5G隨機接入增強技術

沈霞 劉慧

【摘? 要】結合最新5G標準研究進展，對5G隨機接入技術相比4G的增強方案展開研究分析，包括R16結合配置授權的上行資源分配方式實現(xiàn)了兩步隨機接入技術，R17針對非地面通信場景下的同步增強以及支持非激活狀態(tài)下的上行小數(shù)據(jù)傳輸。通過研究表明，隨機接入基礎方案已完成，后續(xù)將向滿足特定場景需求以及提升隨機接入性能方面增強。

【關鍵詞】 5G;隨機接入;同步;非地面通信;小數(shù)據(jù)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.002? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0007-05

引用格式：沈霞，劉慧. 5G隨機接入增強技術[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 7-11.

5G Random Access Technology Enhancements

SHEN Xia， LIU Hui

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

Based on the latest development of 5G standardization， this paper provides research on the enhancement solution of 5G random access technology compared to 4G， including two-step RACH with the uplink configured grant resource allocation type in R16， synchronization enhancements for NTN communication scenarios in R17， and uplink small data transmission in the inactive state. The research shows that fundamental solutions for random access have been completed and further enhancements will focus on meeting the requirements of specific use cases and improving the performance of random access.

[Key words] 5G; random access; synchronization; NTN; small data

0? ?引言

在4G LTE和R15 5G系統(tǒng)中，采用的隨機接入技術為傳統(tǒng)的4-step RACH（Random Access Channel，隨機接入信道）技術，終端和基站之間需要進行5次信息交互才能完成隨機接入過程，分別為：（1）終端向基站發(fā)送消息Msg1，Msg1為前導序列，用于基站進行定時提前估計;（2）基站向終端發(fā)送消息Msg2，Msg2為Msg1的隨機接入響應，其中包含了前導序列標識、TA（Timing Advance，定時提前）指示、終端向基站發(fā)送Msg3的上行授權信息、臨時小區(qū)無線網(wǎng)絡臨時標識（TC-RNTI）;（3）終端向基站發(fā)送消息Msg3，當終端在Msg2中讀取到Msg1對應的前導序列標識時，利用Msg2中的上行授權發(fā)送Msg3，Msg3的內(nèi)容與觸發(fā)隨機接入過程的事件相關;（4）基站向終端發(fā)送消息Msg4，Msg4為解決競爭沖突的響應，當終端檢測到的Msg4中包含對應Msg3中相關的競爭沖突解決標識信息時，則視為隨機接入成功;（5）成功檢測Msg4的終端向基站發(fā)送一個ACK確認信息。

由此可見，基于終端和基站之間的多次信息交互的4-step RACH技術會引入較大的時延開銷。為了降低隨機接入過程中的時延，在5G R16中引入了2-step RACH技術，設計MsgA信息承擔Msg1和Msg3功能，由終端一次傳輸給基站，設計MsgA對應的響應信息MsgB，承擔Msg2和Msg4功能，由基站一次傳輸給終端，簡化了隨機接入過程步驟，提升系統(tǒng)傳輸效率。RACH技術在5G后續(xù)演進中也將對特定的應用場景進行適應性增強，例如，RACH在非地面通信網(wǎng)絡中的應用增強以及RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）非激活狀態(tài)下的利用隨機接入過程進行小數(shù)據(jù)包傳輸?shù)取Ｏ旅姹疚膶⒅攸c對R16中的2-step RACH技術及R17中RACH進一步增強技術展開介紹和研究。

1? ? R16 2-step RACH技術

1.1? 2-step RACH基本過程

在5G R16中引入2-step RACH技術后，終端可以工作在僅配置4-step RACH、僅配置2-step RACH、同時配置4-step RACH和2-step RACH這三種模式。其中終端僅配置4-step RACH表示終端僅基于4-step RACH配置發(fā)起隨機接入，終端僅配置2-step RACH表示終端僅基于2-step RACH配置發(fā)起隨機接入。對于同時配置4-step RACH和2-step RACH的終端，由于終端在同一時刻僅支持維護一個隨機接入過程，需要在4-step RACH和2-step RACH中選擇一種隨機過程技術，如果基于競爭的隨機接入過程中終端測量的RSRP（Reference Signal Received Power，參考信號接收功率）高于設定閾值，或者對于RRC重配觸發(fā)的隨機接入如果終端基于2-step RACH配置了專用的非競爭隨機接入資源，則選擇2-step RACH，其他選擇4-step RACH。2-step RACH的基本傳輸過程如圖1所示，包括的主要步驟為：

（1）終端向基站發(fā)送MsgA，包括前導和前導關聯(lián)的PUSCH（Physical Uplink Shared Channel，物理上行共享信道），其中PUSCH內(nèi)容由具體隨機接入觸發(fā)事件確定。PUSCH的傳輸資源通過RRC信令配置給終端。

（2）基站接收到MsgA后，向終端發(fā)送對應的隨機接入響應MsgB，MsgB可以向采用相同RO（RACH Occasion，隨機接入信道機會）發(fā)送前導的一組終端采用組播的發(fā)送，也可以對MsgA中向基站告知C-RNTI（Cell-Radio Network Temporary Identifier，小區(qū)無線網(wǎng)絡臨時標識）的終端采用單播的方式發(fā)送。

（3）對于隨機接入成功的終端，向基站反饋一個確認信息，完成隨機接入過程。

1.2? MsgA傳輸設計

在2-step RACH的MsgA傳輸中，包括了前導和PUSCH兩部分。其中MsgA前導傳輸采用RO承載。為了區(qū)分2-step RACH和4-step RACH，2-step RACH和4-step RACH可以共用RO但采用不同的前導序列，或者2-step RACH和4-step RACH采用不同的RO。對于共用RO，2-step RACH可以共用4-step RACH所有的RO或者RO的一個子集。對于采用不同的RO，2-step RACH采用與4-step RACH具有不同的RO時域配置索引。MsgA中PUSCH傳輸時頻資源通過配置授權的方式由高層RRC信令通知給終端。由于不同隨機接入觸發(fā)事件下PUSCH傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小不同，標準支持2種不同的PUSCH配置，不同PUSCH配置下PUSCH的時頻資源位置和大小可具有不同的配置，對應了不同的PUSCH傳輸包大小需求，以支持終端選擇一種滿足其需求的配置發(fā)起隨機接入。2種PUSCH配置分別對應了前導組A和前導組B，當終端發(fā)起的MsgA PUSCH傳輸包大小超過一定大小時，則選擇前導組B中的前導序列。

MsgA中前導和PUSCH傳輸資源選擇的基本過程為終端根據(jù)信道測量選擇SSB（Synchronization Signal Block，同步廣播塊）關聯(lián)的RO，再根據(jù)MsgA PUSCH傳輸包大小需求選擇對應前導組A或者組B中的一個前導序列，然后根據(jù)選擇RO和前導序列確定其關聯(lián)的PUSCH配置下的一個PO和DMRS（De-Modulation Reference Signal，解調(diào)參考信號）配置，由PO承載PUSCH的傳輸塊。將一個RO上的一個前導序列映射到一個PO和DMRS配置的具體規(guī)則為：首先將RO所在的PRACH時隙疊加一個時隙偏移關聯(lián)到N個PUSCH時隙（如圖2所示）;然后在該PRACH時隙中，按照前導序列索引由低到高、RO頻率索引由低到高、RO時域索引由低到高排序;在關聯(lián)的N個PUSCH時隙中，按照PO頻率索引由低到高、DMRS配置索引由低到高、時隙內(nèi)PO時域索引由低到高、PUSCH時隙索引由低到高排序;最后將PRACH排序中的每M個前導序列順序映射到PUSCH排序中的一個PO和DMRS配置，其中M=ceil（T_p/T_PUSCH），T_p為一個SSB和PRACH關聯(lián)圖案周期中對應所選PUSCH配置下的前導序列個數(shù)與有效RO個數(shù)之間的乘積，T_PUSCH為一個SSB和PRACH關聯(lián)圖案周期中對應所選PUSCH配置下DMRS配置個數(shù)與有效PO個數(shù)之間的乘積。上述時隙偏移和N個PUSCH時隙的位置依據(jù)所選前導序列對應的PUSCH配置確定?？梢娫贛sgA傳輸設計中，允許不同的前導序列映射到相同的PO上，采用不同的DMRS配置進行區(qū)分，為非正交多址技術的一個典型的應用。

1.3? MsgB傳輸設計

由于MsgA PUSCH中，終端可能上報了C-RNTI信息（例如處于RRC連接狀態(tài)下的上下行失步下觸發(fā)的隨機接入），基站發(fā)送響應MsgB時，可以對上報C-RNTI的終端采用單播的方式發(fā)送，或者對采用相同RO發(fā)送MsgA前導的一組終端采用組播的方式發(fā)送，其中單播和組播分別采用C-RNTI和MsgB-RNTI對指示MsgB的PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）加擾。所述MsgB-RNTI由與4-step RACH中RA-RNTI取值范圍不同，根據(jù)MsgA中RO的時頻位置計算得出。相應的終端在發(fā)送MsgA之后，在一個MsgB響應窗內(nèi)檢測響應，將嘗試采用C-RNTI（如果有）和MsgB-RNTI去檢測PDCCH。如果采用C-RNTI檢測成功，PDCCH指示MsgB中為隨機觸發(fā)事件對應響應內(nèi)容，則隨機接入成功。如果采用MsgB-RNTI檢測成功，PDCCH指示的MsgB中包含MsgA中前導序列標識或者與MsgA中PUSCH對應的競爭解決標識，則相應采用前導序列標識對應的上行授權發(fā)送Msg3或者競爭解決標識對應的PUCCH資源反饋一個確認信息。

對于組播下的MsgB，包含了兩種類型的響應。第一種是回退RAR，對應了基站成功檢測MsgA的前導而MsgA PUSCH檢測失敗的響應，回退RAR內(nèi)容與4-step RACH中的RAR（Random Access Response，隨機接入響應）相同，包含了前導標識、TA、TC-RNTI以及發(fā)送Msg3的上行授權，終端檢測到該響應就回退到4-step RACH發(fā)送Msg3。第二種是成功RAR，對應了基站成功檢測MsgA的前導和PUSCH的響應，成功RAR包含了MsgA中PUSCH對應的競爭解決標識、TA、C-RNTI、功控指示和終端向基站反饋確認信息的PUCCH資源指示，終端檢測到該響應反饋一個確認信息。除了上述兩種類型響應，MsgB中還可包含兩種信息：一是隨機接入回退指示，用于重傳MsgA時的隨機回退;二是一個或多個SRB（Signalling Radio Bearer，信令無線承載），基于MsgB通知終端需要的RRC信息，減少信令開銷。其中MsgB是否包含SRB對應的MAC SDU（Service Data Unit，業(yè)務數(shù)據(jù)單元）將在成功RAR指示，如果包含，則將SRB對應的MAC SDU放入指示其存在成功RAR的后面。綜上所述，MsgB的MAC PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）格式如圖3所示。

終端如果在隨機接入響應窗中未檢測到對應的MsgB，則重新發(fā)送MsgA，當發(fā)送MsgA超過一定次數(shù)T_max，如果終端配置了4-step RACH接入且T_max小于配置的前導最大傳輸次數(shù)，則回退到4-step RACH重新發(fā)送前導，其他情況則向上層上報對接接入失敗。

1.4? 功率控制

對于2-step RACH功率控制，包括了MsgA前導和PUSCH兩部分的發(fā)送功率控制。對于MsgA前導傳輸?shù)墓貦C制，和4-step RACH中重新發(fā)起隨機接入傳輸前導的功控機制相同，且2-step RACH和4-step RACH采用同一個功率疊加計數(shù)器（Power Ramping Counter），初始前導目標接收功率相同。當MsgA重傳時，前導目標接收功率相比上一次傳輸階梯型疊加一個重傳功率偏移量（Power Ramping Step Size），如果2-step RACH與4-step RACH共用RO時，該功率偏移同4-step RACH中配置，否則2-step RACH可以單獨配置一個不同的重傳功率偏移量。當2-step RACH切換至4-step RACH重傳前導時，相應的前導目標接收功率疊加一個由于功率偏移配置不同的偏移量，即功率疊加計數(shù)器與2-step RACH和4-step RACH配置的功率偏移差值之間的乘積。

MsgA PUSCH的傳輸功率相比MsgA PRACH的傳輸功率疊加一個偏移量，該偏移量可以單獨配置，如果沒有配置則采用4-step RACH中Msg3相比Msg1的功率偏移配置。當MsgA重傳時，MsgA PUSCH的重傳功率同MsgA PRACH階梯型疊加一個重傳功率偏移量，且MsgA PUSCH與MsgA PRACH采用相同的功率疊加計數(shù)器且重傳功率偏移量相同。由此MsgA的PUSCH傳輸功率的疊加組成部分為：初始目標傳輸功率、相比MsgA PRACH的功率偏移量、取決于分配帶寬的功率偏移量、取決于MCS的功率偏移量、路損補償、重傳功率偏移，其中路損補償系數(shù)相比于4-step RACH可以單獨配置。最后確定出的MsgA PUSCH傳輸功率不超過終端允許的PUSCH最大傳輸功率。

2? ? R17 RACH增強技術

2.1? 非地面通信場景增強

在NTN（Non-Terrestrial Network，非地面網(wǎng)絡）通信場景中，將基站布置在飛機、低軌衛(wèi)星和同步衛(wèi)星上為地面終端提供通信服務，相應地，終端與基站間的傳播時延將高達數(shù)百毫秒。高傳播時延為終端與基站之間隨機接入過程中的上行同步與定時器的設計帶來新的挑戰(zhàn)。具體問題及后續(xù)的增強考慮包括：

（1）隨機接入的上行同步增強。在R15和R16的5G標準設計中，終端發(fā)送前導時的上行TA補償為零，基站接收檢測前導也不作定時補償，而這一技術將不適用于NTN場景，因為如果終端和基站側(cè)都不作任何TA補償，則終端與基站之間的高傳播時延將導致基站無法正確檢測前導。在后續(xù)的設計中，將考慮兩個方向的增強設計：一個方向是終端根據(jù)自己與基站間的位置信息估計傳播時延，在發(fā)送前導時補償TA為估計傳播時延兩倍，或者為與地面參考位置時延差的兩倍，如果是后者需要基站側(cè)檢測前導時補償一個基于地面參考位置的時延;另一個方向是終端補償一個基于地面參考位置的公共TA，基站側(cè)在隨機接入響應中相應的指示終端與地面參考位置之間的時間差，由于目前RAR中TA指示范圍最大為2 ms，需要考慮擴展RAR中的TA指示范圍。此外，隨機接入過程如果不作TA補償?shù)脑鰪?，需要考慮前導格式的增強，例如設計新的前導重復傳輸次數(shù)、更大的子載波間隔，滿足高速移動和更大覆蓋的需求。

（2）隨機接入定時器增強。隨機接入中的定時器包括接收隨機接入響應的定時器以及4-step RACH中接收Msg4的定時器，均為終端發(fā)送前導或者Msg3之后，下一個配置檢測PDCCH的時隙起始時間啟動定時。采用現(xiàn)有技術，高傳播時延將導致終端啟動定時之后一段時間甚至響應窗結束之后都無法接收到相應的隨機接入響應信息。因此考慮在隨機接入定時器上疊加一個時間偏移量以及增大隨機接入響應窗長解決該問題。并且，定時器的啟動需要結合TA補償聯(lián)合考慮，形成一個完整的解決方案。

（3）隨機接入資源利用效率增強。在NTN場景，2-step RACH相比4-step RACH更具有應用優(yōu)勢，減少近秒級的接入時延，大幅度提升接入效率?？梢岳?-step RACH的免調(diào)度發(fā)送數(shù)據(jù)的方式來簡化其他終端與基站間的交互流程。例如對于上行數(shù)據(jù)發(fā)送獲取分配傳輸資源，需要先進行上行緩存狀態(tài)上報，而常規(guī)的上行緩存狀態(tài)上報，如果沒有上行資源就會觸發(fā)調(diào)度請求上報，等基站響應分配緩存狀態(tài)上報發(fā)送需要的資源，到實際上行數(shù)據(jù)上報需要開銷4倍的傳播時延。如果利用2-step RACH進行緩存狀態(tài)上報，可以簡化上行資源調(diào)度流程，相應地也可以提高配置的MsgA PUSCH資源利用效率。

2.2? 小數(shù)據(jù)傳輸增強

5G通信中具有大量狀態(tài)上報、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務等海量上行小數(shù)據(jù)傳輸需求，而數(shù)據(jù)傳輸目前僅支持在RRC連接狀態(tài)發(fā)生，其他RRC狀態(tài)下需要先發(fā)生RRC狀態(tài)切換才能數(shù)據(jù)傳輸，降低傳輸效率。由此，在B5G中，將設計終端在非激活狀態(tài)下的上行數(shù)據(jù)傳輸機制增強系統(tǒng)性能。基于RACH的MsgA或者Msg3的上行數(shù)據(jù)傳輸為對應的一個解決方案，相應地需要考慮的增強設計包括：

（1）MsgA PUSCH配置增強。目前標準中PUSCH配置支持兩種數(shù)據(jù)傳輸包大小，在引入多種業(yè)務的小數(shù)據(jù)包傳輸后，需要2-step RACH的MsgA以及4-step RACH中的Msg3支持更多種數(shù)據(jù)傳輸包大小需求。

（2）重傳機制增強。目前RACH對于MsgA以及Msg3沒有HARQ機制，如果UE接收隨機接入響應失敗則重新發(fā)起隨機接入，每次傳輸HARQ冗余版本為0。對于小數(shù)據(jù)傳輸，標準設計中可以進一步考慮小數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容格式設計以及與隨機接入不同的傳輸流程，引入HARQ機制，以及僅重傳MsgA時的機制設計等。對于終端獲取RAR中的TA指示后，可以對Msg3中發(fā)起多次重傳，而不是未接收到Msg4后重新發(fā)起前導傳輸，降低傳輸效率。

3? ?結束語

隨機接入基礎功能為實現(xiàn)上行同步。在后續(xù)的演進中，流程得到重要簡化，可以支持更大覆蓋范圍的終端同步，并在同步過程中實現(xiàn)業(yè)務傳輸，提升系統(tǒng)效率。研究結果表明，隨機接入基礎方案已完成，后續(xù)將向滿足特定場景需求以及提升隨機接入性能方面增強。目前系統(tǒng)隨機接入上行同步仍基于基站測量上行定時提前量并下行指示的方式實現(xiàn)。在后續(xù)演進中，隨著終端設備能力的增強，結合終端自我補償上行定時提前量的隨機接入以及基于業(yè)務信道導頻的定時提前量測量將會對隨機接入成功率帶來提升，是一個值得深入研究的重要方向。

參考文獻：

[1]? ? ?ZTE Corporation， Sanechips. Running MAC CR for 2-stepRACH， 3GPP TSG-RAN WG2 Meeting #109-e R2-2000996[Z]. 2020.

[2]? ? ? 3GPP. 3GPP TS 38.213： NR Physical layer procedures? for control V16.0.0[S]. 2019.

[3]? ? 3GPP. 3GPP TR 38.821： Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） V1.0.0[R]. 2019.

[4]? ?ZTE Corporation. Work Item on NR small data transmissions in INACTIVE state， 3GPP TSG RAN Meeting #86 RP-193252[Z]. 2019.★

作者簡介

沈霞（orcid.org/0000-0002-8750-1179）：高級工程師，畢業(yè)于北京大學，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院，主要從事第五代移動通信（5G）和無線局域網(wǎng)（WLAN）技術研究，參與IMT-2020（5G）推進組5G技術研發(fā)試驗、5G關鍵技術仿真評估以及5G和WLAN相關國家重大專項工作。

劉慧：工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院，主要從事第五代移動通信（5G）技術研究和技術仿真評估工作。