课程视频前面几个小节我们围绕随机接入信道PRACH本身——它的时域、频域、码域特性以及小区规划中的具体考量——进行了系统而深入的讨论。本节我们将视角从“信道本身的属性”转向“随机接入这一完整过程”来回答一个更贴近实际业务的问题手机发起随机接入究竟是为了达成什么目的在这一过程中又会遇到怎样的问题、如何加以解决随机接入这一过程其目的十分明确手机要向所在小区、向基站发送一个随机接入前导码最终目的是建立起上行方向的同步。在此之前手机已经通过检测SSB完成了下行同步——已经能够接收下行的MIB、SIB1等系统消息掌握了网络所设定的基本参数配置。到了随机接入这一步手机要做的正是依据基站在下行方向告知的这些配置参数转而在上行方向发起接入。除了建立上行同步之外随机接入过程往往还需要解决其固有的“竞争性”问题并最终建立起用户专属的信令通道乃至后续的数据通道DRB。既然随机接入天然带有“随机”的属性那么在设计这一过程时就必须考虑到万一多个用户恰好在同一时刻选择了相同的接入资源会不会产生冲突如果产生冲突又该如何化解这正是本节标题所指的核心内容——竞争性随机接入CBRA与非竞争性随机接入CFRA二者分别对应着“存在冲突可能、需要解决竞争”与“预先分配专属资源、无需解决竞争”这两类不同的应用场景。一、竞争性随机接入CBRA像一场对话竞争性随机接入又称为Contention Based RACBRA是5G网络中绝大多数场景下——尤其是终端初始接入网络时——所采用的主要方式。顾名思义既然是“竞争性”的就意味着这一过程天然包含着解决潜在冲突的机制通过Msg1至Msg4的完整信令交互来完成接入其中Msg4正是整个流程中至关重要的竞争解决阶段。在深入具体的信令细节之前我们可以借助一个生动的比喻来理解这四步交互的本质这个过程就像一场对话——UE先喊一声“喂”Msg1基站回应“我听到了给你个回话的机会”Msg2UE接着说“我是张三我想办业务”Msg3最后基站确认“好的张三业务受理成功”Msg4。图7.3.2.5-1 竞争性随机接入CBRA四步握手流程示意原讲义配图1.1正常情况没有冲突的四步流程步骤对话比喻技术内容Msg1“我来了请准备好”UE从基站广播的可用前导码列表中随机选择一个在指定的时频资源上发送。基站借此判断UE的大致距离用于计算定时提前量Msg2“我听到了给你回话机会”基站收到前导码后广播一个随机接入响应RAR。RAR中包含定时调整指令TA、供Msg3使用的上行资源授权UL Grant以及一个临时身份IDTemporary C-RNTIMsg3“我是张三我想办业务”UE利用基站分配的资源正式发送RRC连接请求其中包含自己的身份信息与接入原因这是UE第一次向网络发送高层信令Msg4“好的张三业务受理成功”基站确认收到Msg3后广播一条包含该UE身份标识的竞争解决消息确认接入成功从信道架构的角度看还有一个值得强调的细节PRACH本身属于物理信道若去掉字母“P”RACH则属于传输信道位于MAC层。Msg1、Msg2这两条消息实际上都还停留在物理层与MAC层的范畴——Msg2虽然也是通过物理信道PDSCH承载但其内容属于MAC层消息而非RRC层三消息。这也是为什么在查看信令跟踪时如果只打开层三RRC消息列表是看不到Msg1、Msg2这两条消息的必须展开MAC层的消息记录才能看到随机接入相关的调度信息与RAR内容。1.2冲突情况两个UE同时选中相同前导码上面所描述的是没有发生冲突的理想情形。现实中确实存在这样一种可能两个UEUE1与UE2恰好在同一时频资源上随机选择了相同的前导码。此时基站由于无法从物理层信号本身区分出这是两个不同用户发出的信号甚至可能被误判为同一信号的多径分量大概率只能当作收到了一个信号来处理并依据这唯一的“前导码时频位置”信息计算出对应的RA-RNTI同时向两个UE广播同一份RAR。由于RAR完全相同UE1与UE2都会认为自己收到了正确的响应进而都会依据RAR中给出的上行授权信息在完全相同的上行时频资源上发送各自的Msg3。二者在Msg3中所携带的用户身份标识数十位的随机值Random Value或此前已保存的TMSI几乎不可能相同——这正是区分两个用户的关键所在。但由于两路Msg3信号在同一资源上叠加传输彼此之间会产生严重的相互干扰。在信号强度不对等的情况下基站通常能够以较大概率正确解调出信号更强的那一路Msg3信号较弱的一路则被视为干扰并将该Msg3中所携带的用户身份标识写入即将回复的Msg4竞争解决消息当中。此时两个UE都在等待Msg4但只有身份标识与自己一致的那个UE例如成功解出的UE1才能确认接入成功另一个UEUE2在收到Msg4后比对发现其中的身份标识并非自己发送的那个便会判定本次接入失败进而发起新一轮的随机接入尝试。这正是CBRA机制“解决竞争”的完整体现——通过Msg3中携带的用户唯一标识结合Msg4的确认反馈最终从多个冲突的候选者中甄别出真正应当接入成功的那一个。二、非竞争性随机接入CFRA无需竞争的专属通道与竞争性随机接入相对应的是非竞争性随机接入又称为Contention Free RACFRA。既然名为“随机接入”为何又会是“非竞争性”的呢答案在于CFRA同样需要完成上行同步、建立RRC连接这些基本目标但由于其应用场景的特殊性从一开始就不存在多个用户争抢同一资源的可能因此不再需要Msg3/Msg4那样的竞争解决环节。CFRA之所以能够做到“无竞争”根本原因在于它利用网络提前分配好的专用Preamble序列来发起接入从而无需经历随机竞争过程大幅简化了信令交互流程、降低了接入时延。这与我们此前在小区规划一节中提到的“一个小区64个前导码中大部分划归竞争性使用CBRA少量预留给非竞争性使用CFRA”这一资源划分方式相互印证——例如64个前导码中约50个用于CBRA剩余约14个预留给CFRA使用具体数量因小区配置而异。CFRA最典型的应用场景是小区间切换Handover。手机在切换过程中与源小区始终保持着连接态的双向同步关系无论上行还是下行只是尚未接入目标小区。既然网络对这个即将接入的目标小区、以及即将发起接入的这个具体用户都已经了如指掌那么完全可以由网络提前指定该用户在目标小区应当使用哪一个专属前导码而不需要让用户自己去随机选择。2.1CFRA在切换场景中的具体流程以一次典型的小区间切换为例完整流程大致如下手机UE原本与源小区Cell 1保持着正常的双向通信随着UE的移动其与Cell 1的信号逐渐减弱与目标小区Cell 2的信号逐渐增强触发了测量上报Measurement ReportMR——UE依据基站要求完成信号测量后将测量报告经由上行发送给源小区。源小区依据测量报告的结果判断应当将UE切换至Cell 2并向Cell 2查询应当为这个即将切入的UE分配哪一个专用前导码。得到Cell 2给出的具体前导码分配结果后源小区通过一条RRCReconfigurationRRC重配置消息发送给UE其中携带了包括这个专属前导码在内的一系列切换参数。UE收到这条重配置消息后依据其中指定的专属前导码在目标小区Cell 2上发起随机接入作为该流程的Step 1。由于这个前导码是Cell 2专门为该UE分配的、不会分配给其他任何用户Cell 2一旦捕获到这个前导码就能够立即确定发起接入的正是这个即将切入的用户无需经历任何竞争判断。后续流程与CBRA的Msg1/Msg2部分基本一致Cell 2依据接收到的前导码计算出对应的RA-RNTI通过PDCCH调度并下发Msg2RARUE成功检测并解调出Msg2后即完成了与目标小区之间的上行同步——由于前导码本身具有唯一性不可能有第二个用户使用相同的前导码因此流程到这里就已经结束不再需要Msg3、Msg4这样的竞争解决步骤。最后UE会向Cell 2发送一条RRCReconfigurationCompleteRRC重配置完成消息告知网络整个切换及随机接入过程已经顺利完成。这便是非竞争性随机接入在切换场景中的典型应用全貌。图7.3.2.5-2 2步随机接入2-step RA流程示意原讲义配图2.2CFRA的其他应用场景除切换场景外3GPP规范中还定义了其他一些使用CFRA的场景。例如在载波聚合Carrier Aggregation中由于同时涉及多个载波、多个小区UE需要同时接入多个小区在进行辅小区SCell添加时同样需要发起随机接入——由于网络对这一场景同样具备预先分配专属前导码的条件因此这类场景下的随机接入也属于非竞争性的CFRA。三、CBRA与CFRA的对比总结对比维度CBRA竞争性CFRA非竞争性全称Contention Based RAContention Free RA前导码来源UE从公共资源池中随机选择网络提前分配专属前导码信令步骤完整的Msg1~Msg4四步流程仅需Msg1专属前导码 Msg2RAR无需竞争解决典型场景终端初始接入网络开机、空闲态发起业务等小区间切换、载波聚合辅小区添加、连接快速重建等对时延和成功率要求高的场景接入时延相对较长需完整走完四步且可能因冲突而重试显著更短跳过竞争解决环节四、延伸内容2步随机接入2-step RA除CBRA的4步流程与CFRA的简化流程外3GPP也定义了基于竞争的2步随机接入流程2-step RA不过目前实际网络中使用得还比较少。其提出的主要目的是为了满足移动通信对更低时延、更高可靠性日益迫切的需求——随机接入作为终端入网的“第一公里”其效率直接决定了连接建立的速度因此也成为标准演进中的重点优化方向。2步随机接入的核心思路是将传统四步接入流程中的Msg1与Msg3合并为一条消息称为MsgA将Msg2与Msg4合并为一条消息称为MsgB从而把原本四次的信令交互精简为两次极大缩短了接入所需的时间。这一技术突破能够更好地适配诸如URLLC超可靠低时延通信、工业自动化以及远程医疗等对时延极为敏感的关键业务场景。知识拓展为什么初始接入必须以CBRA为主、CFRA只能是补充CFRA虽然效率更高、时延更低但它有一个无法回避的前提条件网络必须已经明确知道要为哪一个具体用户分配专属前导码。这一前提在切换、载波聚合等场景下是天然成立的——因为此时UE已经处于连接态网络对其身份、位置、即将接入的目标小区都了如指掌。但在终端最初始的接入场景下例如手机刚刚开机网络对这个即将出现的用户一无所知自然也就无法提前为其分配任何专属资源只能依靠CBRA这种“先到先随机选、后续再甄别身份”的机制来完成接入。这正是CBRA必须作为初始接入主要方式、而CFRA只能作为特定场景补充手段的根本原因。五、本节小结本节围绕随机接入过程中的竞争性问题展开系统讲解了竞争性随机接入CBRA与非竞争性随机接入CFRA这两种不同的接入方式。CBRA通过Msg1至Msg4的四步握手流程完成接入我们借助“对话”这一生动比喻结合正常情形与冲突情形两种场景详细剖析了每一步的具体作用特别是Msg3中携带的用户唯一身份标识与Msg4竞争解决消息之间如何相互配合最终从潜在的冲突用户中甄别出真正接入成功的一方。CFRA则依靠网络预先分配的专属前导码跳过竞争解决环节主要应用于小区间切换、载波聚合辅小区添加等对时延和成功率要求较高的场景我们结合切换流程的完整案例做了详细说明。此外本节还简要介绍了旨在进一步压缩接入时延的2步随机接入2-step RA技术演进方向。至此我们已经从PRACH信道本身的属性一路讲解到随机接入完整业务过程中CBRA与CFRA两种典型模式。下一小节“7.3.3 初始化接入完整过程-RRCSetup”我们将把视角进一步扩展到整个初始化接入的完整流程系统梳理RRCSetup这一过程中Msg2、Msg3、Msg4各个环节更为详尽的信令细节。