广播SIB2发送RACH-ConfigCommon，告诉UE preamble的分组、Msg3大小的阈值、功率配置等信息。UE发起随机接入时，根据可能的Msg3大小以及pathloss等，选择合适的preamble。

步骤二 eNodeB发送Random Access Response

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measurement gap）。如果在此RAR时间窗内没有接收到eNodeB回复的RAR，则认为此次随机接入过程失败。

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

步骤三 UE发送Msg3

基于非竞争的随机接入， 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志C-RNTI，所以也不需要eNodeB给它分配C-RNTI。因此，只有基于竞争的随机接入才需要步骤三和步骤四。

注：（1）使用基于非竞争的随机接入的UE必定原本处于RRC_CONNECTED态；（2）handover时，UE在目标小区使用的C-RNTI是通过RRCConnectionReconfiguration中的MobilityControlInfo的newUE-Identity来配置的。

之所以将第3条消息称为Msg3而不是某一条具体消息的原因在于，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，因此统称为Msg3，即第3条消息。

RAR与对应的Msg3之间的timing关系可参见12.2.4.4节的介绍。

Msg3在UL-SCH上传输，使用HARQ，且RAR中带的UL grant指定的用于Msg3的TB大小至少为80比特。（见36.300的10.1.5.1节）

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

步骤四：eNodeB发送contention resolution

在步骤三中已经介绍过，UE会在Msg3有携带自己唯一的标志： C-RNTI或来自核心网的UE标志（S-TMSI或一个随机数）。eNodeB在冲突解决机制中，会在Msg4（我们把步骤四的消息称为Msg4）中携带该唯一的标志以指定胜出的UE。而其它没有在冲突解决中胜出的UE将重新发起随机接入。