5G NR 随机接入过程（1）

本文参考协议38300 38211 38212 38213 38321 38331
本文尽量只用协议原话，加入部分翻译以及一些自己的理解是为了让过程更加清晰明了
本文对preamble的序列生成相关内容只做简单介绍，具体可参考38211
由于篇幅限制，本文分为上下两篇，此篇是上篇

一、NR RA的触发

NR随机接入的发起者可以是下面的三种情况：
[TS 38.321] The Random Access procedure described in this subclause is initiated by a PDCCH order, by the MAC entity itself, or by RRC for the events in accordance with TS 38.300 [2].
触发原因列出如下：
与LTE相比多出了最下面的四种情况，主要是因为NR中新加入了一种状态RRC-INACTIVE态，从该状态到连接态要触发随机接入；并且NR中有波束管理，所以对于Beam failure recovery会触发随机接入；在NR中，系统消息SI可以广播也可以单播，如果UE请求其他SI，也会触发随机接入。
[TS 38.300] The random access procedure is triggered by a number of events:

• Initial access from RRC_IDLE;
• RRC Connection Re-establishment procedure;
• DL or UL data arrival during RRC_CONNECTED when UL synchronisation status is “non-synchronised”;
• UL data arrival during RRC_CONNECTED when there are no PUCCH resources for SR available;
• Request by RRC upon synchronous reconfiguration (e.g. handover);
• To establish time alignment at SCell addition;
• SR failure;
• Transition from RRC-INACTIVE;
• Request for Other SI ;
• Beam failure recovery.
  NR RA依然分为竞争随机接入CBRA和非竞争随机接入CFRA。
  
  For random access in a cell configured with SUL, the network can explicitly signal which carrier to use (UL or SUL). Otherwise, the UE selects the SUL carrier if and only if the measured quality of the DL is lower than a broadcast threshold. Once started, all uplink transmissions of the random access procedure remain on the selected carrier.
  我们知道NR中上行链路除了UL，还有补充上行链路SUL，这段话的意思就是对于配置了SUL的小区，在随机接入的过程中，高层会指示上行数据在UL还是SUL发送，如果没指示，就要默认在UL上发送，除非UL通信质量此时正好太差，低于了广播门限值，而且一旦选定了以后，在整个随机接入的过程中不再改变。

二、Preamble序列生成

Preamble序列通过下式生成

这是它的频域变换（说白了就是个傅里叶变换）

NR有长格式的preamble（序列长839位）和短格式的preamble（序列长139位）。
一个PRACH对应64个preamble，preamble按照先一个逻辑根序列的循环移位再逻辑根序列增序的顺序产生直到够64个，prach-RootSequenceIndex指示了起始逻辑根序列。逻辑根序列是循环的，与物理根序列一一对应，具体对应关系参考[TS 38211]Table 6.3.3.1-3（长格式）和Table 6.3.3.1-4（短格式）。
循环移位公式给出如下：

• 循环移位步长Ncs可参考[TS 38211] Tables 6.3.3.1-5 to 6.3.3.1-7（分别对应不同子载波间隔）；
• restrictedSetConfig 指示限制集类型(unrestricted, restricted type A, restricted type B)。
  式中du计算公式为：
  
  其中q是满足公式 (qu)mod L=1（L是序列长度）的最小非负整数。
  具体计算参考38211
  下面表格给出各种preamble format
  

三、NR RA preamble配置

对于资源配置，上面也说过触发随机接入的事件主要多了beam failure recovery和SI request，对于这两个多出来的事件，RRC会配置单独的information element，还有配置除了这两个事件的其他非竞争随机接入和竞争随机接入的information element。IE中会配置preamble和PRACH等信息，下面分不同的触发case分别给出38331中IE原文，在后续的整个随机接入过程中涉及到的信令在本部分中给出的IE中全部可以对照。这部分先只介绍preamble的配置相关的信令。
1、非竞争随机接入
（1）beam failure recovery

candidateBeamRSList：
这个参数指示了波束失败后，哪些SSB或者CSI-RS可以用于波束恢复，UE会从中选择一个参考信号测量功率RSRP 大于门限值rsrp-ThresholdSSB的SSB或CSI-RS。
ra-PreambleIndex：
如果选择了CSI-RS用于波束恢复，则该参数指示了对应于CSI-RS的preamble，如果不存在，则使用与CSI-RS准共位置的SSB对应的preamble。如果选择了SSB用于波束恢复，则该参数指示了对应于所选SSB的preamble。从上面的IE中可以看出，有两套用于波束恢复的参数：BFR-SSB-Resource和BFR-CSIRS-Resource。

（2）SI request

对于SI request，RRC不会指示要用的SSB，UE先选择RSRP大于门限值rsrp-ThresholdSSB的SSB，没有的话任选一个SSB。
ra-PreambleStartIndex：
这个参数指示了SI request情况下要用的preamble，具体的方式如下（其中N的含义会在后面介绍）：

• For N > = 1, for the i-th SSB (i=0, …, N-1)：preamble index = ra-PreambleStartIndex + i
• For N < 1, preamble index = ra-PreambleStartIndex .
  不明白的先记住，看完后面的第三部分后可以再回来看一下这个。
  （3）other events
  
  ra-PreambleIndex：
  这个参数指示了要用哪个preamble。

2、竞争随机接入

totalNumberOfRA-Preambles：
这个参数指示了用于竞争和非竞争的随机接入的preamble的总数，但是不包括用于SI request的，如果该参数不存在，则全部64个preamble都是用于竞争和非竞争随机接入的。
numberOfRA-PreamblesGroupA
这个参数指示了用于竞争随机接入的Group A中的preamble的个数。

总结一下上面的preamble选择过程：
NR RA的preamble分为用于竞争随机接入、非竞争随机接入和其他三部分，其他用于如上面说到的SI request，用于竞争随机接入的preamble又分为Group A和Group B。对于非竞争随机接入，高层参数会指示具体用哪个preamble，从而避免了不同UE选择了相同preamble进而造成干扰的情况，而竞争随机接入情况下UE就要随机选择要用的preamble了，先选group，然后在group里随机选择一个，group的选择方式如下：
如果满足下列条件，则选择group B，否则选择group A：

• 该RA过程还没有传输过Msg3；
• 高层参数配置了group B；
• Msg3的大小（加上MAC头和MAC控制单元等）大于ra-Msg3SizeGroupA
• 路损小于下式计算结果：
  PCMAX– preambleReceivedTargetPower–msg3-DeltaPreamble – messagePowerOffsetGroupB
  其中：
  PCMAX是可以配置的最大发送功率
  preambleReceivedTargetPower是基站目标接收功率
  msg3-DeltaPreamble是Msg3和preamble发送时的功率偏移
  messagePowerOffsetGroupB是选择preamble的功率门限
  如果已传输过Msg3，则选择第一次传输Msg3相同的group。

四、NR RA PRACH配置

1、PRACH时频域配置
（1）基本配置

prach-ConfigurationIndex：
这个参数会指示一个默认配置表格中的index，这个表格给出了PRACH occasion所在的系统帧号、子帧、时隙、起始符号、个数等信息，每一个index对应一种不同的情况。
msg1-FrequencyStart：
这个参数指示了PRACH所在频域位置
msg1-FDM：
这个参数指示了每个PRACH在频域上的复用个数
上面所说的基本配置是不管什么原因触发的随机接入也不管是竞争还是非竞争随机接入，都要遵循的配置，在基本配置的基础上，非竞争随机接入会进行进一步的配置，对于不同的触发情况，RRC中会有相应的参数指示PRACH Mask Index：
（1）beam failure recovery
ra-ssb-OccasionMaskIndex (in BeamFailureRecoveryConfig)
（3）SI request
ra-ssb-OccasionMaskIndex (in SI-SchedulingInfo)
（4）其他非竞争随机接入
ra-ssb-OccasionMaskIndex (in RACH-ConfigDedicated)
PRACH Mask Index会根据下表来具体指示用哪个PRACH occasion，要注意只有非竞争随机接入才会配置PRACH Mask Index，指定了UE用哪个PRACH，避免了不同UE之间的干扰。

2、参数N和R的指示
（1）beam failure recovery
ssb-perRACH-Occasion（for CF-BFR in BeamFailureRecoveryConfig）
指示参数N的取值，N={1/8 1/4 1/2 1 2 4 8 16}
（1）SI request
ssb-perRACH-Occasion （for SI request in SI-SchedulingInfo）
指示参数N的取值，N={1/8 1/4 1/2 1 2 4 8 16}
（2）Other CFRA
ssb-perRACH-Occasion （for CFRA in RACH-ConfigDedicated）
指示参数N的取值，N={1/8 1/4 1/2 1 2 4 8 16}
（3）CBRA
ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB（in RACH-ConfigCommon）
指示参数N和R的取值，N={1/8 1/4 1/2 1 2 4 8 16}

• N代表N个SSB与一个PRACH occasion相关联
• R代表R个连续索引的CB preamble对应每个SSB
  因为NR中存在波束指向，不同的SSB对应不同的波束，所以要将SSB与PRACH和preamble对应起来，这样基站可以根据收到的preamble和所用的PRACH的不同得知UE的位置信息，后续基站可以按照该UE所在的波束方向进行定向的下行发送。如下图给出N=2，R=24的例子，N=2代表一个PRACH对应2个SSB，R=24代表每个SSB对应24个竞争preamble，每个PRACH始终对应全部64个preamble，这样的话每个SSB对应的preamble就按照下图的方式对应。
  
  3、SSB与PRACH occasion、preamble的映射
  下面给出几种具体的映射例子，就以第一行为例，加入每个SSB周期中有8个SSB，基本配置中频域复用个数是4，N=1/4，就是一个SSB对应4个PRACH，是可以一对多也可以多对一，然后按照先频域后时域的顺序进行映射。
  
  4、PO选择的其他限制
  PRACH occasion在选择的时候还会有一些其他的限制如下：
  （1）For unpaired spectrum
• 如果未配置TDD-UL-DL-ConfigurationCommon，最后一个SSB接收后至少Ngap个符号后的PO才有效。
  • 如果配置了TDD-UL-DL-ConfigurationCommon, 则上行符号内的PO有效，最后一个下行符号后至少 Ngap个符号且最后一个SSB后至少Ngap个符号后的PO有效，1.25kHz和5kHz时Ngap=0，其余子载波间隔时Ngap=2，
    （2）对于PDCCH order触发的RA
    接收PDCCH order的最后一个符号和传输PO的第一个符号之间的时间要大于等于Nt2+△bwpswtich+△delay毫秒，其中Nt2是用于PUSCH准备的时间，△bwpswtich 是上行BWP激活所需时间，如果激活上行BWP没有变则为0，FR1时△delay=0.5，FR2时△delay=0.25毫秒。
    （3）UE不在同一时隙内传输PRACH 和PUSCH/PUCCH/SRS
    （4）如果前一个时隙内PRACH的最后一个符号和下一个时隙内PUSCH/PUCCH/SRS的第一个符号之间的间隔满足：子载波间隔为15和30kHz是N=2或者子载波间隔为60和120kHz时N=4，则不传输PRACH。

其余内容见下一篇https://blog.csdn.net/m0_45416816/article/details/99690204