5G NR 隨機接入技術及通信系統隨機接入流程研究

張蔚之

（廣西廣播電視信息網絡股份有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

5G 技術作為全新一代蜂窩移動通信技術，具有高數據傳輸速率和低延遲的特點，在物聯網、遠程控制以及無人駕駛等眾多領域發揮巨大作用。隨著5G 技術的應用越發完善，人們對5G 新空口（New Radio，NR）系統提出更高的要求。為確保5G 技術在實際當中發揮出更大的作用，降低信息傳輸誤碼率，必須設計出更加良好的5G NR 系統隨機接入流程。

1 5G NR 隨機接入技術

1.1 5G NR 基本概況

1.1.1 用戶面協議棧

5G 用戶面協議棧共由以下3 層構成：L1 層，位于整個協議棧的最下層，又稱為以太網物理層（Physical Layer，PHY），主要用于初步處理數據，并將其傳輸給天線端口；L2 層，位于協議棧的中間，又可劃分成媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）子層、無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）子層、分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）子層以及服務數據適配協議（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）子層，主要用于詳細處理數據，如數據頭部信息的添加與修改等；L3 層，位于協議棧的最上層，又稱為無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）層，針對高層傳輸的控制指令，適當進行數據調度[1]。

1.1.2 OFDM 技術

正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術是5G NR 通信系統中的核心技術。5G NR 系統內通常具備多條信息傳輸路徑，這些路徑之間存在相互干擾，使一幀數據傳輸時間并不相同，從而影響OFDM 符號的準確性。因此，OFDM 技術通常要在OFDM 符號前端設置一個循環前綴（Cyclic Prefix，CP），以處理數據到達的先后順序，使同一幀數據在不同路徑上的傳輸時間基本相同，從而得到準確的OFDM 符號[2]。

1.2 隨機接入目的與過程分析

1.2.1 隨機接入目的（1）接收上行資源。基站輸送主信息塊（Main Information Block，MIB）和系統信息塊類型1（System Information Block Type1，SIB1）后，終端解析完成下行同步，通過隨機接入的方式，傳輸用戶設備（User Equipment，UE）與基站之間的信息，然后結合基站分配的UL Grant 字段，接收上行資源。

（2）系統上行時間保持同步。隨機接入響應（Random Access Response，RAR）內存在一個關鍵的信息。定時提前（Timing Advance，TA）用于控制航行時間的同步，避免系統內部出現失步問題，以提升網絡中信息傳輸的精確性。

（3）基站側波速測量。下行同步實現后，UE將準確解析同步信號塊（Synchronization Signal Block，SSB）中的信息，并結合參考信號接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）， 在SSB 波速與物理隨機接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）之間構建映射關系，使得5G NR 系統隨機接入后，基站可實時獲得UE 上的信息。

1.2.2 隨機接入過程

根據特征的不同，5G NR 隨機接入可劃分成兩類，一類為競爭事件，另一類為非競爭事件。其中，對于非競爭事件來說，隨機接入過程較為簡單；對于競爭事件來說，隨機接入過程較為復雜，共需要4 步，具體如下。

（1）下行同步結束后，由UE 解析基站的SIB1信息，采集其中的RRC 信令參數，然后利用SIB1 內的RACH-ConfigGeneric 功能，將參數向外傳輸。同時，根據獲得的SIB1 信息，自動形成前導序列，并在PRACH 信道處理后，將開環功控指令Msg1 基帶信號傳輸給基站。

（2）對物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）進行解析，得到PDSCH 的時頻域位置信息，進而通過對PDCCH 的解資源映射、解調、解擾、解速率匹配、極化碼譯碼以及循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗，得到下行鏈路控制信息（Downlink Control Information，DCI）。其中，DCI 存儲與PDSCH 調度時頻域位置相關信息。以DCI為基礎，利用解預編碼、解層映射解調、解擾、解速率匹配、LDPC 譯碼與CRC 校驗后，得到RAR，用于傳輸Msg2。最后，檢索RAR 時間窗，判斷隨機接入是否成功。當時間窗內檢索出基站傳輸的RAR，表明接入成功；反之則表明接入未成功[3]。

（3）根據RAR 存儲的上行授權指令，由UE 控制物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）向上傳輸Msg3。在起始接入網絡中，以Msg3 中的RRC 為基礎，自動生成相應的請求指令，并在公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）內傳輸。由于是起始接入網絡，利用高層觸發，由MAC 層組裝Msg3，得到對應的協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU），然后由PUSCH 信道處理，進一步傳輸給基站[4]。

（4）UE 獲得競爭解決消息Msg4，原理流程與步驟（2）相似。

1.3 隨機接入流程的物理信道鏈路

1.3.1 隨機接入信道鏈路

在高層參數的控制下，將MAC 中的數據傳輸給PRACH 鏈路，通過ZC（Zadoff-Chu）序列處理后，按照第三代合作伙伴計劃（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）發射數據。ZC 序列處理表達式為

式中：xu,v(n)表示循環移位序列；u表示物理根序列號；n表示序列總個數；xu表示第u個序列；Cv表示循環移位數；LRA表示ZC 序列的長度；xu(i)表示基準序列；i表示序列符號；e表示信息量。

選擇最佳的循環移位步長（NCS），以防止出現前導沖突的問題。通常情況下，NCS越高，網絡覆蓋面積越大[5]。其中，當前導格式?fRA處于1.25 kHz和5.00 kHz 時，部分NCS取值如表1 所示。

表1 NCS 的取值（部分）

5G 網絡主要有兩種類型的隨機接入前導序列，一種為長導碼，其序列長度為839，波載間距為1.25 kHz 或5 kHz，支持表1 中的所有格式要求；另一種為短導碼，其序列長度為139，載波間距是15 kHz、30 kHz、60 kHz 或120 kHz，支持表1 中無限制集的格式要求。

1.3.2 下行控制信道鏈路

在下行控制信道鏈路方面，主要流程如下：得到DCI 后，對DCI 中的信息依次進行CRC 編碼與極化（Polar）碼，然后通過速率匹配的方式，得到符合信道傳輸格式要求的比特速率；將偽隨機碼序列與擴頻碼相乘，以此加密信號；利用調制技術，適當調節信號中的振幅、頻率等特征；在映射層內，將數據流分解成多個不同塊（層），并將分解后的數據映射到物力資源層；通過OFDM 調制的處理后，利用信道傳輸數據信息。在獲得DCI 時，順序流程與此相反。

1.3.3 下行共享信道鏈路

下行共享信道鏈路與上行控制信道鏈路基本相同，只是在獲得DCI 的信道估計環節向映射層預編碼傳輸信道信息，并在OFDM 調制后處理信號噪聲。MAC PDU 子頭為下行共享信道鏈路的核心內容，主要有兩種類型構成，一種包含躲避指示符（Backoff Indicator，BI），另一種包含隨機接入前導標識符（Random Access Preamble IDentifier，RAPID）。

1.3.4 上行共享信道鏈路

下行共享信道鏈路與上行控制信道鏈路基本相同，僅在速率匹配與加擾之間增加碼塊級聯操作。分析邏輯信道ID 字段（Logical Channel ID，LCID），可以確定PDU 中的具體內容。若LCID 分析結果為000110，表明信息為邏輯信道。

2 5G NR 通信系統隨機接入方案

2.1 同步階段

同步階段的流程較為簡單，具體流程如下：5G NR 通信系統啟動后，根據系統實際要求選擇對應的前導資源，判斷是否發射基帶信號，若為否則重新選擇前導資源，若為是則按照介紹方法解析RAR，最后判斷是否獲得目標數據，若未得到目標數據則重新選擇前導資源，若得到目標數據則結束。

2.2 競爭階段

競爭階段處理的主要流程如下：UE 向通信系統傳輸Msg3，并啟動競爭解決定時器，然后判斷競爭解決定時器是否超時，超時則自動丟棄臨時無線網絡標識位（Temporary C-RNTI，TC-RNTI），未超時則利用TC-RNTI 對PDCCH 加擾處理；進一步判斷UE 是否獲得MAC PDU 成功解碼，未收到則自動丟棄TC-RNT1，收到則停止競爭解決定時器；同時判斷MAC PDU 是否包含競爭解決標識，不包含直接將RC-RNT1 丟棄，包含則判斷UE 是否收到Msg4 與公共控制信道服務數據單元（Common Control Channel Service Data Unit，CCCH SDU）是否一致，若不一致則直接丟棄TC-RNT1，若一致則表明競爭成功解決；對TC-RNT1 升級，使其變為相應的C-RNT1，結束整個隨機接入操作。

3 結 論

現代5G 通信網絡的建設過程中，5G NR 通信系統接入流程的應用具有重要意義，可以提升信息傳輸效率與質量，防止出現較高的誤碼率，從而為社會發展提供支持。但需注意，本研究存在一些缺陷，如對PDCCH 信道實現快速而又準確的盲檢并未探討，未來將繼續研究該課題。