5G NR随机接入过程

1.5G NR 随机接入过程的目的
1.获得上行同步
2.获得UL grant ，申请上行资源
2.5G NR随机接入过程的种类
与LTE一样，5G NR随机接入过程分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。
竞争的随机接入通俗来讲就是当多个UE发送前导码给基站时，由于基站分不清是那个UE发给它的。于是UE需要发送一条与自己相关的独特的消息3给基站，基站此时就能分清哪个UE发送的。
非竞争的随机接入通俗的来讲就是基站指定哪个UE给基站发送消息，基站自己分配资源给指定的UE。UE发送基站给定的前导码。
3.5G NR基于竞争的随机接入
根据TS38.321协议可知，5G NR随机接入过程主要增加了波束故障恢复过程的情况。NR基于竞争的随机接入之前要对随机接入流程进行初始化，主要是对变量的赋值，命名等等。主要有以下参数：

prach - ConfigIndex	用于传输随机接入前导码的可用 PRAC H 时机集
preambleReceivedTargetPower	初始随机接入前导功率
rsrp- ThresholdSSB	用于选择SSB和相应的随机接入前导码和/或PRACH时机的RSR P阈值
rsrp- ThresholdSSB-SUL	NUL载波和SUL载波之间选择的RSRP阈值
rsrp-ThresholdCSI-RS	用于选择CSI-RS和相应的随机接入前导码和/或PRACH时机的RSRP阈值
powerControlOf fset	当启动随机接入过程以进行波束故障恢复时，rsrp-ThresholdSSB和rsrp-ThresholdCSI-RS之间的功率偏移
powerRampingStep	功率斜坡因子
PowerRampingStepHighPriority	差分随机接入过程中的功率斜坡因子
scalingFactorBI	用于区分随机接入过程的缩放因子
ra-PreambleIndex	随机接入前导码索引
ra-ssb-OccasionMaskIndex	定义与SSB相关联的PRACH场景
ra-OccasionList	定义与CSI-RS相关联的PRACH场景，其中MAC实体可以发送随机接入前导码
preambleTransMax	随机接入前导码传输的最大数量

而NR随机接入过程与LTE相比，在以下几个方面增加了一些新的内容
1.随机接入的用途
2.随机接入前导的发送机制
3.随机接入的覆盖范围
在NR 中，随机接入除了让UE接入到某个载波上，最重要的是用于系统消息的请求和波束赋形失败后恢复的过程。首先解释下波束赋形，在LTE系统部署的过程中频点都在3.5GHZ以下，所以，频率越低，那么波长越大，故波传播的曲线远离于直线，波能量的损失就会减小。而在5G中，由于部署的频点在3.5GHZ以上，那么波长达到毫米波的级别，波长越短，波的传播曲线越趋近于一条直线。如果直接用毫米波来传播，就会产生能量损耗，为了解决这个问题，在上下行的公共信道需要采用波束赋形的方式进行发送和接收。
从MAC层的角度来说，为使用波束赋形，首先需要了解发送前导和参考信号之间的对应关系在参数配置上的体现。在NR系统中，一个随机接入信道中包含了64个随机前导码序列。这样的随机接入信道在频域上最多可同时排列8个，而且在频域上分布的连续性导致了在时域分布的复杂性。
在介绍随机接入过程之前首先介绍以下5G里面的系统消息。5G系统的系统消息分为三种：
1.MIB
2.SIB1
3.Other SI
其中，MIB是UE在做了小区搜索并完成了频率和时间同步之后，需要马上获得的系统信息。MIB通过BCH进行广播，而BCH和同步信号（PSS/SSS)组合在一起，统称SS BLOCK（SSB），也叫同步信号块，这也是NR系统中固有的信令开销。MIB是一个小区里面必须广播的系统信息，这是因为在随机接入过程中MIB中的前4个参数是必需的。在获取MIB之后，UE必须要获取下一个系统消息就是SIB1。而在MIB中的消息就没有必要存在于SIB1中，以免重复造成资源的浪费。SIB1是在PDSCH上广播的，主要广播以下几类信息：
1.小区选择参数
2.接入控制参数
3.初始接入相关的信道配置
4.系统消息请求配置
5.其他系统消息的调度信息
6.其他的一些信息，比如是否支持VOIP业务等。
其中小区选择信息顾名思义是UE判断小区的信号是否满足小区驻留条件的必要信息；接入控制信息是指UE判断某种业务是否被允许发起的必要信息；初始接入相关的信道配置信息是随机接入过程所必需的信道配置信息。这三类信息结合起来作为UE在该小区驻留并且发起初始随机接入必需的信息。其余的信息是在RRC连接状态后，由专用信道来获取。所以SIB1消息也是UE进入RRC连接状态所必需的信息。Other SI消息是除SIB1以外的消息，共有8种SIB1以外的消息:SIB2-SIB9。
系统消息的获取也是按照时间来获取的，MIB,SIB1和Other SI的获取顺序如下图：

MIB,SIB和Other SI 是按照时间顺序来获取的，如上图：MIB随着SSB一起广播，对于UE来说，通过盲检获取了SSB以后，也获取了MIB。获取SIB1的PDCCH的搜索空间。参数配置在MIB中。一旦获取了MIB后，UE就可以通过检测这个PDCCH来获取SIB1。而SIB1中包含SIBx和OtherSI的调度信息，包括SIBx到Other SI的映射关系以及Other SI的调度周期和发送窗口的大小。
随机接入的第一步就是选择发送前导的资源，包括前导本身和前导所在的PRACH机会。如果前导是由网络通过专用的RRC信令或者PDCCH Order(物理层信令)发送给UE，并且前导ID不为0，那么这种情况下触发的随机接入就是非冲突的随机接入。在LTE系统中UE还需要根据PRACH Mask Index来进一步选择RACH机会，NR系统在此基础上还要增加SSB或者CSI-RS的测量和比较的过程。需要明确的是在专用信令中，网络提供的是一组前导ID，RSS ID，其中RSS指的是SSB或者CSI-RS。资源选择的流程如下图所示：

需要指出的是按照上面的算法，符合条件的前导可能不止一个，那么如何在这些前导中间进行选择取决于UE的算法实现。
下面介绍基于竞争的随机接入前导码的选择过程：

随机接入前导码发送流程如下图：

其中设置功率的过程为：将PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER设置为preambleReceivedTargetPower+DELTA_PREAMBLE+(PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER-1)PREAMBLE_POWER_RAMPING_STEP。
RA-RNTI的计算公式如下：
RA-RNTI=1+s_id+14t_id+1480f_id+14808*ul_carrier_id
其中s_id是指定的PRACH的第一个OFDM的索引（0<=s_id<=14）；t_id为系统帧中指定的PRACH的第一个时隙的索引(0<=t_id<=80)；f_id是指定索引中的PRACH的值(0<=f_id<=80);
ul_carrier_id表示发送MSG1的上行载波类型（0表示NUL载波，1表示SUL载波）
补充一点：前导码跟LTE不同的是在一个RACH信道中多了给系统消息请求和专用的前导。

随机接入第二步是UE在发送了前导以后的第一个PDCCH机会开始监听加绕RA-RNTI的PDCCH。监听的最大的持续时间是由一个被称为“监听窗口”的参数来决定的。其中RA-RNTI的定义和LTE系统有所不同，取决于所发送的前导所在的RACH信道的时频域位置以及上行载波的序列。在NR中，MSG2至少包含了前导索引、T_C_RNTI和上行Grant。如果RA-RNTI和前导索引与UE本地的值是吻合的，UE就认为收到了自己响应的消息，否则继续监听PDCCH。如果UE在监听窗口中没有收到自己的MSG2，就会在延时一定时间后，再次从第一步开始。具体流程如下：

随机接入过程第三步是UE发送包含UE_ID的Message3,然后监听Message4的PDCCH。Message3的PDCCH加绕的是T_C_RNTI,而Message4的PDCCH加绕的可能是C-RNTI或者T_C_RNTI。如果Message3上承载的是一个CCCH消息，那么冲突的解决在于Message3和消息4的对比，如果相同说明竞争解决成功。具体的流程如下：

随机接入第四步：竞争解决成功判断，接收到消息4，主要流程如下：

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