第3章 5G NR 基礎參數及接入設計
3.2 接入設計
3.2.3 下行同步信道及信号
3.2.4 随機接入
随機接入過程用于獲得上行同步，完成随機接入過程之後，終端就可以與基站進行上行通信。與 LTE 類似，NR 支援基于競争的随機接入及基于非競争的随機接入。為了更好地支援波束掃描，NR 對随機接入資源的映射方式進行了大幅度的修改，同時引入了多種新的随機接入信道格式。随機接入過程在 8.2.1 節第 6 部分有詳細介紹，本節重點聚焦 NR 的随機接入信道 PRACH 的結構以及資源配置方式。
- 随機接入信道序列
與 LTE 一樣，NR 随機接入信道的前導（preamble）由 ZC（Zadoff-Chu）序列的循環移位産生。一個随機接入時機（RO，RACH Occasion）包含 64 個前導，其中 RO 為某個 RACH 格式所占用的時、頻資源。随機接入前導序列的生成公式為
其中，LRA 為前導序列的長度（839 或 139），u 為 ZC 序列的根序列的實體索引，Cv 為前導 v 對應的循環移位。循環移位的産生分為三種情況：① 無循環移位限制（Unrestrictedset）；② 基于循環移位限制集 A（Restricted set type A）；③ 基于循環移位限制集 B（Restricted set type B）。在沒有循環移位限制的情況下，Cv 的産生方式為
其中，NCS 為循環移位步長，v 為一條根序列通過循環移位産生的前導的序号。NCS 的取值通過 SIB1 中的信令通知。循環移位限制集 A、B，以及沒有循環移位限制情況下 NCS取值範圍參見文獻[4]。當根序列 u（邏輯索引為 i）産生的前導的數量小于 64 的時候，自動選擇根序列 u′（邏輯索引為 i+1），基于上述方式繼續産生前導，直到前導的數量達到 64 為止。一個小區使用的第 1 條根序列的邏輯索引通過 SIB1 中的信令通知，基站和終端基于邏輯索引和實體索引的映射關系找到序列的實體索引，産生相應的 ZC 序列。邏輯索引 i 和實體索引 u 的映射關系與 LTE 完全相同，可參見文獻[4]。
循環移位限制集用于在高速場景下保證 RACH 的接收性能，即防止頻偏造成序列相關峰的能量洩漏對 RACH 接收性能産生影響。如圖 3.17 所示，在高速場景下，v = i+2的循環移位窗内的主相關峰的能量将洩漏到 v = i 和 v = i +k 兩個循環移位窗内，是以 v = i和 v = i + k 兩個循環移位将不能用于産生前導。循環移位限制集 A 和限制集 B 分别用于高速和超高速兩種情況，一般工程上以120km/h 為分界線。基于循環移位限制集 A 和限
制集 B 計算可用循環移位 Cv 的公式可參見文獻[4]。
- 随機接入信道格式
随機接入信道的基本結構如圖 3.18 所示，即一個 CP 加上重複若幹次的前導序列，這種結構有利于在頻域上檢測 PRACH 前導，進而降低接收機的複雜度。NR 支援長、短兩大類随機接入信道，它們使用的序列長度分别為 839 和 139。具體如表 3.9 所示，第一類随機信道包含 4 種格式（Format），其中每種格式支援的小區覆寫是基于 CP 長度（TCP），考慮往返最大傳播延遲、信道的多徑時延擴充（Path profile）及光速（c）計算出來的，如下式：
格式 0/1 與 LTE 的 PRACH 格式 0/3 完全相同。格式 2/3 是 NR 新引入的，其中格式2 的 RACH 序列重複了 4 次，可以累積更多的能量，進而可以對抗普通覆寫下的穿透損耗。格式 3 使用 5kHz 的子載波，序列重複 4 次，用于高速場景。
第一類随機信道僅用于小于 6GHz（FR1），且可以根據應用場景選擇無循環移位限制，使用循環移位限制集 A 或者使用循環移位限制集 B。
第二類随機接入信道有 9 種格式，每種格式的參數配置如表 3.10 所示。第二類随機接入信道小區覆寫的計算方式與第一類随機接入信道相同，并可以用于小于 6GHz（FR1）和大于 6GHz，且小于52.6GHz（FR2）。其中，在 FR1 支援 15kHz 和 30kHz 兩種子載波間隔，在 FR2 可以使用 60kHz 和 120kHz 兩種子載波間隔。另外，由于第二類随機接入信道支援比較大的子載波間隔，可以很好地支援高速場景，是以不需要使用循環移位限制。
格式 Ax(x = 1, 2, 3)和格式 Bx(x = 1, 2, 3, 4)的差別在于格式 Bx 自已帶有保護間隔GP，而格式 Ax 不帶 GP。具體看，每一種格式在 PRACH 時隙中占用 N 個 OFDM 符号（N 的取值參見表 3.10 第 4 列前面的數字。比如，對于 2×2048 κ·2−μ ，N=2）。對于格式 Ax，N 個 OFDM 符号的 CP 長度之和作為 PRACH 的 CP，PRACH 序列重複 N 次，占用 N 個不帶 CP 的 OFDM 符号（如圖 3.17 所示）。對于格式 Bx，N 個 OFDM 符号的 CP長度之和等于 PRACH 的 CP 長度加 GP 長度，同樣 PRACH 序列重複 N 次，占用 N 個不
帶 CP 的 OFDM 符号（如圖 3.19 所示）。由于格式 Ax 的 CP 比格式 Bx 長，是以支援的小區覆寫比後者大。不過，由于格式 Ax 沒有自帶 GP，是以，需要占用 RO 後面的 OFDM符号作為保護間隔，不能充分利用 PRACH 時隙（如圖 3.19 所示）。值得注意的是，PRACH時隙與幀結構中描述的時隙相同，由 14 個 OFDM 符号組成，PRACH 的子載波間隔與系統消息中給出的上行子載波間隔相同。
格式 C0 設計的目标場景是室外視距傳播場景，相比室内需要更長的 PRACH CP 和GP。格式 C2 相比 C0 支援的覆寫距離更大，以便滿足類似FWA（Fixed Wireless Access）場景。在這類場景下，主要使用子載波間隔 120kHz 的固定無線接入産品來滿足最後 1km的覆寫需求。
第二類随機接入信道采用每一個 RO 都與資料的 OFDM 符号的邊界對齊的設計。這種設計的好處是允許随機接入信道和資料信道使用相同的接收機，進而降低系統設計的複雜度。
參考文獻
[1] 3GPP Technical Specification 38.913. Study on Scenarios and Requirements for NextGeneration Access Technologies.
[2] 3GPP Technical Specification 38.101-1. User Equipment (UE) radio transmission andreception;Part 1: Range 1 Standalone.
[3] 3GPP Technical Specification 38.101-2. User Equipment (UE) radio transmission and reception;Part 1: Range 2 Standalone.
[4] 3GPP Technical Specification 38.211. Physical channels and modulation.
[5] 3GPP Technical Specification, 38.213. Physical layer procedures for control.
[6] 3GPP Technical Specification, 38.214. Physical layer procedures for data.