课程视频在5G NR系统中随机接入过程是用户设备UE与基站gNB建立初始连接的关键步骤。整个随机接入流程由四条核心消息组成通常称为四步接入法Msg1随机接入前导码、Msg2随机接入响应、Msg3调度传输和Msg4竞争解决。其中Msg2即随机接入响应Random Access Response, RAR是基站对UE发送的前导码的首次应答在整个随机接入过程中起着承上启下的关键作用。RAR不仅承担着上行同步校准的重要功能还为UE分配后续Msg3传输所需的专用上行资源是从随机竞争状态过渡到专有通信状态的关键桥梁。本节将从RAR的基本概念出发系统阐述其生成机制、信令结构、关键字段含义、接收过程以及失败场景等内容力求使读者全面深入地理解5G NR随机接入响应的技术原理与工程实现。7.3.3.2.1.1 RAR的基本概念与作用随机接入响应Random Access Response, RAR是5G NR MAC层的一种特殊控制信息由基站侧生成并通过下行共享信道PDSCH发送给UE。与常规的下行数据传输不同RAR是MAC层直接生成的信息递交到物理层进行传输不经过逻辑信道的映射过程。这种特殊的处理方式是由随机接入过程的本质决定的——在接入初始阶段UE尚未建立RRC连接也没有分配专用的身份标识因此无法通过常规的逻辑信道机制进行通信。从功能定位来看RAR或Msg2是基站对UE接入请求的首次应答其核心作用体现在以下几个方面1上行同步校准RAR中携带时间提前量Timing Advance, TA命令用于校准UE的上行发送时机使不同位置的UE发送的上行信号能够在基站侧同步到达。这是实现正交多址接入的前提条件。2上行资源分配RAR中包含上行授权UL Grant信息为UE分配发送Msg3所需的专用上行资源。在Msg3的调度PDCCH属性尚未确认的情况下RAR中的UL Grant代替了常规情况下PDCCH的调度功能。3临时身份分配RAR中携带临时小区无线网络临时标识Temporary C-RNTI, TC-RNTI作为UE在后续随机接入过程中的临时身份标识用于Msg3和Msg4的PDCCH加扰与数据加扰。4前导码确认RAR的MAC子头中包含随机接入前导码标识RAPID供UE确认基站是否正确检测到自己发送的前导码实现前导码的匹配验证。综上所述RAR是随机接入过程中至关重要的一环它不仅完成了上行同步的核心目标还为后续的信令交互奠定了资源和身份基础。没有RAR的正确接收随机接入过程将无法继续推进。7.3.3.2.1.2 Preamble检测与RAR生成RAR的生成是以基站正确检测到UE发送的前导码Preamble为前提的。在5G NR中基站接收端捕获手机发送的PRACH Preamble是一个典型的盲检测与空间多维相关匹配过程。由于手机在发起Msg1时尚未实现上行同步且基站事先不知道哪一个或哪几个手机会在当前的PRACH时机PRACH Occasion, RO上发送哪一个Preamble码因此gNB的物理层必须通过盲检测的方式来发现并识别前导码。从基站的实现架构来看以典型的O-RAN开放无线接入网架构为例整个Preamble检测过程涉及射频单元RU和分布单元DU两个主要部分通过前传接口Front Haul进行数据交互。图7.3.3.2.1-1展示了随机接入响应的整体流程架构。图7.3.3.2.1-1 随机接入响应整体流程示意图具体而言Preamble检测与RAR生成的完整流程如下1. 射频信号接收射频单元RU持续守候在基站配置的所有PRACH时频资源上接收天线端口传来的所有信号包括有效信号和噪声。RU将接收到的模拟信号转换为数字信号以IQ数据的形式输出。2. 前传数据传输RU通过前传接口Front Haul典型的如O-RAN定义的7.2x分割选项将IQ数据传输到DU中的高层物理层High PHY进行处理。3. 相关运算与峰值检测DU的高层物理层对收到的IQ数据进行相关运算。具体来说就是将接收信号与本地存储的所有可能的前导码序列不同根序列、不同循环移位进行相关计算。当相关结果出现显著峰值时表明检测到了对应的前导码。4. 参数提取一旦检测到前导码物理层会从相关运算结果中提取关键参数包括• 前导码标识RAPID确认检测到的前导码编号• 时间提前量TA根据相关峰值的位置计算信号传播时延得到TA值• 接收功率测量前导码的接收功率用于后续的功率控制。5. RAR生成与调度物理层将检测结果上报给MAC层MAC层根据检测到的前导码生成对应的RAR并调度PDSCH资源进行发送。RAR的发送需要遵循严格的时序要求必须在RAR响应窗口内完成。需要特别指出的是相关运算的结果不仅用于判断前导码是否存在还能精确比对出Preamble的RAPID属性用以跟手机之间确认Preamble是否正确解调出来。这一特性是后续UE进行RAR匹配验证的基础。7.3.3.2.1.3 RA-RNTI的计算与作用RAR由基站侧发起通过RA-RNTIRandom Access Radio Network Temporary Identifier随机接入无线网络临时标识加扰的PDCCH进行调度在PDSCH上广播发送。RA-RNTI是一种特殊的RNTI用于标识与特定PRACH时机相关的随机接入响应。RA-RNTI的设计体现了5G NR系统的巧妙之处由于UE发送前导码时使用的时频资源是确定的基站和UE可以根据相同的规则独立计算出RA-RNTI从而无需额外的信令交互就能达成共识。基站使用该RA-RNTI加扰PDCCH的CRCUE使用相同的RA-RNTI进行盲检测从而实现RAR的正确接收。RA-RNTI的计算公式如下RA-RNTI 1 s_id 14 × t_id 14 × 80 × f_id 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id式中各参数的含义如表7.3.3.2.1-1所示。参数含义取值范围s_idPRACH时机的第一个OFDM符号索引0 ≤ s_id 14t_idPRACH时机在系统帧中的第一个时隙索引0 ≤ t_id 80f_idPRACH时机的频域索引0 ≤ f_id 8ul_carrier_id上行载波标识0为正常上行载波1为补充上行载波SUL0 或 1表7.3.3.2.1-1 RA-RNTI计算参数说明从公式可以看出RA-RNTI的取值范围为1到1 13 14×79 14×80×7 14×80×8×1 65537正好对应16位RNTI的有效取值范围。每个PRACH时机对应唯一的RA-RNTI这保证了不同时频位置的前导码响应不会相互混淆。对于UE而言发送完前导码后根据自己选择的PRACH时机参数即可计算出对应的RA-RNTI然后在RAR窗口内使用该RA-RNTI对PDCCH进行盲检测。对于基站而言检测到某个PRACH时机上的前导码后也使用相同的RA-RNTI加扰RAR的调度信息。这种双向一致的计算机制是随机接入响应能够正确接收的关键保障。7.3.3.2.1.4 RAR的MAC PDU结构RAR在MAC层以特殊的MAC PDU格式进行封装。与常规的DL-SCH/UL-SCH MAC PDU不同RAR MAC PDU具有独特的结构专门设计用于承载随机接入响应信息。一个RAR MAC PDU由若干个MAC子PDUsubPDU和可能存在的填充Padding组成。图7.3.3.2.1-2展示了RAR MAC PDU的结构。图7.3.3.2.1-2 RAR MAC PDU结构示意图每个MAC子PDU由一个MAC子头MAC subheader和可选的MAC RAR载荷组成。根据子头类型的不同MAC子PDU分为以下三种类型1仅携带退避指示Backoff Indicator, BI的MAC子头这种子PDU只包含一个MAC子头用于指示小区的拥塞状态和UE重发前导码前需要等待的退避时间。BI子头通常位于整个RAR MAC PDU的最前端。2仅携带RAPID的MAC子头这种子PDU也只包含一个MAC子头主要用于系统信息请求SI request的确认场景。当UE通过随机接入请求系统信息时基站可以仅通过RAPID进行确认无需携带完整的RAR载荷。3携带RAPID和MAC RAR载荷的MAC子PDU这是最常见的子PDU类型由一个MAC子头携带RAPID和一个MAC RAR载荷组成。MAC RAR载荷中包含TA命令、UL Grant和TC-RNTI等关键字段。MAC子头的格式如表7.3.3.2.1-2所示。每个子头长度为1个字节8比特其中E位Extension bit指示是否还有后续的子头T位Type bit指示子头的类型。字段ETR/RAPID/BI长度BI子头1 bit04 bits BI 3 bits R8 bitsRAPID子头1 bit16 bits RAPID8 bits表7.3.3.2.1-2 RAR MAC子头格式表中E位Extension bit为1表示MAC PDU中还有后续的子头为0表示这是最后一个子头。T位Type bit为0表示该子头携带BI字段为1表示该子头携带RAPID字段。R为预留比特固定设置为0。RAPID字段长度为6比特可标识64个不同的前导码。BI字段长度为4比特可索引16种不同的退避时间值。7.3.3.2.1.5 RAR的关键字段详解MAC RAR载荷是RAR的核心内容长度为7个字节56比特包含三个关键字段时间提前量命令Timing Advance Command、上行授权UL Grant和临时C-RNTITemporary C-RNTI。本节将对这三个字段进行详细阐述。7.3.3.2.1.5.1 时间提前量Timing Advance, TA时间提前量是RAR中最重要的字段之一其核心目的是实现上行同步。在5G NR系统中由于不同UE与基站之间的距离不同信号传播时延也各不相同。如果所有UE都在相同时刻发送上行信号那么这些信号到达基站的时间将会参差不齐导致符号间干扰ISI和子载波间干扰ICI严重影响系统性能。时间提前量的基本思想是让距离基站较远的UE提前发送上行信号使得不同距离的UE发送的信号能够在基站侧同时到达从而实现上行同步。TA值的大小由基站根据前导码的到达时间进行计算。在RAR中Timing Advance Command字段长度为12比特取值范围为03846。这是一个绝对值表示初始的时间提前量。与之相对在后续的连接态中TA调整是通过MAC CE进行的此时Timing Advance Command字段长度为6比特表示相对调整量。TA命令值与实际时间提前量的换算关系如下N_TA TA_command × 16 × 2^(-μ)T_TA (N_TA N_TA,offset) × T_c式中• TA_commandRAR中携带的TA命令值12比特• μ子载波间隔对应的配置参数15kHz对应μ030kHz对应μ1以此类推• N_TA时间提前量的量化值单位为T_c• N_TA,offset定时提前偏移量与频段和双工模式有关• T_cNR系统的基本时间单位T_c 1 / (Δf_max × N_f) ≈ 0.509 ns其中Δf_max 480 kHzN_f 4096。以FR1频段、15kHz子载波间隔为例N_TA,offset 0FDD模式当TA_command 25时计算过程如下N_TA 25 × 16 × 2^0 400T_TA 400 × 0.509 ns ≈ 203.6 ns对应的单程距离约为d T_TA × c / 2 ≈ 203.6 ns × 3×10^8 m/s / 2 ≈ 30.5米。可见TA值与UE到基站的距离直接相关TA值越大说明UE距离基站越远。需要强调的是RAR中的TA命令是初始TA值用于随机接入阶段的首次上行同步校准。UE收到RAR后应立即应用该TA值以便在后续的Msg3传输中使用正确的发送时机。在进入连接态后基站会通过TA MAC CE持续跟踪和调整UE的时间提前量以应对UE移动导致的传播时延变化。7.3.3.2.1.5.2 上行授权UL Grant上行授权UL Grant是RAR中的另一个关键字段用于为UE分配发送Msg3所需的上行资源。在正常的上行调度中UE的PUSCH传输由PDCCH上的DCI下行控制信息进行调度。但在随机接入过程中由于UE尚未建立RRC连接也没有C-RNTI无法通过常规的PDCCH调度方式获取上行资源。因此RAR中携带的UL Grant就承担了调度Msg3的功能。RAR UL Grant字段长度为27比特其内容格式与DCI格式0_0中的UL Grant类似但进行了简化和压缩。UL Grant包含的主要信息如表7.3.3.2.1-3所示。字段比特数含义跳频标志1 bit指示Msg3是否采用跳频传输PUSCH频域资源分配—指示Msg3的频域资源位置PUSCH时域资源分配—指示Msg3的时域资源位置上行MCS—指示Msg3的调制编码方案TPC命令—Msg3的发射功率控制命令CSI请求—是否请求UE上报信道状态信息UL/SUL指示1 bit指示使用正常上行载波还是补充上行载波表7.3.3.2.1-3 RAR UL Grant主要字段UL Grant的作用可以概括为以下几个方面1资源分配明确告知UE在哪些时频资源上发送Msg3包括频域的RB位置和时域的时隙/符号位置。这保证了Msg3能够在正确的资源上传输避免与其他UE的传输发生冲突。2传输格式指示指示Msg3使用的调制编码方案MCS决定了传输速率和可靠性。基站根据前导码的接收质量和小区负载情况选择合适的MCS。3功率控制通过TPCTransmit Power Control命令调整Msg3的发射功率以保证接收质量的同时减少对其他用户的干扰。需要注意的是RAR中的UL Grant是一次性的仅用于Msg3的传输。Msg3传输完成后UE进入连接态后续的上行资源分配将通过常规的PDCCH调度进行。此外UL Grant的大小和格式由3GPP规范严格定义确保不同厂商设备的互联互通。7.3.3.2.1.5.3 临时C-RNTITemporary C-RNTI, TC-RNTI临时C-RNTITemporary C-RNTI, TC-RNTI是基站在随机接入过程中为UE分配的临时身份标识长度为16比特。在随机接入的竞争解决阶段UE尚未获得正式的C-RNTITC-RNTI就承担了临时标识的作用。TC-RNTI的主要用途包括1Msg3的PDCCH加扰如果Msg3的传输需要PDCCH进行动态调度例如重传场景则PDCCH的CRC将使用TC-RNTI进行加扰。2Msg4的PDCCH加扰与数据加扰Msg4竞争解决消息的PDCCH调度信息和PDSCH数据都将使用TC-RNTI进行加扰。UE使用TC-RNTI进行盲检测从而接收属于自己的Msg4。3竞争解决后的身份转换如果竞争解决成功且UE之前没有有效的C-RNTI则TC-RNTI将升级为正式的C-RNTIUE将在后续通信中继续使用该标识。如果UE已有C-RNTI例如切换场景则保留原有的C-RNTITC-RNTI被丢弃。TC-RNTI的分配体现了随机接入过程中先临时、后正式的渐进式身份建立机制。在竞争解决完成之前基站无法确认UE的真实身份因此只能分配一个临时标识。只有当竞争解决成功、UE的身份得到确认后这个临时标识才会被正式化。这种机制既保证了随机接入过程的正常进行又避免了资源的浪费。7.3.3.2.1.6 RAR接收窗口与检测过程UE发送完前导码后需要在特定的时间窗口内监听PDCCH以接收基站发送的RAR。这个时间窗口称为RA响应窗口RA Response Window其长度由高层参数ra-ResponseWindow配置。RA响应窗口的设计是基于以下考虑基站检测前导码、生成RAR并调度发送需要一定的处理时间同时考虑到信号传播时延UE不能在发送完前导码后立即监听而需要等待一段时间。另一方面窗口也不能太长否则会增加接入时延。因此需要合理设置窗口的起始位置和长度。RA响应窗口的主要特性如下1窗口起始位置RA响应窗口起始于PRACH时机最后一个符号之后至少一个符号的位置对应Type1-PDCCH公共搜索空间CSS集合中最早的CORESET的第一个符号。这个设计保证了基站有足够的处理时间同时也考虑了UE从发送状态切换到接收状态的时间。2窗口长度窗口长度由ra-ResponseWindow参数配置以时隙为单位。可配置的取值包括{1, 2, 4, 8, 10, 20, 40, 80}个时隙但窗口总时长不得超过10ms。窗口长度的选择需要平衡接入时延和检测可靠性窗口太短可能导致RAR还未到达就结束了窗口太长则会增加UE的功耗和接入时延。3检测过程在RA响应窗口内UE使用自己计算出的RA-RNTI对PDCCH进行盲检测搜索DCI格式1_0CRC由RA-RNTI加扰。一旦检测到对应的DCIUE就根据DCI中的资源分配信息在PDSCH上接收RAR MAC PDU。4窗口结束条件如果UE在窗口内成功接收到包含自己RAPID的RAR则可以停止监听随机接入过程进入下一步。如果窗口结束仍未收到匹配的RAR则认为此次RAR接收失败UE需要根据退避参数决定是否重发前导码。需要特别指出的是RAR的接收涉及两次盲检测第一次是PDCCH上的盲检测使用RA-RNTI搜索DCI第二次是PDSCH上的盲检测在RAR MAC PDU中搜索匹配的RAPID。只有两次检测都成功才算真正收到了属于自己的RAR。7.3.3.2.1.7 RAR接收失败的原因与场景分析在实际的5G网络中RAR接收失败是随机接入过程中最常见的问题之一。了解RAR失败的原因和场景对于网络优化和故障排查具有重要意义。图7.3.3.2.1-3展示了RAR接收失败的典型场景。图7.3.3.2.1-3 RAR接收失败场景示意图RAR接收失败主要有以下几种情况7.3.3.2.1.7.1 基站未检测到前导码这是最常见的RAR失败原因即基站完全没有检测到UE发送的前导码因此不会发送任何RAR。UE在RAR窗口内收不到任何RA-RNTI加扰的PDCCH或者收到的RAR中没有匹配的RAPID。导致这种情况的主要原因包括1前导码发射功率不足UE距离基站较远路径损耗较大而UE的开环功控估计不准确导致前导码发射功率过低基站接收信噪比不足无法检测到前导码。这种情况在小区边缘尤为常见。随着前导码重发次数增加发射功率逐步提升功率爬坡最终可能成功接入。2上行干扰严重小区上行存在较强的外部干扰或邻区干扰导致底噪抬升前导码被干扰淹没基站无法正确检测。这种情况在密集城区或存在干扰源的区域较为常见。3波束未对准在毫米波FR2场景下由于波束较窄如果UE发送前导码的波束方向与基站接收波束没有对准基站将无法接收到有效的前导码信号。这是5G NR高频段特有的问题。7.3.3.2.1.7.2 RAPID不匹配RAPID Mismatch这种情况是指基站确实检测到了前导码信号也发送了RAR但UE收到RAR后发现RAR子头中的RAPID与自己发送的前导码编号不匹配。也就是说基站检测到的是一个错误的前导码编号。RAPID不匹配的主要原因包括1突发干扰导致检测错误基站在进行相关运算时由于突发干扰的影响相关峰值出现在错误的位置导致基站错误地识别了前导码编号。这种情况通常是偶发的重发一次前导码即可解决。2基站算法问题在实验网或特定场景下如果基站的前导码检测算法存在缺陷也可能导致RAPID检测错误。但这种情况在商用网络中极为罕见因为算法经过了充分的验证和优化。当UE检测到RAPID不匹配时会丢弃该RAR并认为此次随机接入失败。随后UE会根据退避参数等待一段时间后重新发起随机接入。7.3.3.2.1.7.3 前导码冲突前导码冲突是指两个或多个UE在同一个PRACH时机上选择了相同的前导码进行发送。由于前导码相同基站无法区分是一个UE还是多个UE发送的只会生成一个RAR。所有发送该前导码的UE都会收到这个RAR并认为是对自己的响应。前导码冲突在RAR阶段并不会被发现因为所有冲突的UE都会收到相同的RAR并且都认为接入成功。冲突会在后续的Msg3和Msg4阶段暴露出来多个UE使用相同的上行资源发送Msg3导致基站无法正确解调或者基站发送的Msg4只能被一个UE正确接收其他UE会发生竞争解决失败。前导码冲突的概率与小区中同时发起随机接入的UE数量、可用前导码数量有关。正常负载下冲突概率较小但在突发接入场景如大型活动、交通枢纽冲突概率会显著增加。3GPP规范通过竞争解决机制来处理前导码冲突问题。7.3.3.2.1.7.4 下行接收失败这种情况是指基站确实发送了RAR但UE在下行方向没有正确接收到。导致下行接收失败的原因包括1下行路损过大UE处于小区边缘或深度衰落位置下行信号强度不足导致PDCCH或PDSCH解调失败。UE既无法检测到RA-RNTI加扰的PDCCH也无法正确解码PDSCH上的RAR数据。2下行干扰严重下行方向存在较强的干扰导致RAR的接收质量下降无法正确解调。3波束问题在FR2场景下如果基站发送RAR的波束与UE接收波束未对准UE将无法正确接收RAR。这与上行波束未对准的问题类似但发生在下行方向。综上所述RAR接收失败的原因是多方面的可能涉及上行、下行、干扰、算法等多个层面。在实际网络优化中需要结合信令跟踪、路测数据等多种手段才能准确定位RAR失败的根本原因。7.3.3.2.1.8 多用户复用与HARQ机制RAR的一个重要特点是支持多用户复用即一条Msg2的PDSCH可能包含多个UE的RAR也就是多个MAC CEMAC Control Element。图7.3.3.2.1-4展示了多用户RAR复用的结构。图7.3.3.2.1-4 多用户RAR复用示意图多用户复用的工作原理如下当基站在同一个PRACH时机上检测到多个不同的前导码时可以将这些前导码对应的RAR打包在同一个PDSCH传输块TB中发送。每个RAR对应一个MAC子PDU通过子头中的RAPID进行区分。UE解调PDSCH后遍历所有的MAC子头查找与自己发送的前导码相匹配的RAPID。一旦找到匹配的RAPID就解析对应的RAR载荷如果遍历完所有子头都没有找到匹配的RAPID则认为此次RAR接收失败。多用户复用机制带来了以下优势1提高资源利用率将多个RAR打包在同一个PDSCH中传输可以减少PDCCH调度开销和PDSCH的填充开销提高下行资源的利用效率。特别是在高负载场景下同时接入的UE较多复用效果更加明显。2降低信令开销多个RAR共享一个PDCCH调度信令减少了控制信道的开销。对于资源有限的小区来说这一点尤为重要。然而多用户复用也带来了一个重要的影响RAR不支持HARQ混合自动重传请求和重传。由于Msg2的PDSCH被多个用户共用每个UE的RAR只是其中的一部分无法针对单个UE进行HARQ重传。如果某个UE因为下行信道质量差而没有正确接收到RAR基站不会专门为它重传RARUE只能通过重新发送前导码来再次触发随机接入过程。这种设计是权衡的结果一方面多用户复用提高了资源效率另一方面放弃HARQ增加了RAR接收失败的概率。但考虑到RAR本身较短且采用了较为鲁棒的调制编码方式接收成功率通常较高。即使发生失败UE也可以通过前导码重传机制来恢复而前导码重传的开销相对较小。因此总体而言这种设计在效率和可靠性之间取得了合理的平衡。还需要注意的是退避指示BI也是多用户复用场景下的重要机制。当小区负载较高、拥塞较严重时基站可以在RAR MAC PDU中包含BI子头通知所有接收该RAR的UE在重发前导码前等待一段退避时间。这有助于缓解小区的接入拥塞避免大量UE同时重发导致的冲突加剧。BI字段为4比特对应16种不同的退避时间索引具体的退避时间值由规范定义。本节小结本节系统阐述了5G NR随机接入响应RAR的技术原理和工程实现。RAR作为随机接入过程中的第二条消息承担着上行同步校准、上行资源分配、临时身份分配和前导码确认等重要功能是从随机竞争到专有通信的关键桥梁。通过本节的学习读者应当掌握以下要点1RAR的基本概念和作用理解其在随机接入过程中的地位2Preamble检测的基本流程包括RU和DU的分工以及相关运算的原理3RA-RNTI的计算方法及其在RAR调度中的作用4RAR MAC PDU的结构包括三种类型的MAC子PDU和子头格式5RAR的三个关键字段TA、UL Grant和TC-RNTI的含义与作用6RAR接收窗口的概念和UE的检测过程7RAR接收失败的各种原因和场景包括基站未检测、RAPID不匹配、前导码冲突和下行失败等8多用户复用机制及其对HARQ的影响。深入理解RAR的技术原理对于掌握5G NR随机接入过程、进行网络优化和故障排查都具有重要的意义。在后续章节中我们将继续学习Msg3和Msg4的相关内容逐步完善对整个随机接入流程的认识。
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