从何1G到 4G， 技术上的每次更迭都是以物理层新的多址技术为标志。从频分多址（FDMA），时分多址（TDMA），到码分多址（CDMA），再到正交频分多址（OFDMA），每一代的通信技术在频谱效率、用户速率以及系统容量等方面都有数量级的增长。

与前几代通信系统相比较而言，5G 进一步拓展了应用场景，让万物互联从愿景变成现实。非正交多址（NOMA）一度被    为是   5G   的代表技术之一，其中下行非正交多址的应用主要是增强移动宽带（eMBB)场景，追求系统频谱效率的提升，该标准化工作巳于   LTE  R14 阶段完成。上行非正交多址的应用则更为广泛，设计目标为提升频谱效率，支持海量接入，    并能支持免调度的接入来降低终端和网络的功耗。2017年 3月 3GPPR15对上行非正交多址的研究工作正式立项^[1]，并在2018年 12月完成了相关的研究报告^[2]。

5G除了在频率利用率方面进行挖掘以外，更重要的目标是在接入和传输效率、功耗、灵活性等方面的全面提升，随机接入的增强就是其中的关键技术之一。2018年12月，3GPP R15对2步随机接入（2-StepRACH）正式立项^[3]，针对基于兄争的随机接入，在信道结构和接入流程等方面做了增强设计，并于 2020年 6月完成了相关的标准化工作。

2.1.1    基本原理及应用场景

 

传统的基千竞争的随机接入至少需要 4个步骤，称为 4步随机接入（4-StepRACH）^[4]。 

4步 RACH包含两次基站和终端用户间的信息交互。其中在第一次交互中，用户在PRACH 上发起上行的随机接入请求（Msg1），包含一个前导序列，基站根据接收到的前导序列计算出用户的定时偏差并通过下行信道反馈随机接入响应（Msg2）给用户，包含下一次交互的同步和调度信息等。接下来在第二次交互中，用户将包含用户   ID或来自核心网的用户标志的 Msg3信息根据调度所指示的定时提前、资源分配、功控等信息进行调整并发送给基站，最终基站正确接收之后通过该 ID加扰的 Msg4反馈给用户。如果加扰 ID与用户 ID相匹配，且 Msg4的 DL-SCH上传输的竞争解决IDMACControlElement与 Msg3中传输的 CCCHSDU匹配，则完成随机过程，达到上行同步并进入 RRC连接态，在后续的数据传输中使用此 ID作为该用户在小区内唯一的网络标识（C-RNTI）。

4步 RACH的流程能够保证接入的可靠性较高，但是由千其要求用户和基站之间进行两次交互，因此在接入效率方面并不是一种最优的方式。例如，在小区覆盖半径较小的情况下，特别是对千高频段或者非授权频谱的场景，用户和基站的距离较近，一般来说往返的传输时延（RTT）不会超过一个循环前缀（CP）的长度。例如，在比较典型的 500m站间距（ISD）条件下，最大的 RTT为 1.92µs，分别小千 15kHz和 30kHz子载波间隔对应的 CP长度 4.7µs和 2.4µs。在这种情况下，即使不做定时提前，Msg3的传输也可以被认为是同步的，不会产生符号间千扰，因此可以省去第一步的交互。再比如在某些 RTT特别大的场景，例如，低轨卫星通信，卫星的轨道高度范围为300~1500km，如果需要两次交互，仅仅传输的时延就高达 2~10ms，如果能够节省一次交互，接入时延将降低一半，可以极大地改善用户体验。其他的典型场景还包括 NR在非授权频谱的应用（NR-U，见第 9章）， NR-U中由千频谱资源与其他系统（如不同运营商的 NR-U系统，或者  Wi-Fi系统）共享，因此每次传输之前都需要进行一个先侦听后传输（LBT）的过程，如果 LBT失败则不能进行数据传输。显然在接入的过程中交互的次数越少，需要的 LBT次数也会相应降低，那么整个随机接入成功的概率就会大大增加。

基千以上考虑，3GPP在 R16阶段进行了随机接入的增强，即 2步随机接入。基本思路如图 2-1所示，通过将原本 4步 RACH中的两个上行信道 Msg1和 Msg3合并为新的MsgA，以及将两个下行信道 Msg2和 Msg4合并为新的 MsgB，整个RACH过程简化为只需要两步就可以完成。2步 RACH可以显著地降低随机接入过程中的时延、信令开销以及功耗，但同时也会引入一些额外的问题，比如原本Msg3承载的用户接入所需的控制信息，其 PUSCH资源是基千基站下发的 Msg2调度的，因此选择不同前导资源的用户可以被分配到正交的 PUSCH资源上进行 Msg3的传输。而对千 2步 RACH来说，在传输MsgA之前是没有基站调度信息的，所以整个 MsgA传输都是基千竞争的，包括承载前导信息的 MsgA   PRACH和承载控制信息的 MsgA   PUSCH。对千上述问题，主要有两种思路，一种是通过资源换取效率，即在预分配 MsgA资源的时候，不同的前导序列会映射到不同的 PUSCH资源，这样可以保证选择不同前导的用户其 PUSCH的传输是正交的。另一种则是允许用户采用非正交的方式复用，类似非正交多址（NOMA）的概念，通过发射端的一些低码率处理，以及在接收端采用迭代千扰消除技术，在不增加资源开销的情况下也能保证传输性能。关千NOMA的更多介绍见 2.2节。

图2-1   基千竞争的随机接入过程