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随机接入与preamble选择

2023-12-03
5G协议栈

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小区搜索与RACH流程

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BWP

  部分带宽（BWP）是在给定载波和给定 Numerology 条件下的一组连续的PRB。由于 NR 支持小至 5 MHz、大至 400 MHz 的工作带宽，如果要求所有UE 均支持最大的 400 MHz 带宽，无疑会对 UE 的性能提出较高要求，也不利于降低 UE 的成本。同时，由于一个 UE 不可能同时占满整个 400 MHz 带宽，且高带宽意味着高采样率，而高采样率意味着更高功耗，如果 UE 全部按照支持 400 MHz 的带宽进行设计，无疑是对性能的极大浪费。因此，NR 引入了带宽自适应（Bandwidth Adaptation）技术，针对性地解决上述问题。带宽自适应意味着，UE 在低业务周期可以使用适度的带宽监测控制信道，而只在必要时才启用大的接收带宽以应对高业务负荷。
  在 LTE 中，UE 的带宽与系统带宽保持一致，在解码 MIB 信息配置带宽后便保持不变。而在 NR 中，不同的 UE 可以配置不同的 BWP，也就是说，UE 的带宽可以动态变化。如图 3-26 所示，在 T0 时段，UE 业务负荷较大且对时延要求不敏感，系统为 UE 配置大带宽 BWP1（BW 为 40 MHz，SCS 为15 kHz）；在 T1 时段，由于业务负荷趋降，UE 由 BWP1 切换至小带宽 BWP2（BW 为 10 MHz，SCS 为 15 kHz），在满足基本通信需求的前提下，可达到减低功耗的目的；在 T2 时段，UE 可能突发时延敏感业务，或者发现 BWP1 所在频段内资源紧缺，于是切换到新的 BWP3（BW 为 20 MHz，SCS 为 60 kHz）上；同理，在 T3 和 T4 等其他不同时段，UE 均根据实时业务需求，在不同 BWP之间切换。

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BWP的分类

   BWP 具体可以分为 Initial BWP 和 Dedicated BWP 两类，其中，Initial BWP是 UE 在初始接入阶段使用的 BWP，主要用于发起随机接入等。Dedicated BWP是 UE 在 RRC 连接态时配置的 BWP，主要用于数据业务传输。根据 R15，一个 UE 可以通过 RRC 信令分别在上、下行链路各自独立配置最多 4 个 DedicatedBWP，如果 UE 配置了 SUL，则在 SUL 链路上可以额外配置最多 4 个 Dedicated BWP。需要特别指出的是，对于 NR TDD 系统，DL BWP 和 UL BWP 是成对的，其中心频点保持一致，但带宽和子载波间隔的配置可以不同。
  UE 在 RRC 连接态时，某一时刻有且只能激活一个 Dedicated BWP，称为Active BWP。当其 BWPinactivitytimer 超时，UE 所工作的 Dedicated BWP，称为 Default BWP。图 3-30 示出了 BWP 的分类及切换流程的示意。 pkRCSOJ.png

波束与接入过程

  这里需要先介绍一个基本概念：波束互易性。

波束互易性是指一个设备可以根据接收波束推导准确发射波束；或者由发射波束来推导确定接收波束的特性。

  随机接入过程需要确定的波束包括：UE发送MSG1和MSG3的发送波束，UE接收MSG2和MSG4的接受波束，基站接收MSG1和MSG3的接收波束，基站发送MSG2和MSG4的发送波束。需要注意的是，随机接入过程中PRACH的波束既可以基于SSB也可以基于CSI-RS测量。本文只讨论基于SSB测量的随机接入UE发送MSG1的流程。

  UE在发送Msg1之前已经实现了下行的同步，检测到了一个满足检测门限的SSB，并通过该 SSB 关联的 SIB1 获得了PRACH 发送的發源配置信息。UE 在检测SSB 的过程中已经确定了接收信号的波束。从数据传输的角度，如果基站用该SSB 的发送波束发送下行数据， UE用对应的接收波束接收数据，可实现下行数据的传输。
  如果UE 具有波束互易性，UE 就通过接收波束确定一个发送波束用于发送 Preamble。如果UE 不具备波束互易性，只能采用逐个尝试的方式发送 Preamble，即上行波束扫描。
  基站通过接收波束赋形实现对UB 发送的 Preamble 的接收，如果基站的波束互易性不成立，则基站需要对多个可能的接收波束进行尝试，即采用接收波束扫描的方式接收信号。
  如果基站波束互易性成立，基站就可以由发送波束确定对应的接收波束。UE 在发送Preamble 之前，已经选择了一个SSB，该SSB 的发送波束是确定基站接收波束的最佳候选，但此时 UE 并未通知基站所选择的SSB。NR给出的解决方案是建立 RO 子集以及 Preamble和SSB的关联关系，UE 检测到一个 SSB之后从该 SSB 关联的 RO子集以及 Preamble 中速择RO和 Preamble。UE 选择的 RO 和 Preamble 隐含地指示了UE 选择的SSB，基站在特定的PRACH 资源上检测特定的Preamble 时就可以用其关联的 SSB 的发送波束确定接收波束。
  基站按照这个方式检测的另一个前提条件是 UE 的波束互易性也成立。如果 UE 的波束互易性不成立，UB 选择的发送波束和接收SSB 的接收波束不一定是相同方向，从而导致下行传输的路径和上行传输的路径有差别，，那么基站的接收波束也会有变化，基站仍然要进行波束扫描。
  具体来说，SSB 与 RO 子集关联关系由基站通过系统广播消息通知 UE（包括选择 SSB的RSRP 阈值），其中，一个 RO 子集由一个或者多个 RO组成。UE 检测SSB，并判断 SSB的实际 RSRP 测量值是否大于从系统广播消息获取的 RSRP 阈值，如果判断成立，则使用该SSB 关联的RO子集作 候选的 RO集合。如果有多个 SSB 的RSRP 测量值大于阈值，则UE 从中随机选择一个SSB，使用该 SSB 关联的 RO 子集作为候选的RO集合。基站根据检测到 Preamble 的 RO与SSB（下行发送波束）的关联关系，确定 UE 选择的SSB（下行发送波束）。

SSB与PRACH

  NR中，下行广行播信息SSB/RMSI,初始接入也可以支持波束Beam管理机制;

  SSB在时域周期内有多次发送机会，可以分别对应不同波束;

  因此NR中，只有当SSB的波束扫描信号“ 覆盖”到UE时，UE才 有机会发送PRACH随机接入。

  即: PRACH的发送时刻(RO)需要和SSB发送的时刻(索引) 建立映射关系。同时基站根据UE上行PRACH的资源位置，决定下行RAR发送的波束。

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RACH Occasion

RACH Occasion is an area specified in time and frequency domain that are available for the reception of RACH preamble.

  RACH Occasion是一种特定的时域和频域资源，可用于接收RACH前导码。

  在LTE中，对于所有可能的preamble码都使用SIB2中规定的RO。

  在NR中，同步信号（SSB）与不同的波束相关联，UE选择某个波束并使用该波束发送PRACH。为了让 网络 弄清楚 UE 选择了哪个波束，3GPP 定义了 SSB 和 RO之间的特定映射。通过确定 UE在哪个RO上发送了PRACH，NW 就可以确定 UE 选择了哪个 SSB 波束。

SSB 和 RACH Occasion 之间的映射由以下两个 RRC 参数定义：

  • msg1-FDM
  • ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB

  msg-FDM 指定在频域中分配了多少个 RO（在时域中的同一位置）。   ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB 指定可以映射到一个RO的SSB数量，以及可以映射到一个SSB的preamble的数量。

38.213-8.1:SS/PBCH block indexes provided by ssb-PositionsInBurst in SIB1 or in ServingCellConfigCommon are mapped to valid PRACH occasions in the following order where the parameters are described in [4, TS 38.211].

  • First, in increasing order of preamble indexes within a single PRACH occasion
  • Second, in increasing order of frequency resource indexes for frequency multiplexed PRACH occasions
  • Third, in increasing order of time resource indexes for time multiplexed PRACH occasions within a PRACH slot
  • Fourth, in increasing order of indexes for PRACH slots

举例

下图38.331 对于ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB的定义 pkWUA74.jpg

  • Example 01

    • msg1-FDM = one
    • ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB = one

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  • Example 02

    • msg1-FDM = two
    • ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB = one

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  • Example 03

    • msg1-FDM = two
    • ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB = eight

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  • Example 04

    • msg1-FDM = two
    • ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB = oneHalf

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Legacy RA

  高层通过参数ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB配置N个SSB关联一个PRACH occasion(参数ssb-perRACH-Occasion)，和每个SSB在每个有效PRACH occasion上基于竞争的preamble数(参数：CB-preambles-per-SSB)。其中对于N的配置有如下两种：

38.213-i30： For Type-1 random access procedure, a UE is provided a number N of SS/PBCH block indexes associated with one PRACH occasion and a number R of contention based preambles per SS/PBCH block index per valid PRACH occasion by ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB.

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说明 RACH参数配置中ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB用于配置: - 每个RACH时刻对应的SSB个数N,从1/8-16 - 当ssb-perRACH-Occasion>=1, N>=1时，即多个SSB对应1个RACH Occasion,从n*Ntotalpreamble/N开始的连续CB PreamblesPerSSB个CB preambles对应于SSB n, 0<=n<=N-1 。

列举两个图片来说明RO与SSB的关系：

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举例

  • ssb-perRACH-Occasion = 1/8，，CB-PreamblesPerSSB=60，totalNumberOfRA-Preambles=64
    • 一个SSB映射到8个RO
    • 每个RO的CB Preamble分别为0-59
    • 每个RO上的CF Preamble分别为60-63

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  • ssb-perRACH-Occasion = 1, CB-PreamblesPerSSB=56，totalNumberOfRA-Preambles=64
    • 一个SSB映射到1个RO
    • 每个RO上的CB Preamble分别为0-55
    • 每个RO上的CF Preamble分别为56-63

pi6CBRI.png

  • ssb-perRACH-Occasion = 4,CB-PreamblesPerSSB=12， totalNumberOfRA-Preambles=64，
    • 4个SSB映射到一个RO，
    • 对应的CB Preamble分别为0-11，16-27,32-43, 48-59
    • 对应的CF Preamble分别为12-15，28-31,44-47, 60-63

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RACH partition

RACH partition为R17引入的新特性，旨在通过RACH流程，告知网络UE支持的特性（redCap，smallData，nsag，msg3-Repetitions）。

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  • numberOfPreamblesPerSSB-ForThisPartition
    • It determines how many consecutive preambles are associated to the Feature Combination starting from the starting preamble(s) per SSB.

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38213 clause 8.1 pkhu3z4.jpg

RACH partition有两个关键参数，分别为numberOfPreamblesPerSSB-ForThisPartition 和startPreambleForThisPartition ，其中startPreambleForThisPartition 标识了每个RACH partition的起始位置，numberOfPreamblesPerSSB-ForThisPartition标识了从这个起始位置开始，属于这个RACH partition的连续的P码个数。

一个SSB映射到多个RO

对于一个SSB映射到多个RO的情况，即N<1的情况，在totalNumberOfRA-Preambles个P码对于发起RACH的SSB都可以使用，所以RACH partition的P码范围为[startPreambleForThisPartition,startPreambleForThisPartition+numberOfPreamblesPerSSB-ForThisPartition)

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多个SSB映射到一个RO

对于多个SSB映射到一个RO的情况，即N>=1的情况,每个SSB其实只有Ntotalpreamble/N个P码可以使用，其中CB preambles个数为开始的连续CB-PreamblesPerSSB，所以RACH partition的P码范围为[n*Ntotalpreamble/N + startPreambleForThisPartition,n*Ntotalpreamble/N + startPreambleForThisPartition+numberOfPreamblesPerSSB-ForThisPartition)

pkhKjHI.png

参考文献

5g-nr-cell-scan-and-rach-procedure-poster

sharetechnote_5G_RACH

5G NR: 2-Step Random Access Procedure (Release-16)

ra_msg1

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