第3章 5G NR 基础参数及接入设计
3.2 接入设计
3.2.3 下行同步信道及信号
3.2.4 随机接入
随机接入过程用于获得上行同步，完成随机接入过程之后，终端就可以与基站进行上行通信。与 LTE 类似，NR 支持基于竞争的随机接入及基于非竞争的随机接入。为了更好地支持波束扫描，NR 对随机接入资源的映射方式进行了大幅度的修改，同时引入了多种新的随机接入信道格式。随机接入过程在 8.2.1 节第 6 部分有详细介绍，本节重点聚焦 NR 的随机接入信道 PRACH 的结构以及资源配置方式。
- 随机接入信道序列
与 LTE 一样，NR 随机接入信道的前导（preamble）由 ZC（Zadoff-Chu）序列的循环移位产生。一个随机接入时机（RO，RACH Occasion）包含 64 个前导，其中 RO 为某个 RACH 格式所占用的时、频资源。随机接入前导序列的生成公式为
其中，LRA 为前导序列的长度（839 或 139），u 为 ZC 序列的根序列的物理索引，Cv 为前导 v 对应的循环移位。循环移位的产生分为三种情况：① 无循环移位限制（Unrestrictedset）；② 基于循环移位限制集 A（Restricted set type A）；③ 基于循环移位限制集 B（Restricted set type B）。在没有循环移位限制的情况下，Cv 的产生方式为
其中，NCS 为循环移位步长，v 为一条根序列通过循环移位产生的前导的序号。NCS 的取值通过 SIB1 中的信令通知。循环移位限制集 A、B，以及没有循环移位限制情况下 NCS取值范围参见文献[4]。当根序列 u（逻辑索引为 i）产生的前导的数量小于 64 的时候，自动选择根序列 u′（逻辑索引为 i+1），基于上述方式继续产生前导，直到前导的数量达到 64 为止。一个小区使用的第 1 条根序列的逻辑索引通过 SIB1 中的信令通知，基站和终端基于逻辑索引和物理索引的映射关系找到序列的物理索引，产生相应的 ZC 序列。逻辑索引 i 和物理索引 u 的映射关系与 LTE 完全相同，可参见文献[4]。
循环移位限制集用于在高速场景下保证 RACH 的接收性能，即防止频偏造成序列相关峰的能量泄漏对 RACH 接收性能产生影响。如图 3.17 所示，在高速场景下，v = i+2的循环移位窗内的主相关峰的能量将泄漏到 v = i 和 v = i +k 两个循环移位窗内，因此 v = i和 v = i + k 两个循环移位将不能用于产生前导。循环移位限制集 A 和限制集 B 分别用于高速和超高速两种情况，一般工程上以120km/h 为分界线。基于循环移位限制集 A 和限
制集 B 计算可用循环移位 Cv 的公式可参见文献[4]。
- 随机接入信道格式
随机接入信道的基本结构如图 3.18 所示，即一个 CP 加上重复若干次的前导序列，这种结构有利于在频域上检测 PRACH 前导，从而降低接收机的复杂度。NR 支持长、短两大类随机接入信道，它们使用的序列长度分别为 839 和 139。具体如表 3.9 所示，第一类随机信道包含 4 种格式（Format），其中每种格式支持的小区覆盖是基于 CP 长度（TCP），考虑往返最大传播延迟、信道的多径时延扩展（Path profile）及光速（c）计算出来的，如下式：
格式 0/1 与 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 序列重复了 4 次，可以累积更多的能量，从而可以对抗普通覆盖下的穿透损耗。格式 3 使用 5kHz 的子载波，序列重复 4 次，用于高速场景。
第一类随机信道仅用于小于 6GHz（FR1），且可以根据应用场景选择无循环移位限制，使用循环移位限制集 A 或者使用循环移位限制集 B。
第二类随机接入信道有 9 种格式，每种格式的参数配置如表 3.10 所示。第二类随机接入信道小区覆盖的计算方式与第一类随机接入信道相同，并可以用于小于 6GHz（FR1）和大于 6GHz，且小于52.6GHz（FR2）。其中，在 FR1 支持 15kHz 和 30kHz 两种子载波间隔，在 FR2 可以使用 60kHz 和 120kHz 两种子载波间隔。另外，由于第二类随机接入信道支持比较大的子载波间隔，可以很好地支持高速场景，因此不需要使用循环移位限制。
格式 Ax(x = 1, 2, 3)和格式 Bx(x = 1, 2, 3, 4)的区别在于格式 Bx 自已带有保护间隔GP，而格式 Ax 不带 GP。具体看，每一种格式在 PRACH 时隙中占用 N 个 OFDM 符号（N 的取值参见表 3.10 第 4 列前面的数字。比如，对于 2×2048 κ·2−μ ，N=2）。对于格式 Ax，N 个 OFDM 符号的 CP 长度之和作为 PRACH 的 CP，PRACH 序列重复 N 次，占用 N 个不带 CP 的 OFDM 符号（如图 3.17 所示）。对于格式 Bx，N 个 OFDM 符号的 CP长度之和等于 PRACH 的 CP 长度加 GP 长度，同样 PRACH 序列重复 N 次，占用 N 个不
带 CP 的 OFDM 符号（如图 3.19 所示）。由于格式 Ax 的 CP 比格式 Bx 长，因此支持的小区覆盖比后者大。不过，由于格式 Ax 没有自带 GP，因此，需要占用 RO 后面的 OFDM符号作为保护间隔，不能充分利用 PRACH 时隙（如图 3.19 所示）。值得注意的是，PRACH时隙与帧结构中描述的时隙相同，由 14 个 OFDM 符号组成，PRACH 的子载波间隔与系统消息中给出的上行子载波间隔相同。
格式 C0 设计的目标场景是室外视距传播场景，相比室内需要更长的 PRACH CP 和GP。格式 C2 相比 C0 支持的覆盖距离更大，以便满足类似FWA（Fixed Wireless Access）场景。在这类场景下，主要使用子载波间隔 120kHz 的固定无线接入产品来满足最后 1km的覆盖需求。
第二类随机接入信道采用每一个 RO 都与数据的 OFDM 符号的边界对齐的设计。这种设计的好处是允许随机接入信道和数据信道使用相同的接收机，从而降低系统设计的复杂度。
参考文献
[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.