5G物理层5G 随机接入流程概述

Posted 2022-11-22 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


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5G 随机接入流程概述

当我们想让UE接入5G网络时，它需要在上行和下行同步。在SSB解码成功后获得下行同步，为了建立上行同步和RRC连接，UE需要执行RACH随机接入过程。

RACH流程分类

RACH分为CBRA（Contention Based Random Access）也就是基于竞争的随机接入方式，和CFRA（Non Contention or Contention Free Random Access）非竞争随机接入方式。下面详细介绍这两个流程。

CBRA

在基于竞争的随机接入中，UE从一个共享的前导码池中随机选择一个Preamble。这意味着UE选择的Preamble有可能与其它UE选择的Preamble相同，这种情况下之后的随机接入可能会发生冲突或竞争。gNodeB使用竞争解决机制来处理这种类型的接入请求。在这个过程中，结果是随机的，并不是所有的随机接入都成功。CBRA也被称为四步RACH程序。

• Step1：Random Access Preamble Transmission（Msg1）
  • UE将Preamble发送到相应的gNB波束中；
• Step2：Random Access Response（Msg2）
  • 当收到Preamble，gNodeB会申请一个TC-RNTI和上下行调度资源。然后，gNodeB通过PDSCH发送RA Response。Response会包含RA-preamble identifier、timing alignment信息、初始上行链路授权（initial uplink grant）和临时C-RNTI。一个PDSCH可以携带对多个终端的RA Response。终端发送Preamble后，监控PDCCH，并在RA Response窗口内等待RA Response消息：
    • 当终端收到的响应报文中包含的RA-preamble identifier与发送的RA-preamble identifier相同时，表示响应成功。此时终端发送上行调度信息；
    • 如果终端在RA响应窗口内没有收到响应或收到的RA-preamble identifier与发送的不一样，则响应失败。在这种情况下，如果RA尝试次数小于上限（10次），则终端会重新发起RA。否则，RA失败。
• Step3：Scheduled UL Transmission (Msg3)
  • 终端通过PUSCH发送上行调度信息。在不同的RA场景中，终端发送的信令消息和信息是不同的，这里列出了一些示例：
    • Initial RRC connection setup：RRCSetupRequest 消息（携带NAS UE_ID）在RLC层通过TM的CCCH（common control channel）传输。消息不分段。
    • RRC connection reestablishment：RRC Reestablishment Request 消息（不携带NSA消息）在RLC层通过TM的CCCH传输。消息不分段。
    • Handover：如果终端接入目标小区，并且在切换期间没有专用的preamble可用，则会触发竞争RA。RRC Handover Confirm 消息和C-RNTI通过DCCH（dedicated control channel）传输。如果需要，还会携带缓冲区状态报告（BSR）。
    • Other scenarios：至少传输终端的C-RNTI。
• Step4：Contention Resolution (Msg4)
  • 终端发送Msg3后，会启动一个4ms的竞争解决定时器。通过在PDCCH上使用C-RNTI或在PDSCH上使用终端竞争解决标识IE, gNodeB协助终端进行竞争解决。
    • 在定时器超时之前，终端将一直监控PDCCH，如果满足以下任一条件，终端认为竞争解决成功，并停止定时器：
      • 终端在PDCCH获取到C-RNTI；
      • 终端在PDCCH上获取 temporary C-RNTI，并成功解码 MAC PDU。通过PDSCH接收到的终端竞争解决标识IE与终端在Msg3中发送的一致。
    • 如果竞争解决定时器超时，终端认为竞争解决失败。如果重试次数未达到上限（10次），则重新进行RA操作。如果RA尝试次数达到上限，则RA流程失败。

CFRA

在非竞争随机接入中，preamble 由gNodeB分配，这样的preamble被称为dedicated random access preamble。专用preamble通过RRC信令（分配preamble可以在RRC消息中指定）或PHY层信令（PDCCH上的DCI）提供给UE。所以这里没有preamble竞争。当dedicated random access preamble资源不足时，gNodeB通知终端发起基于竞争的RA。CFRA也被称为三步RACH程序。

• Step1：Random Access Preamble Assignment
  • gNodeB使用RRC Msg或DCI，给UE分配RA Preamble。这里列出了一些场景：
    • Handover：由源gNodeB发送的 MobilityControlInfo IE中携带分配的preamble;
    • DL Data Arrival：当下行数据到达gNodeB时，gNodeB指示UE通过PDCCH上的携带了分配的preamble的DCI发起RA；
    • NSA networking：当NR cell添加到NSA中时，gNodeB通知终端在携带了分配的preamble的PDCCH上发起RA。
• Step2：Random Access Preamble Transmission (Msg1)
• Step3：Random Access Response (Msg2)
  • 此时，gNodeB发送RA响应：
    • Handover：RA响应必须包含timing alignment信息和initial uplink grant；
    • DL Data Arrival：当下行数据到达gNodeB时，RA响应必须包含timing alignment信息和RA preamble identifier (RAPID)；
    • NSA networking：当NR cell添加到NSA中时，RA响应必须包含timing alignment信息和RA preamble identifier (RAPID)。

RACH场景和RACH类型整理

• Case1：初始RRC connection setup
  • 使用CBRA
• Case2：RRC connection re-establishment
  • 使用CBRA
• Case3：Handover
  • 首选CFRA；
  • 如果所有的dedicated preamble都使用完了，则使用CBRA。
• Case4：Downlink data arrival (PDCCH Order)
  • 首选CFRA；
  • 如果所有的dedicated preamble都使用完了，则使用CBRA。
• Case5：Uplink data arrival
  • 使用CBRA
• Case6：当没有可用的PUCCH资源发送SR时，上行链路数据在RRC_CONNECTED期间到达
  • 使用CBRA
• Case7：Scheduling Request Failure
  • 使用CBRA
• Case8：从RRC_INACTIVE转换到RRC_CONNECTED
  • 首选CFRA；
  • 如果所有的dedicated preamble都使用完了，则使用CBRA。
• Case9：请求特定的System Information (On Demand SI)
  • CFRA；
• Case10：NR cell加入到NSA中
  • CFRA；
• Case11：Beam Recovery
  • 首选CFRA；
  • 如果所有的dedicated preamble都使用完了，则使用CBRA。

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