5G NR初始接入流程详解：从同步信号到随机接入
5G NR初始接入流程详解：从同步信号到随机接入
5G NR（New Radio）的初始接入流程是5G通信系统中的关键技术环节，涉及同步信号检测、系统消息获取、随机接入等多个步骤。本文将详细介绍这一复杂过程中的关键技术和实现细节。
NR UE（User Equipment）在开机或解除飞行模式后，首先对gNB（5G基站）广播的同步信号和PBCH 块（Synchronization Signal and PBCH Block, SSB）进行检测，以获取下行同步信息、物理层小区标识符（Physical-layer Cell Identity, PCI）及SSB序号（该序号用于波束配对）。SSB由频域上连续的240个子载波、时域上连续的4 个OFDM符号构成，携带有主同步信号（Primary Synchronization Signal, PSS）、辅同步信号（Secondary Synchronization Signal, SSS）、物理广播信道（Physical Broadcast Channel, PBCH）及其解调参考信号（Demodulation Reference Signal, DMRS）。通过盲检PSS即可获取初步的频率同步和OFDM符号边界同步。
SSB时频域资源示意图
系统消息又可分为主系统信息块（Master Information Block, MIB）和系统信息块（System Information Block, SIB），其中MIB由PBCH的数据部分携带，而SIB又可分为SIB1和其它SIB（统称为系统消息SI），由物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel, PDSCH）承载 。 MIB实则为RRC层的概念，长度为23比特，但由于RRC层的抽象语法标记1（Abstract Syntax Notation One, ASN. 1）编码要求字节对齐，因此MIB实际占据了24比特空间，多余的1比特为扩展位。通过获取 MIB中包含的初始接入子载波间隔和SIB1调度信息，可以进一步 接收SIB1并获取其中对其他SIB的调度信息（SIB(x)中包含SIB(x+1)的调度信息）。此外，PBCH还提供了系统帧号（System Frame Number, SFN）和半帧标识等信息，借助这些信息，才能实现完整的下行时频同步。
随机接入是NR UE请求接入小区的过程，其主要目的是实现上行同步，只有完成上行同步后NR UE才能发送上行数据。在发起随机接入过程前，NR UE需要从系统消息（根据ShareTechnote，此处的“系统消息”应为SIB1）中获取RRC层参数物理随机接入信道（Physical Random Access Channel, PRACH）配置序号，根据该配置序号可获知随机接入前导的长度和发送的时域资源（可发送的帧号、时隙号，以及PRACH的起始OFDM符号等），并根据其他若干RRC层参数（msg1-FDM以及msg1-FrequencyStart）结合下行同步中获得的SSB序号获知频域上的随机接入信道时机（RACH Occasion, RO），后续将利用这些信息在特定的时频资源上发送preamble。基站通过检测preamble获知不同NR UE到基站间的传输时延，并根据其数值计算得到相关参数，回送给NR UE使其将发送上行数据的定时提前，以此使得小区内所有NR UE发送的上行数据都能在同一时刻到达基站（即与基站的时钟边界对齐），实现上行同步。
5G NR中的随机接入可细分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。
基于竞争的随机接入
基于竞争的随机接入流程示意图
第一步，NR UE发送随机接入前导（Msg1）。系统消息中包含与发起随机接入相关的参数配置，NR UE根据这些信息从由一ZC根序列通过循环移位生成的64个前导序列中选择一个序列，在由参数确定的时频域资源通过PRACH信道发送随机接入前导，之后NR UE就开始监听物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel, PDCCH）。此外，NR UE还将根据发送Msg1时的时频资源计算随机接入无线网络临时标识（Random Access - Radio Network Temporary Identity, RA-RNTI）。
第二步，基站发送随机接入响应（Msg2）。基站根据所收到Msg1的时频资源同样会计算RA-RNTI，并使用其加扰PDCCH，NR UE则利用本地的RA-RNTI盲检PDCCH以获取基站发送给自己的PDSCH调度信息，并在对应PDSCH资源上接收随机接入响应（Random Access Response, RAR）。RAR中包含了用于上行同步的定时提前指令、功率控制指令、为Msg3分配时频资源及调制与编码策略（Modulation and Coding Scheme, MCS）的上行授权（UL grant）、以及临时小区无线网络临时标识（Temporary Cell - Radio Network Temporary Identity, TC-RNTI）。此外，在含有RAR的MAC层协议数据单元（Protocol Data Unit, PDU）子头（Subheader）中还提供了指示NR UE重新发送前导所需等待时间的退避索引（Backoff Indicator, BI）和基站检测前导获得的随机接入前导标识（Random Access Preamble Identifier, RAPID）。
第三步，NR UE发送连接请求（Msg3）。NR UE根据Msg2中UL grant指示的资源信息在物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel, PUSCH）上发送经TC-RNTI加扰的Msg3，其中包含长度为48比特的竞争解决标识，每个NR UE唯一的标识也包含在该48比特之内。对小区用户初始接入过程中的随机接入来说，这里的Msg3即RRC层的RRCSetupRequest消息。发送Msg3后，NR UE即使用TC-RNTI检测PDCCH，以获取Msg4所在的PDSCH资源。
最后，基站发送竞争解决消息（Msg4）。如果多个终端在同一随机接入时机，使用相同的前导和时频资源发起随机接入，则会产生竞争，Msg4就是为了解决这一问题。基站利用TC-RNTI解扰Msg3后，在TC-RNTI加扰的PDCCH上指示Msg4的调度信息，并通过PDSCH发送同样携带了竞争解决标识的Msg4（携带RRC层的RRCSetup消息）。NR UE在收到Msg4后将比较其中的竞争解决标识是否与Msg3中的相同，若相同则表明竞争解决完成，随机接入成功，并将TC-RNTI升级为C-RNTI；否则说明存在竞争且NR UE竞争失败，需要重新发起随机接入。
还应指出的是，Msg3和Msg4的发送均使用了混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ），即发送端需要从接收端获取额外的确认（Acknowledgement, ACK）或否定确认（Negative Acknowledgement, NACK）反馈来获知发送的信息是否被正确接收，如果收到NACK或超时未收到反馈，则将再次发送该信息，因此NR UE在成功接收Msg4后还应通过PUSCH向基站发送ACK（即有些文献中所称的Msg5，携带有RRC层的RRCSetupComplete消息）。
此外，随机接入过程中还有两个重要的定时器。Msg1发送后，NR UE将在预设的随机接入响应窗口（RAR窗口）内等待接收Msg2，如果在此时间窗范围内收到了Msg2，则表明基站为NR UE分配了发送Msg3的资源，否则随机接入将失败。类似地，NR UE在发送Msg3后也会启动一个定时器，称为竞争解决定时器，如果在定时器超时前未收到Msg4，则本次随机接入也将失败，NR UE将重新发起随机接入。如果Msg3发生重传，则竞争解决定时器也将相应地重新计时。
至此，基于竞争的随机接入过程全部完成，NR UE的RRC状态已从空闲（IDLE）态转为连接（CONNECTED）态，可与网络实时通信。
NR UE侧随机接入过程状态转移图
gNB侧随机接入过程状态转移图
基于非竞争的随机接入
基于非竞争的随机接入流程示意图
基于非竞争的随机接入过程则相对较为简单，仅需两步即可完成接入。由于NR UE发送前导的序列和资源都由基站所指定，且此情况下NR UE已拥有小区内唯一标识C-RNTI，因此不会存在竞争，也就不需要借助Msg3和Msg4来完成竞争解决。
NR UE在发起随机接入前，先从PDSCH获取基站为其指定的随机接入前导和PRACH时频资源。
第一步，NR UE根据基站指示，在PRACH指定的时频资源上发送指定的随机接入前导（Msg1），其中包含自己的C-RNTI，之后开始监听PDCCH。
第二步，基站收到Msg1后使用C-RNTI加扰PDCCH，其中包含基站将发送的RAR所使用的PDSCH资源，之后在该PDSCH资源上发送RAR。NR UE则相应地使用自己的C-RNTI对PDCCH进行解扰，解扰成功后获得基站发送的RAR在PDSCH的调度信息，从而在相应资源上接收RAR。
至此，基于非竞争的随机接入过程全部完成。