在移动通信系统中，随机接入是必不可少的，NR自然也是如此。UE完成下行同步后，还要完成随机接入，才可以和网络进一步交互。随机接入是相当综合和复杂的课题，引用孙老师的话：“看懂了随机接入，无线通信就学会了”。随机接入如此重要，自然是NR学习的重点。这里，我尝试对随机接入的知识进行整理，提供给和我一样的小白参考。

 

文章参考了3GPP文档（TS 38.300、TS 38.321、TS 38.213和TS 38.331），金辉的《深入理解LTE-A》，爱立信的《5G NR标准：下一代无线通信技术》，ShareTechnote的《RACH》，孙老师的《NR PRACH信道和随机接入流程简析 V2.0》和Haykey的《5G里的on-demand系统消息》。由于本人的理论水平有限，也没有无线专业的工作经历，文章难免存在错漏，欢迎各位专家批评和指正。

 

为什么要随机接入？

 

简单的说，是为了请求接入资源。随机接入是UE向网络发送的第一条消息，尽管在不同系统中，请求名字不一样，但作用是相似的。在GSM中，称为“Channel Request”；在CDMA中，称为“Access Probe”；在WCDMA和LTE中，称为“RACH”—— NR沿用了这个名字。RA是Random Access的缩写。从宏观的角度看，UE行为不可预知（比如说，UE什么“时候”会开机），对网络而言，请求具有一定的“随机性”（Random）；从微观的角度看，网络又必须对UE行为做一些约束（比如说，UE在哪个“时隙”发送请求），否则系统复杂度会大幅提高。

 

在LTE和NR中，为了在Uu接口发送和接收业务数据（比如说，HTTP请求和HTTP响应），网络需要为UE建立DRB（Data Radio Bearer），承载用户面数据（User Plane Data）。为了建立DRB，网络又需要为UE建立SRB（Signaling Radio Bearer），承载控制面数据（Control Plane Data，RRC消息和NAS消息）。不过，这是高层（应用层）的视角。从底层（PDCP、RLC、MAC、PHY）的角度看，承载数据的逻辑信道（Logical Channel）需要映射到传输信道（Transport Channel）UL-SCH和DL-SCH，再映射到物理信道（Physical Channel）PUSCH和PDSCH —— 不过，UE使用PUSCH和PDSCH，是有前提条件的。

PUSCH和PDSCH都是共享信道（Sharing Channel），在大多数情况下，是动态分配给用户的（半静态调度长时间看也是动态的）。这意味着两件事：一、UE收到下行调度（Schedule）或上行授权（UL Grant），才可以在对应时频资源接收或发送数据；二、NR是多用户系统，网络和UE需要进行用户识别，才不会“张冠李戴”。如果UE处于RRC CONNECTED状态，使用C-RNTI（Cell Radio Network Temporary Identifier）监听PDCCH，从而获得PDSCH的信息。随机接入的作用之一，就是从网络获得UL Grant。同时，如果UE还没有C-RNTI，可以通过随机接入获得（准确的说是TC-RNTI，随后升级为C-RNTI）。

 

打个比方，随机接入（Random Access）就像学生（UE）发言前要先举手，如果老师（基站）没有点到你的名字（Random Access Response），你就别作妖了（这位同学你坐下~）。在后续交互中（RRC CONNECTED），老师用“临时学号”（C-RNTI）指代学生，如果学生还没有“临时学号”，会在点名时获得（但不一定是给你的）。学生没有固定教室（Cell），老师才有（和大学相似），学生每次换老师，会从新的老师获得新的“临时学号” —— “临时学号”（C-RNTI）只在老师（Cell）范围内有效。

 

除了上行授权，随机接入还有另一个作用：上行同步。在LTE和NR中，不同UE在时频上正交多址接入（Orthogonal Multiple Access），同一小区的不同UE上行传输互不干扰。为了保证上行的正交性，同一子帧上，不同UE（使用不同频域资源）发送的信号，到达基站的时间要求“基本对齐”，基站在CP（Cyclic Prefix）范围内接收到UE信号 —— 这需要通过TA（Timing Advance）实现。

 

基站发送的下行信号是对齐的，由于不同UE和基站的距离不同，信号在空中传输的时长不同，信号到达UE的时间也不同（示图中，UE1和UE2分别延迟t1和t2）。如果UE的上行子帧和下行子帧的timing是相同的，不同UE的上行信号到达基站的时间也不同（示图中，UE1和UE2分别延迟t1 x 2和t2 x 2），这就破坏了上行的正交性，需要进行对齐。UE行为无法预测，和谁对齐都不合适，基站说：还是向我看齐吧。

基站的上行子帧和下行子帧的timing是相同的，如果UE提前发送上行信号，消除传输时延的影响，就可以在实现上行信号对齐。这个时间提前量，称为TA，是UE上行子帧相对下行子帧的时间负偏移（Negative Offset）。显然，TA是UE粒度的参数 —— 不同UE和基站的距离不同，TA的取值也不同，UE离基站近一点，TA就小一点，UE离基站远一点，TA就大一点。

 

打个比方，你在西城上班，公司要求8:30~9:00打卡，住东城得7:30出门，住朝阳得7:00出门，住通州得06:30出门。如果在家手机能收到“河北欢迎您”，那大概得换家公司了。TA有一定的取值范围，实际上限制了小区的覆盖半径（通常这不是主要因素，其他因素包括功率、路损、Preamble保护间隔、Ncs等）。在随机接入中，基站需要根据UE的随机接入请求估算TA，这对请求的形式也提出了一些要求。

综上所述，在随机接入前，UE既没有上行授权（UL Grant），也没有上行同步（TA），如果是初始接入（比如说，用户开机），UE连C-RNTI都没有，自然和PUSCH无缘了。UE只能在PRACH发送随机接入，请求指示UL Grant和TA —— 这些信息都包含在基站返回UE的RAR（Random Access Response）中（LTE和NR格式略有不同）。RAR携带的UL Grant和TA，和DCI（Downlink Control Information）携带的UL Grant，或MAC CE（Timing Advance Command MAC Control Element）携带的TA，本质上没什么不同。

 

什么场景会触发随机接入？

 

根据3GPP TS 38.300描述，在NR中，在以下（示图）10种场景中会触发随机接入，白色的7种场景和LTE相同，黄色的3种场景为NR新增的场景，包括：Transition from RRC INACTIVE（从RRC INACTIVE状态返回RRC CONNECTED状态）；Beam failure recovery（波束恢复）；Request for other SI（UE请求其他系统信息）。上述新增场景和NR的新特性对应，包括RRC INACTIVE状态、（模拟）波束管理和on-demand SI（按需请求的SI）。总的来说，随机接入是一个MAC过程，同一时刻，一个MAC实体只有一个随机接入过程。随机接入可能由MAC子层、RRC子层或PDCCH Order触发，在SCell上的随机接入只能由PDCCH Order触发。

在初始接入（Initial access from RRC IDLE）中，UE当然需要随机接入。在UE随机接入前，网络对UE没有感知，UE驻留（Camping）在哪个小区，网络完全不知道。网络只要（也只能）周期性的广播参考信号（SSB），UE就可以完成下行同步（搜索PSS和SSS，解析PBCH和MIB）。所谓“敌在明，我在暗”，UE没必要周期性的发送请求（费电），只在有需求时（比如说，开机）触发随机接入。

RRC重建（RRC Connection Re-establishment procedure）和RRC恢复（Transition from RRC INACTIVE），和初始接入（Initial access from RRC IDLE）相似，UE可能和原来的gNB建立RRC连接，但gNB依然需要指示UL Grant和TA。特别是，UE可能在其他gNB覆盖区域进行RRC重建或RRC恢复，这和初始接入没什么区别 —— UE无法预先知道gNB是否变更。UE构造RRC消息（RRC SETUP REQUEST、RRC REESTABLISHMENT REQUEST、RRC RESUME REQUEST），向下逐层（PDCP、RLC、MAC）封装和发送，MAC实体接收后，由于没有上行资源（也没有上行同步），于是触发随机接入。

 

即使UE已经存在SRB（RRC CONNECTED）和DRB，也可能走投无路 —— 在LTE和NR中，如果UE没有上行数据需要传输，网络没必要为UE分配上行资源，但与此同时，网络也为UE提供请求上行资源的途径。如果UE处于RRC CONNECTED状态，且上行同步，可在PUCCH发送SR（Schedule Request）请求上行资源 —— 当然，用于SR的PUCCH资源也是网络预先配置的。

SR只是告知网络是否有需求（Yes or No），但没有描述需求大小。通常网络会分配足够发送BSR（Buffer Status Report）的资源，UE上报BSR后，网络再分配用于传输数据（Data）的资源（话说回来，UE使用UL Grant的资源发送BSR还是数据，网络又管不着）。如果上行数据到达，UE没有可用于SR的PUCCH资源（UL Data arrival during RRC CONNECTED when there are no PUCCH resources for SR available，基站可以不给SR配置PUCCH资源，让UE只能通过随机接入获取上行授权，但通常不会这么配置），或SR失败次数超过门限（SR failure），UE也会触发随机接入。

 

RRC是Uu控制面的“老大”，如果UE处于RRC CONNECTED状态，网络也可能通过RRC消息指示UE在目标小区（Target Cell）进行随机接入（Request by RRC upon synchronous reconfiguration），比如说，在Handover或SN Addition流程中，基站发送的RRC重配（RRC reconfiguration with Sync），具体可参考3GPP TS 38.300的9.2.3章节Mobility in RRC_CONNECTED。

除了上行授权，UE也可能为了上行同步触发随机接入。如果上行数据到达，且上行失步，UE的MAC实体触发随机接入，如果下行数据到达，且上行失步，基站通过PDCCH Order指示UE进行随机接入（DL or UL Data arrival during RRC CONNECTED when UL synchronisation status is “non-synchronized”）。

从TA实现机制来看，UE无法主动发现上行失步 —— UE按照指示的TA发送信号，信号在基站有没有对齐，UE怎么知道？实际上，UE只能从基站获知上行同步状态，UE维护一个TA定时器，每次从基站获得新的TA（Timing Advance Command MAC CE），都会重启TA定时器。如果TA定时器在运行，UE视为上行同步，如果TA定时器已超时，UE视为上行失步，此时只能在PRACH进行上行传输。

 

不过，TA定时器还有点小问题，如果定时器取值太小，发送TA的开销就太大，如果定时器取值太大，UE发现上行失步会滞后太多。可见，这是一个有点鸡肋的机制，基站可以通过RRC消息将TA定时器配置为无穷大（infinity），让UE干脆放弃治疗（定时器永远不会超时），通过其他方式恢复上行同步，比如RRC重建（参考春天老师朋友圈分享）。

 

另一个上行同步的场景，是Secondary TAG。如果UE配置了CA（Carrier Aggregation），不同载波单元的（上行）传输时延可能存在较大差异，使用同一个TA不太合理。为了解决这个问题，3GPP在R11引入TAG（Timing Advance Group）的概念 —— 使用同一小区作为定时参考（Timing Reference）的小区，都划入同一个TAG，使用相同的TA，和TAG Specific timer关联。TAG至少包含一个配置上行的小区，基站在添加SCell时将SCell映射到各个TAG。

 

包含PCell的TAG称为Primary TAG，其他TAG称为Secondary TAG。Primary TAG使用PCell作为定时参考，Secondary TAG使用组内任意一个激活的SCell作为定时参考，可参考3GPP TS 38.300的9.2.9章节Timing Advance。如果UE存在Secondary TAG，基站通过PDCCH order触发UE在SCell进行随机接入，获得对应的TA（to establish time alignment for a secondary TAG），具体细节以后再谈。

 

在NR中，除了上行授权和上行同步，还有两个原因会触发随机接入，且都和NR的新特性相关，一个是（模拟）波束管理，另一个是on-demand SI（按需请求的SI）。先说第一个，基站通过UE随机接入的时机（PRACH Occasion），可以获知UE在哪个SSB波束接收最好，在此基础上可进一步优化，提高传送速率。窄波束增益更高，但也容易受环境影响而性能劣化，相对于高层过程（比如由RLF触发RRC重建），波束恢复是开销较小，速度更快的方式。UE可利用随机接入进行波束恢复（相当于波束初始化），关键是如何进行波束检测。

参考3GPP TS 38.300的9.2.8章节Beam failure detection and recovery，UE通过参考信号（SSB或CSI-RS）进行波束检测，如果在定时器超时前，波束失败指示（Beam failure indication）次数达到门限，UE会上报波束失败。对于初始下行BWP，或包含和初始下行BWP关联的SSB的其他BWP，gNB可以配置为通过SSB波束检测，否则只能配置为通过CSI-RS波束检测。UE在PCell随机接入实现波束恢复，如果gNB为某些波束配置了特定的随机接入资源（RACH Preamble），UE优先使用这些资源。随机接入完成后，可视为波束恢复完成。

 

再说on-demand SI。在NR中，为了减少“always-on”信号的开销，只有MIB和SIB1（RMSI）会一直周期性广播，UE获取MIB和SIB1就可以接入小区（相应的，某些重要信息迁移到MIB和SIB1），其他SI（other SI）都不是必需的，UE可以按需请求（on-demand）。MIB和other SI都映射到BCCH，但MIB由BCH传输，other SI由DL-SCH传输。UE可通过SIB1获得other SI的调度信息。

 

参考3GPP TS 38.300的7.3.2章节Scheduling，如果UE处于RRC IDLE或RRC INACTIVE状态，可以通过随机接入请求other SI。SI Request可能包含在MSG1或MSG3中，取决于gNB是否配置请求SI的专用RACH Preamble。gNB响应SI Request后（MSG2或MSG4），会在一段时间内周期性广播UE请求的SI，UE使用SI-RNTI（System Information Radio Network Temporary Identifier）监听PDCCH，从对应的PDSCH获取other SI，具体细节以后再谈。