5G Preamble 格式

Preamble 格式由 2 部分组成：循环前缀（CP）和 preamble 序列。其中，序列可以由多个或重复的 Sequence 组成。5G 使用的 Preamle 格式如下图所示。

通过设置不同长度的 CP、Sequence长度及重复次数，5G 支持两类 preamble 序列。

长序列 Preamble 格式

5G 长序列长度为 839，格式 0、1 与 LTE 格式 0、3 一致，格式 2、3 是 5G 新引入的。其中，格式 2 的序列重复了 4 次用于覆盖增强。格式 3 的序列重复了 4 次，并且使用 5kHz 的 SCS，用于高速场景。具体如下表格所示，其中 Ts=1/15000*2048s。

长序列 preamble 所占时域的连续时间示意图如图所示：

短序列

5G 短序列长度为 139、571 或 1151，可以用于 FR1 与 FR2，在 FR1 支持 15kHz 和 30 kHz SCS，在 FR2 支持 60kHz 和 120kHz SCS。具体如下图所示。其中，k 与上表 Ts 一致。

A 系列格式与 B 序列的差别是 A 系列格式不带自己的保护间隔 GP，而 B 系列格式有自己的保护间隔 GP。每种格式在时隙中占用的 OFDM 符号数就是图中 Nu 列前的整数值。

短序列 preamble 所占时域的连续时间示意图如图所示：

除以上格式外，5G 还支持 A1+B1，A2+B2，A3+B3 混合 preamble 格式。RACH 时隙格式如下图¹所示：

PRACH时频资源位置的确定

时域资源配置

RO 时域位置由高层参数 RACH-ConfigGeneric->prach-ConfigurationIndex 指示，根据小区不同的频域和模式，38.211 的第 6.3.3节中给出了 prach-ConfigurationIndex 所对应的表格。

• 小区频段为 FR1，FDD 模式(paired 频谱)/SUL，查表 38.211 6.3.3.2-2；

• 小区频段为 FR1，TDD 模式(unpaired 频谱)，查表 38.211 6.3.3.2-3；

• 小区频段为 FR2，TDD 模式(unpaired 频谱)，查表 38.211 6.3.3.2-4；

值得说明的是，PRACH 时隙是指包含 RO 的时隙，RO 指的是承载 preamble 传输的时频资源。表中特别参数说明如下：

1. nSFN mod x = y，x 为 PRACH 周期，y 用来确定 PRACH 资源所在无线帧在 PRACH 周期内的位置。即在满足上式的帧中配置 RACH 资源。

2. $N_{dur}^{RA}$，一个频域 RO 在时域上占据的 OFDM 符号长度。

FR1 下 PRACH SCS 只支持 15kHz 或 30kHz：

• 当 SCS = 15kHz 时，在 1 个子帧中只有 1 个 RACH slot；

• 当 SCS = 30kHz 时，在 1 个子帧中可以有 1 个或 2 个 RACH slot，如果值为 1，则子帧的第 2 个 slot 为 RACH slot。

PRACH-ConfigurationIndex 配置与实际的帧结构无关，配置的时域 RO 是否有效需要基于帧结构进行判断：

• 对于 FDD，所有 PRACH occasion都是有效的；

• 对于 TDD，需要判断；

频域资源的确定

PRACH 在频域位置由 IE RACH-ConfigGeneric 中参数 msg1-FrequencyStart 和 msg1-FDM 所指示，其中 msg1-FrequencyStart 确定 RO0 的 RB 起始位置相对于上行公共 BWP 的频域起始位置(即 BWP 0)的偏移，即确定 PRACH 的频域起始位置，msg1-FDM 的取值为{1, 2, 4, 8}，它确定频域 RO 的个数，而 PRACH 在业务信道上占用的 RB 数由 prach-RootSequenceIndex 指示 preamble序列，然后根据 Δf_{RA} 共同确定 PUSCH 所占用的 RB 数(参见 38.211 表6.3.3.2-1)，PRACH 频域位置如图²所示。

SSB 与 PRACH Occasion 映射

SSB 是以多波束扫描的方式覆盖小区， 是网络发送给终端的第一条信息。而 PRACH 是终端发送给网络的第一条信息。终端需要向网络上报波束信息。显然 preamble 并不能直接指示波束信息，而是通过 SSB 与 RO 之间的映射关系间接的指示终端波束信息。网络知道了终端的波束信息，才能正确发送 Msg2 与 Msg4 给终端。

SSB 与 RO 存在以下 3 种映射关系：

• 一对一映射：
• 多对一映射： 多个 SSB 对应同一个 RO，可以减少资源开销，主要用在用户较少的场景。
• 一对多映射：一个 SSB 对应多个 RO，可以在用户密集的情况下提供足够的 RO;

5G 采用了频域优先的映射方案，具体映射规则是：

1. 在 SSB 映射到 RO 内 preamble 时，依据 preamble 索引递增的顺序进行映射；
2. 在 SSB 映射到不同 RO 时，依据 FDM 的 RO 编号进行映射，即频域优先；
3. 最后，不同 RO 先频域后时域的方式进行索引。

具体而言，高层通过参数 ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB 配置 N（L1 参数：SSB-per-rach-occasion ）个 SSB 关联一个 RO (频域)，和每个 SSB 在每个有效 RO 上关联的基于竞争的 preamble 数 R（L1参数：CB-preambles-per-SSB）。每个 RO 中的 preamble 个数由下式决定：

CB-PreamblePerRachOccasion = CB-PreamblesPerSSB* max(1, N)

其中对于 N 的配置有如下两种：

• Case 1： N<1，表示 1 个 SSB 映射到 1/N 个不同的 RO， 每个 RO 中可以配置 R 个 preambles，R 最大为 64。 一个 RO 中的全部 R 个连续的 preamble 均关联同一个 SSB。若 N=1/2，表示 1 个 SSB 对应 2 个 RO,msg1-FDM=4，表示 RO 在频域上的复用度为 4。此时 SSB 与 RO 的关联如下图所示。

• Case 2： N>=1，表示 N 个 SSB 映射到 1 个 RO，每个 SSB 关联一个 RO 中配置 R 个连续的 preamble。若 N=2，msg1-FDM=4，SSB 的数目为 8。每个 RO 关联两个 SSB，SSB_i 对应 RO 中索引为 0~R-1 的连续 preamble，SSB_i+1 对应 RO 中剩余 R 个连续的 preamble。此时 SSB 与 RO 的关联如下图所示。

Type 1（4-step）接入流程

Type 1 随机接入流程可以参考这里和这里

Type 2（2-step）接入流程

虽然上述 4 步随机接入能够很好的保证接入可靠性，但是在某些场景中，特别是 URLLC 等一些对延迟敏感的场景中，4 步接入方式显得有些不够高效。因此，5G R16 版本对此做出了增强，提出了 2 步随机接入，标准中亦称 Type 2 随机接入方式。基本操作是将终端与网络的消息分别合并发送，即将 Msg1 与 Msg3 合并发送称为 MsgA，将 Msg2 和 Msg4 和并发送称为 MsgB。基本流程如下图所示：

两种接入方式操作流程

一般而言，小区会同时允许两种接入方式。因此，CB-RACH 流程如下图所示： MsgA 的重传涉及到两种情形，一是 preamble 没有成功被接收，二是竞争失败。只有当重传次数达到预设的阈值，终端才会从 Type2 方式切换到 Type1。此外，即使 preamle 能够成功解码，但是若 MsgA 对应的 PUSCH，即 Msg3消息若解调失败，也会触发 Type2 到 Type1 的回退机制。

MsgA PRACH 资源配置

Type1 与 Type2 的 PRACH 资源可以独立配置也可以共享配置。独立配置时，Type1 与 Type2 配置方式一致。共享资源时，Type1 与 Type2 共享 PRACH 资源，但是通过不同的 preamble 进行区分。不同 preamble 按照索引递增的顺序依次对 Type1 与 Type2 进行映射。此外，共享方式可以以 RO 为粒度，当 1 个 SSB 对应多个 RO 时，可以配置一部分 RO 子集作为共享子集。

MsgA PUSCH 资源配置

所谓 MsgA PUSCH 资源配置，指的是为 MsgA 中对应 Type1 中的 Msg3 消息的发送配置资源。Type1 中 Msg3 的发送使用的资源是 Msg2 通过 UL Grant 下发给终端的。在 Type2 RACH 场景中，终端在发送 MsgA 时还未收到任何调度信息，因此在 Type2 RACH 中，采用了预配置资源的方式。通过 RO 与 PUSCH Occasion（PO）之间进行映射，终端可以确定发送 PUSCH 使用的资源。映射规则与 SSB 到 RO 的映射类似，具体可参考这里³第二章。

MsgB PDCCH 与 MsgB PDSCH

基站在收到 MsgA 后，会向终端反馈 MsgB，MsgB 通过 PDCCH 与 PDSCH 传输，其中 PDCCH 使用 DCI format1-0，通过 MsgB-RNTI 加扰，通过加一个常数偏置与 RA-RNTI 错开。

针对多种可能的情况，MsgB MAC PDU 由一个或多个 MAC subPDU 组成携带一个或多个终端的随机接入响应。MAC subPDU 包括以下几种：

1. BI：指示小区负载高，必须在 MsgB 起始位置，仅包含头部，指示了终端需要回退的时间。
2. FallbackRAR：竞争失败，其头部包含了前导标识 RAPID。Payload 部分指示了终端重发 Msg3 的 UL Grant 以及 TC-RNTI。
3. SucessRAR：成功接入。Payload 部分包含了竞争解决标识 CRID，终端 HARQ 的时频资源，上行功控以及 C-RNTI。
4. 包含 MAC SDU 的 MAC PDU：其他公共或专用控制信息，必须跟在 SucessRAR 后面，紧挨 Paddings 的前面。且最多有一个。
5. Paddings：填充消息，充数用的，长度最小为 0。

Summary

在 Type2 RACH 中，终端发送 MsgA 后监听 MsgB PDCCH 并解调 PDSCH，可能有以下 3 种情况：

1. 终端收到了 C-RNTI 加扰的 Msg4 调度信令，此时表明从 Type2 回退到了 Type1，终端解调 Msg4 成功后接入小区。
2. 终端收到了 MsgB-RNTI 加扰的 MsgB PDCCH 调度信息：
   1. 若 MsgB 包含 SucessRAR，且 SucessRAR 的 Payload 中的 CRID 与终端前序传输的 MsgA 的 CCCH 信息的前 48bit 一致，则 RA 流程成功结束；若不一致，若 MsgB 的监听窗口未超时，该终端继续监听 MsgB，否则重新发送 MsgA。
   2. 若 MsgB 包含 FallbackRAR，且 FallbackRAR 的 头部包含的 RAPID 与终端前序传输 MsgA 使用的 preamble 一致，则 RA 流程回退到 Type1；若不一致，若 MsgB 的监听窗口未超时，该终端继续监听 MsgB，否则重新发送 MsgA。
3. 终端未收到 MsgB， 且监听窗口已超时，则重发 MsgA。

   功率控制

在重发 preamble 时，终端会有一个功率的抬升，Type1 与 Type2 功率控制方式基本一致。值得注意的时，当终端改变波束时，功率抬升会挂起。

在重发 MsgA PUSCH 时，Type1 与 Type2 中 Msg3 的功率控制一致，相应的步长可以独立配置或者延用 Type1 中的相应参数，具体可以参考这里³