第16章　初始接入

在 NR 中，初始接入功能包括： • 设备在进入系统覆盖区域时最初找到小区的功能和过程。 • 处于空闲/非活动状态的设备访问网络的功能和程序，通常是请求建立连接，通常称为随机访问。 在相当大的程度上，类似的功能也用于其他情况。 例如，当设备在网络覆盖区域内移动时，用于最初寻找小区的基本网络信号也可用于寻找新小区。 此外，当接入新小区时，可以使用与初始接入相同的基本随机接入过程。 随机接入过程也可以由处于连接状态的设备使用，例如，请求用于上行链路传输的资源或重新建立上行链路同步。 在本章中，详细描述了小区搜索、系统信息传递和随机接入。

16.1　小区搜索

小区搜索涵盖了设备查找新小区的功能和过程。 当设备最初进入系统的覆盖区域时执行小区搜索。 为了实现移动性，当设备连接到网络时以及处于空闲/非活动状态时，系统内移动的设备也会持续执行小区搜索。 在这里，我们将描述基于所谓的 SS 块的小区搜索，它用于初始小区搜索以及空闲/非活动状态移动性。 基于 SS 块的小区搜索也可以用于连接状态移动性，尽管在那种情况下小区搜索也可以基于为设备显式配置的 CSI-RS。

16.1.1　SSB

为了使设备在进入系统时能够找到一个小区，以及在系统内移动时能够找到新的小区，同步信号由两部分组成，主同步信号（PSS）和辅助同步信号（SSS），是 从每个 NR 小区在下行链路上定期传输。 PSS/SSS 与物理广播信道 (PBCH) 一起被称为同步信号块或 SS 块。1 SS 块用于类似的目的，并且在许多方面具有与 PSS/ LTE 的 SSS/PBCH [28].2 然而，LTE PSS/SSS/PBCH 与 NR SS 块之间存在一些重要差异。 至少部分地，这些差异的起源可以追溯到一些特定于 NR 的要求和特性，包括旨在减少“始终在线”信号量的目标（如第 5.2 节所述），以及在初始接入期间进行波束成形的可能性 . 与所有 NR 下行链路传输一样，SS 块传输基于 OFDM。 换句话说，SS 块在第 7.3 节讨论的基本 OFDM 网格内的一组时间/频率资源（资源元素）上传输。

图 16.1 说明了单个 SS 块传输的时间/频率结构。 可以看出，SS 块在时域中跨越四个 OFDM 符号，在频域中跨越 240 个子载波。

• PSS 在SS 块的第一个OFDM 符号中传输，在频域中占用127 个子载波。 其余副载波为空。
• SSS 在SS 块的第三个OFDM 符号中传输，并占用与PSS 相同的子载波集。 SSS 的每一侧有八个和九个空副载波。
• PBCH 在SS 块的第二个和第四个OFDM 符号内传输。 此外，PBCH传输在SSS的每一侧也使用了48个子载波。 因此，每个 SS 块用于 PBCH 传输的资源元素总数等于 576。

请注意，这包括 PBCH 本身的资源元素，以及 PBCH 相干解调所需的解调参考信号 (DMRS) 的资源元素。 不同的参数集可用于 SS 块传输。 然而，为了限制设备同时搜索不同参数集的 SS 块的需要，在许多情况下，只为给定频带定义了一个 SS 块参数集。

表 16.1 列出了适用于 SS 块传输的不同参数集以及相应的 SS 块带宽和持续时间，以及每个特定参数集适用的频率范围。3 请注意，60 kHz 参数集不能用于 SS 块传输，无论 的频率范围。 相比之下，240 kHz 参数集可用于 SS 块传输，但目前不支持其他下行链路传输。 支持 240 kHz SS 块参数集的原因是为每个 SS 块启用非常短的持续时间。 这与波束扫描具有相应大量时分复用 SS 块的许多波束的情况有关（请参阅第 16.1.4 节中的更多详细信息）。

16.1.2　SSB的频域位置

在LTE中，PSS和SSS总是位于载波的中心。 因此，一旦LTE设备找到PSS/SSS，即找到载波，它固有地知道找到的载波的中心频率。 这种方法的缺点，即始终将 PSS/SSS 定位在载波的中心，是没有频域载波位置先验知识的设备必须在所有可能的载波位置搜索 PSS/SSS（ “载体栅格”）。 为了允许更快的小区搜索，NR 采用了不同的方法。 并非总是位于载波的中心，这意味着可能的 SS 块位置与载波光栅重合，而是在每个频带内，SS 块的可能位置的集合更为有限，称为“ 同步光栅”。 设备因此不需要在载波栅格的每个位置搜索SS块，而是只需要在较稀疏的同步栅格上搜索SS块。 由于载波仍然可以位于更密集的载波栅格上的任意位置，因此 SS 块可能不会最终位于载波的中心。 SS 块甚至可能最终不会与资源块网格对齐。 因此，一旦找到 SS 块，就必须明确通知设备关于载波内 SS 块的确切频域位置。 这是通过部分在 SS 块本身中的信息来完成的，更具体地说，是 PBCH 携带的信息（第 16.1.5.3 节），部分是在剩余的广播系统信息中（进一步参见第 6.1.6 节）。

16.1.3　SSB的周期

SS 块以从 5 毫秒到 160 毫秒不等的周期周期性地传输。 然而，进行初始小区搜索的设备，以及处于非活动/空闲状态的设备进行小区搜索移动性，可以假设 SS 块至少每 20 毫秒重复一次。 这允许在频域中搜索 SS 块的设备知道它必须在每个频率上停留多长时间，然后才能断定不存在 PSS/SSS 并且它应该移动到同步光栅内的下一个频率。 20 ms 的 SS 块周期是 LTE PSS/SSS 传输的相应 5 ms 周期的四倍。 选择较长的 SS 块周期以允许增强的 NR 网络能量性能，并且通常遵循第 5.2 节中描述的超精简设计范例。 较长 SS 阻塞周期的缺点是设备必须在每个频率上停留较长时间才能断定该频率上没有 PSS/SSS。 然而，这可以通过上面讨论的稀疏同步光栅进行补偿，这减少了设备必须在其上搜索 SS 块的频域位置的数量。 尽管进行初始小区搜索的设备可以假定 SS 块至少每 20 毫秒重复一次，但在某些情况下可能有理由使用更短或更长的 SS 块周期：

• 更短的 SS 块周期可能 用于在连接模式下更快地搜索设备的小区。
• 可以使用更长的SS 块周期来进一步增强网络能量性能。 进行初始访问的设备可能找不到 SS 块周期大于 20 ms 的载波。 然而，这样的载波仍然可以被处于连接模式的设备使用，例如，作为载波聚合场景中的辅助载波。

应该注意的是，甚至可以在没有任何 SS 块的情况下部署辅助载波。

16.1.4　SS突发集：时域上多个SSB

SS 块和 LTE 相应信号之间的一个关键区别是可以对 SS 块传输应用波束扫描，即可以以时分复用方式在不同波束中传输 SS 块（见图 16.2） ).

波束扫描内的 SS 块集称为 SS 突发集。4 请注意，上一节中讨论的 SS 块周期是特定波束内 SS 块传输之间的时间，即 实际上是 SS 突发集的周期性。 这是有道理的，因为位于某个下行链路波束中的设备可能只能“看到”单个 SS 块，而不知道从小区传输的任何其他 SS 块。 通过对 SS 块应用波束成形，增加了单个 SS 块传输的覆盖范围。 用于 SS 块传输的波束扫描还支持接收方波束扫描以接收上行链路随机接入传输以及用于随机接入响应的下行链路波束成形（请参阅第 16.2.1.5 节中的更多详细信息）。 尽管 SS 突发集的周期是灵活的，最小周期为 5 ms，最大周期为 160 ms，但每个 SS 突发集始终限制在 5 ms 的时间间隔内，无论是在 10 ms 的前半部分还是后半部分 框架。

SS 突发集内的 SS 块的最大数量对于不同的频带是不同的。

• 对于低于 3 GHz 的频段，一个 SS 突发集内最多可以有四个 SS 块，从而使 SS 块波束扫描最多可达四个波束；
• 对于 3 GHz 和 6 GHz 之间的频段，SS 突发集内最多可以有八个 SS 块，从而可以对多达八个波束进行波束扫描；
• 对于更高频段(FR2)，一个SS 突发集内最多可以有64 个SS 块，从而可以对多达64 个波束进行波束扫描。

对于较高频段，SS 突发组中 SS 块的最大数量以及 SS 块可以扫过的波束的最大数量之所以更大，有两个原因。

• 使用具有更窄波束宽度的大量波束通常与更高频率更相关；
• 由于 SS 块的持续时间取决于 SS 块参数集（见表 16.1），SS 突发集内的大量 SS 块意味着较低频率的非常大的 SS 块开销，对于较低的 SS 块参数集（ 必须使用 15 或 30 kHz）。 时域中可能的 SS 块位置集在不同的 SS 块参数集之间有所不同。
  

例如，图 16.3 说明了 15 kHz 参数集情况下 SS 突发集周期内可能的 SS 块位置。 可以看出，前四个时隙中的任何一个都可能有 SS 块传输。5 此外，每个时隙中最多可以有两个 SS 块传输，第一个可能的 SS 块位置对应于符号 二到符号五和第二个可能的 SS 块位置对应于符号八到符号十一。最后，请注意时隙的第一个和最后两个 OFDM 符号未被 SS 块传输占用。 这允许这些 OFDM 符号分别用于已连接到网络的设备的下行链路和上行链路控制信令。 所有 SS 块参数集也是如此。 应该注意的是，图 16.3 中概述的 SS 块位置是可能的 SS 块位置，即，SS 块不一定在图 16.3 中概述的所有位置中传输。 可以有任何东西，从一个单一的 SS 块传输到一个 SS 突发集内的最大 SS 块数，这取决于 SS 块将被波束扫描的波束数量。 此外，如果传输的 SS 块少于最大数量，则传输的 SS 块不必在连续的 SS 块位置中传输。 相反，图 16.3 中概述的可能的 SS 块位置集的任何子集都可以用于实际的 SS 块传输。 在 SS 突发集内有四个 SS 块的情况下，这些可以例如作为两个 SS 块位于前两个时隙的每一个内，或者作为一个 SS 块位于图 16.3 的四个时隙的每一个内。 SS 块的 PSS 和 SSS 仅取决于物理小区标识（见下文）。 因此，小区内所有 SS 块的 PSS 和 SS 是相同的，并且设备不能使用它来确定所获取的 SS 块在可能的 SS 块位置集合中的相对位置。 出于这个原因，每个 SS 块，更具体地说，PBCH，包括一个“时间索引”，它明确地提供了 SS 块在可能的 SS 块位置序列中的相对位置（请参阅第 16.1.5.3 节中的更多详细信息）。 了解 SS 块的相对位置很重要，原因如下： • 它使设备可以确定帧时序（参见第 16.1.5.3 节）。 • 可以将不同的SS 块（实际上是不同的波束）与不同的RACH 时机相关联。 这反过来又是在随机访问接收期间使用网络侧波束成形的先决条件（请参阅第 16.2 节中的更多详细信息）。

16.1.5　PSS、SSS和PBCH的详细说明

上面我们已经描述了SS块的整体结构以及它是如何由三部分组成的：PSS、SSS和PBCH。 我们还描述了时域中的多个 SS 块如何构成一个 SS 突发集以及一个 SS 块如何映射到某些 OFDM 符号。 在本节中，我们将描述不同 SS 块组件的详细结构。

16.1.5.1 主同步序列 (PSS)

PSS 是进入系统的设备将搜索的第一个信号。 在那个阶段，设备不知道系统时序。 此外，即使设备在给定的载频上搜索小区，由于设备内部频率参考的不准确，设备和网络载频之间可能存在相对较大的偏差。 尽管存在这些不确定性，PSS 仍被设计为可检测的。 一旦设备找到 PSS，它就会找到与 PSS 周期同步的同步。 然后它还可以使用来自网络的传输作为其内部频率生成的参考，从而在很大程度上消除设备和网络之间的任何频率偏差。 如上所述，PSS 扩展超过 127 个资源元素，PSS 序列 x f g n 5 xnð Þ 0 ； xnð 1 ; . . . ; xnð Þ 126 被映射（见图 16.4）。

存在三个不同的 PSS 序列 f g x0 、 f g x1 和 f g x2 ，导出为基本长度为 127 M 序列的不同循环移位 sequence {Xn} = xn(0), x(1), … ,x(126) 根据递归公式生成（见图16.5）：

通过对基本M序列x (n) 进行不同的循环移位，三个不同的PSS 序列 x0(n) 、x1(n) 和 x2(n)可以根据以下公式生成：

在某个小区中使用三个PSS序列中的哪一个由该小区的物理小区身份(PCI)决定。 因此，当搜索新小区时，设备必须搜索所有三个 PSS。

16.1.5.2 辅助同步序列 (SSS)

一旦设备检测到 PSS，它就会知道 SSS 的传输时间。 通过检测SSS，设备可以确定检测到的小区的PCI。 有 1008 个不同的 PCI。 然而，根据 PSS 检测，设备已经将候选 PCI 集合减少了 3 倍。因此有 336 个不同的 SSS，与已经检测到的 PSS 一起提供了完整的 PCI。 请注意，由于设备已知 SSS 的时序，因此与 PSS 相比，每个序列的搜索复杂度降低，从而支持更多数量的 SSS 序列。 SSS 的基本结构与 PSS（图 16.4）相同，即 SSS 由 127 个应用 SSS 序列的子载波组成。 在更详细的层面上，每个 SSS 都是从根据递归公式生成的两个基本 Msequences 派生的

然后通过将两个 M 序列加在一起导出实际的 SSS 序列，并对两个序列应用不同的移位。

16.1.5.3 PBCH

PSS 和 SSS 是具有特定结构的物理信号，而 PBCH 是更传统的物理信道，在其上传输显式信道编码信息。 PBCH 承载主信息块 (MIB)，其中包含设备需要的少量信息，以便能够获取网络广播的其余系统信息。表 16.2 列出了 PBCH 中承载的信息。 请注意，根据运营商是在较低频段 (FR1) 还是较高频段 (FR2) 运行，信息会略有不同。 如前所述，SS 块时间索引标识 SS 块在 SS 突发集中的位置。 如第 16.1.4 节所述，每个 SS 块在 SS 突发集中都有一个明确定义的位置，依次包含在 5 ms 帧的前半部分或后半部分中。 从 SS 块时间索引，结合半帧位（见下文），设备可以因此确定帧边界。

SS 块时间索引作为两个部分提供给设备：

• 隐式部分编码在应用于 PBCH 的加扰中；
• PBCH 有效载荷中包含的显式部分。

八种不同的加扰模式可用于 PBCH，允许隐式指示多达八种不同的 SS 块时间索引。 这对于低于 6 GHz (FR1) 的操作来说已经足够了，其中一个 SS 突发集中最多可以有 8 个 SS 块。7 对于在更高 NR 频率范围 (FR2) 中的操作，一个 SS 突发中最多可以有 64 个 SS 块 设置，这意味着需要三个额外的位来指示 SS 块时间索引。 这三个比特，因此仅在 10 GHz 以上的操作中需要，作为显式信息包含在 PBCH 有效载荷中。

CellBarred 标志由两个位组成：

• 第一个位，可以看作是实际的CellBarred 标志，指示是否允许设备访问小区。
• 假设不允许设备访问该小区，第二位，也称为同频重选标志，指示是否允许访问相同频率上的其他小区。

如果检测到一个小区被禁止并且不允许访问同一频率上的其他小区，则设备可以并且应该立即在不同的载波频率上重新启动小区搜索。 部署单元然后阻止设备访问它可能看起来很奇怪。 从历史上看，这种功能已用于在维护期间临时阻止对某个单元的访问。 但是，由于设备应通过相应的 LTE 运营商访问网络的非独立 NR 部署的可能性，该功能在 NR 中有额外的用途。 通过在 NSA 部署中为 NR 运营商设置 CellBarred 标志，网络可以防止 NR 设备尝试通过 NR 运营商访问系统。 第一个 PDSCH DMRS 位置指示第一个 DMRS 符号的时域位置，假设 DMRS 映射类型 A（参见第 9.11 节）。 SIB1 参数集提供有关用于传输所谓的 SIB1 的子载波间隔的信息，这是系统信息的一部分（请参阅第 16.1.6 节）。 同样的参数集也用于下行链路消息 2 和消息 4，它们是随机接入过程的一部分（见第 16.2 节）。 尽管 NR 支持四种不同的参数集（15 kHz、30 kHz、60 kHz 和 120 kHz）用于数据传输，但对于给定的频带，只有两种可能的参数集。 因此，一位足以用信号通知 SIB1 参数集。 SIB1 配置提供有关搜索空间、相应的 CORESET 和设备需要监控 SIB1 调度的其他 PDCCH 相关参数的信息。 CRB 网格偏移提供有关 SS 块和公共资源块网格之间的频率偏移的信息。 如第 16.1.2 节所述，SS 块相对于载波的频域位置是灵活的，甚至不必与载波 CRB 网格对齐。 但是，对于 SIB1 接收，设备需要知道 CRB 网格。 因此，必须在 PBCH 内提供有关 SS 块和 CRB 网格之间的频率偏移的信息，以便在 SIB1 接收之前可供设备使用。请注意，CRB 网格偏移仅提供 SS 块和 CRB 网格之间的偏移。 然后在 SIB1 中提供有关 SS 块在整个载波中的绝对位置的信息。 半帧位指示 SS 块是位于 10 ms 帧的第一个还是第二个 5 ms 部分。 如上所述，半帧位与 SS 块时间索引一起允许设备确定单元帧边界。 上述所有信息，包括 CRC，都经过联合信道编码和速率匹配，以适应 SS 块的 PBCH 有效载荷。 尽管上述所有信息都在 PBCH 中承载，并经过联合信道编码和 CRC 保护，但严格来说，有些信息不属于 MIB。 假定 MIB 在 80 ms 时间间隔（八个子帧）内以及对于 SS 突发集内的所有 SS 块都是相同的。 因此，对于 SS 突发集中的不同 SS 块，SS 块时间索引、半帧位和 SFN 的四个最低有效位是在 MIB 之外携带的 PBCH 信息。

16.1.6　剩余系统信息

系统信息是设备在网络中正常运行所需的所有通用（非设备特定）信息的统称。 通常，系统信息承载在不同的系统信息块 (SIB) 中，每个系统信息块由不同类型的系统信息组成。 在 LTE 中，所有系统信息都会在整个小区区域定期广播，使其始终可用，但也意味着即使小区内没有设备也会传输这些信息。 对于 NR，采用了一种不同的方法，其中除了 MIB 中携带的非常有限的信息之外，系统信息被分为两部分。 SIB1，有时也称为剩余最小系统信息 (RMSI)，包含设备在访问系统之前需要知道的系统信息。 SIB1 始终在整个小区区域定期广播。 SIB1 的一项重要任务是提供设备执行初始随机访问所需的信息（参见第 16.2 节）。 SIB1 是通过周期为 160 毫秒的普通调度 PDSCH 传输提供的。 如上所述，PBCH/MIB 提供关于用于 SIB1 传输的参数集以及用于调度 SIB1 的搜索空间和相应 CORESET 的信息。 在该 CORESET 中，设备随后会监控 SIB1 的调度，SIB1 由特殊的系统信息 RNTI (SI-RNTI) 指示。 其余的 SIB（不包括 SIB1）包含设备在访问系统之前不需要知道的系统信息。 这些 SIB 也可以像 SIB1 一样定期广播。 或者，这些 SIB 可以按需传输，即仅在连接设备明确请求时传输。 这意味着网络可以避免在当前没有设备驻留的小区中定期广播这些 SIB，从而提高网络能量性能。

16.2　随机接入

一旦设备找到一个小区，它就可以访问该小区。 这是作为随机访问过程的一部分完成的。

与 LTE 类似，NR 使用由以下步骤组成的四步随机接入程序（另请参见图 16.6）：

• 步骤 1：前导码的设备传输也称为物理随机接入信道 (PRACH)；
• 步骤2：随机访问响应(RAR) 的网络传输，指示接收到前导码并提供时间对齐命令，根据接收到的前导码的定时调整设备的传输定时；
• 步骤3/4：设备和网络交换消息（上行链路“消息3”和随后的下行链路“消息4”），目的是解决由于小区内多个设备同时传输相同前导码而导致的潜在冲突。 如果成功，消息 4 也会将设备转移到连接状态。

一旦随机接入过程完成，设备就处于连接状态，网络设备通信可以继续使用正常的专用传输。 基本随机接入过程也用于 NR 的其他上下文，例如：

• 对于切换，当需要与新小区建立同步时；
• 如果由于太长时间没有来自设备的任何上行链路传输而导致同步丢失，则重新建立与当前小区的上行链路同步；
• 如果没有为设备配置专用的调度请求资源，则请求上行链路调度。

波束恢复过程中也使用了部分基本随机接入过程（见第 12.3 节）。

16.2.1　前导码的发送

如上所述，随机接入前导码也称为物理随机接入信道（PRACH），指示与其他随机接入相关传输相比，前导码对应于特殊物理信道。

16.2.1.1 前导传输的特性

有几个因素会影响前同步码传输的结构。 如第 15.2 节所述，NR 上行链路传输的传输定时通常由网络通过定期提供的时间调整命令（“闭环定时控制”）进行控制。 在前导码传输之前，没有这种闭环定时控制在运行。 相反，设备必须将前导传输定时基于某个下行链路信号的接收定时，实际上是获取的 SS 块的接收定时。 因此，前同步码接收定时的不确定性至少是小区内最大传播延迟的两倍。 对于几百米量级的小区大小，这种不确定性将在几微秒量级。 然而，对于大蜂窝，不确定性可能在 100 μs 甚至更多的数量级。 通常，由基站调度器来确保在可能发生前同步码传输的上行链路资源中没有其他传输。 这样做时，网络需要考虑前导码接收时序的不确定性。 在实践中，调度程序需要提供额外的保护时间来捕捉这种不确定性（见图 16.7）。

请注意，保护时间的存在不是 NR 规范的一部分，而只是调度限制的结果。 因此，可以容易地提供不同的保护时间以匹配前同步码接收定时中的不同不确定性，例如，由于不同的小区大小。 除了缺少闭环定时控制之外，在前导码传输之前的操作中也没有闭环功率控制。 相反，类似于传输定时，设备必须根据某个下行链路信号的接收功率来确定其传输功率，实际上是获取的 SS 块的接收功率。 由于以下几个原因，闭环功率控制的缺乏可能导致接收到的前导码功率具有相对较大的不确定性： • 绝对接收功率的估计本身就是不确定的； • 特别是在下行链路和上行链路在不同频段的FDD 操作的情况下，瞬时上行链路和下行链路路径损耗可能存在显着差异。 最后，虽然正常的上行链路传输通常基于显式调度授权，从而实现无竞争接入，但初始随机接入本质上是基于竞争的，这意味着多个设备可以同时发起前导码传输。 前导码应该最好能够处理这种情况，并在发生这种“冲突”时尽可能多地允许正确的前导码接收。

16.2.1.2 RACH 资源

在小区内，前导码传输可以在每个 RACH 配置周期重复自身的可配置时隙子集（RACH 时隙）内发生（参见图 16.8）。

此外，在这些“RACH 时隙”中，可能存在多个频域 RACH occasions 联合覆盖 K M 个连续资源块，其中 M 是以资源块的数量测量的前导带宽，K 是频域 RACH occasions 的数量。 对于给定的前导码类型，对应于特定的前导码带宽，小区内的总体可用时间/频率RACH资源因此可以描述为：

• 可配置的RACH周期，范围从10ms到160ms；
• RACH 周期内一组可配置的RACH 时隙；
• 由资源中第一个资源块的索引和频域RACH 机会的数量给出的可配置频域RACH 资源。

16.2.1.3 基本前导结构

图 16.9 说明了生成 NR 随机接入前导码的基本结构。 基于长度为L的preamble序列p0生成preamble； p1; . . . ; pL21 在应用于传统 OFDM 调制器之前经过 DFT 预编码。 因此，前导码可以被视为 DFTS-OFDM 信号。 应该注意的是，人们同样可以将前导码视为基于频域序列 P0 的传统 OFDM 信号； P1; . . . ; PL21 是序列 p0 的离散傅立叶变换； p1; . . . ; pL21。 OFDM 调制器的输出然后被重复 N 次，之后插入一个循环前缀。 对于前导码，循环前缀因此不是针对每个OFDM符号插入，而是针对N个重复符号的块仅插入一次。 NR 前导码可以使用不同的前导码序列。 例如，类似于上行链路 SRS，前导序列基于 Zadoff Chu 序列 [25]。 如第 8.3.1 节所述，对于质数长度的 ZC 序列，即用作 NR 前导序列基础的序列的情况，有 L 1 个不同的序列，每个序列对应于唯一的根索引。 不同的根索引对应的不同的Zadoff Chu序列可以生成不同的preamble序列。 然而，也可以从相同根序列的不同循环移位生成不同的前导序列。 如第 8.3.1 节所述，此类序列本质上彼此正交。 然而，仅当两个序列之间的相对循环移位大于它们各自的接收定时中的任何差异时，这种正交性才在接收器侧被保留。 因此，在实践中，只有循环移位的一个子集可用于生成不同的前同步码，其中可用移位的数量取决于最大定时不确定性，而最大定时不确定性又取决于例如小区大小。 对于小小区大小，通常可以使用相对大量的循环移位。 对于较大的小区，通常可以使用较少数量的循环移位。 可在小区内使用的循环移位集由所谓的零相关区参数给出，该参数是 SIB1 内提供的小区随机接入配置的一部分。 实际上，零相关区域参数指向一个表，该表指示小区中可用的循环移位集。 “零相关区”这个名字来源于这样一个事实，即零相关区参数指示的不同表格在循环移位之间具有不同的距离，从而在正交性的定时误差方面提供更大或更小的“区域”（ 5零相关）被保留。

16.2.1.4 长与短前导码

NR定义了两种类型的前导码，分别称为长前导码和短前导码。 顾名思义，这两种前导码类型在前导码序列的长度方面有所不同。 它们在用于前导码传输的参数集（子载波间隔）方面也有所不同。 Preamble的类型是小区随机接入配置的一部分，即在一个小区内只有一种类型的Preamble可以用于初始接入。 长前导码基于序列长度 L 5 839 和 1.25 kHz 或 5 kHz 的子载波间隔。 因此，长前导使用与任何其他 NR 传输不同的参数集。 长前导码部分源自用于 LTE 随机接入的前导码 [28]。 长前导码只能用于 6 GHz (FR1) 以下的频段。

如表 16.3 所示，长前导码有四种不同的格式，其中每种格式对应于特定的参数集（1.25 kHz 或 5 kHz）、特定的重复次数（图 16.9 中的参数 N）和特定的长度 循环前缀。 前导码格式也是小区随机接入配置的一部分，也就是说，每个小区仅限于单一的前导码格式。 可以注意到表 16.3 的前两个格式与 LTE 前导码格式 0 和 2 [14] 相同。 在上一节中，描述了整个 RACH 资源如何分别由时域和频域中的一组时隙和资源块组成。 对于使用不同于其他 NR 传输的参数集的长前导码，应该从 15 kHz 参数集的角度来看时隙和资源块。 在长前导码的上下文中，时隙的长度为 1 ms，而资源块的带宽为 180 kHz。 因此，具有 1.25 kHz 参数集的长前导码在频域中占用六个资源块，而具有 5 kHz 参数集的前导码占用 24 个资源块。 可以看出，表16.3中的preamble format 1和preamble format 2对应的preamble长度超过了一个slot。 这似乎与第 16.2.1.2 节中讨论的在长度为 1 ms 的 RACH 时隙中发生前导传输的假设相矛盾。 然而，RACH 时隙仅指示前导传输的可能起始位置。 如果前导传输延伸到后续时隙，这仅意味着调度器需要确保在该时隙内的相应频域资源内没有其他传输发生。 短前导码基于序列长度 L 5 139 并使用与正常 NR 子载波间隔对齐的子载波间隔。 更具体地说，短前导码使用的子载波间隔为：

• 在低于 6 GHz (FR1) 的运行情况下为 15 kHz 或 30 kHz；
• 60 kHz 或 120 kHz 在较高 NR 频段 (FR2) 中运行。

在短前导码的情况下，第 16.2.1.2 节中描述的 RACH 资源基于与前导码相同的参数集。 因此，无论前导码参数如何，短前导码总是在频域中占用 12 个资源块。 表 16.4 列出了可用于短前导码的前导码格式。 不同前导码格式的标签源自 3GPP 标准化讨论，期间讨论了更大的前导码格式集。 该表假定前导子载波间隔为 15 kHz。 对于其他参数集，前导码的长度以及循环前缀的长度相应地缩放，即与子载波间隔的倒数。 一般来说，短前导码比长前导码短，并且通常只跨越几个 OFDM 符号。 因此，在大多数情况下，可以在单个 RACH 时隙内及时复用多个前同步码传输。 换句话说，对于短前导码，在单个 RACH 时隙内，不仅在频域中而且在时域中可能存在多个 RACH 时机（见表 16.5）。

可以注意到，表 16.5 包括附加格式 A1/B1、A2/B2 和 A3/B3。 这些格式对应于表 16.4 中“A”和“B”格式的混合使用，其中 A 格式用于除 RACH 时隙内最后一个 RACH 场合之外的所有情况。 请注意，A 和 B 前导码格式相同，只是 B 格式的循环前缀稍微短一些。 出于同样的原因，表 16.5 中没有明确的格式 B2 和 B3，因为这些格式总是根据上述与相应的 A 格式（A2 和 A3）结合使用。

16.2.1.5 初始接入期间的波束建立

NR 初始接入的一个关键特性是可以在初始接入阶段建立合适的波束对，并为前导码接收应用接收机端模拟波束扫描。 这是通过将不同的 SS 块时间索引与不同的 RACH 时间/频率时机和/或不同的前导序列相关联的可能性来实现的。 由于实际上不同的 SS 块时间索引对应于不同下行链路波束中的 SS 块传输，这意味着网络将能够根据接收到的前导码确定相应设备所在的下行链路波束。 然后可以将该波束用作初始波束，用于向设备进行后续下行链路传输。 此外，如果 SS 块时间索引和 RACH 时机之间的关联是这样的，即给定的时域 RACH 时机对应于一个特定的 SS 块时间索引，则网络将及时知道何时从特定范围内的设备发送前导码 下行光束将发生。 假设波束对应，网络然后可以将上行链路接收器波束聚焦在对应的方向以用于波束形成的前导码接收。 实际上，这意味着接收器波束将扫过覆盖区域，与用于 SS 块传输的相应下行链路波束扫描同步。 请注意，仅当在接收端应用模拟波束成形时，前同步码传输的波束扫描才相关。 如果应用数字波束成形，则可以同时从多个方向进行波束成形前同步码接收。 为了将特定的 SS 块时间索引与特定的随机接入时机和一组特定的前导码相关联，小区的随机接入配置指定了每个 RACH 时间/频率时机的 SS 块时间索引的数量。 该数字可以大于 1，表示多个 SS 块时间索引对应于单个 RACH 时间/频率时机。 然而，它也可以小于一，表示一个单一的SS块时间索引对应于多个RACH时间/频率时机。 SS 块时间索引然后按以下顺序与 RACH 时机相关联：

• 首先在频域；
• 然后在时隙内的时域，假设为小区配置的前导码格式允许时隙内的多个时域RACH机会（仅与短前导码相关）；
• 最后在RACH 时隙之间的时域中。

图 16.10 举例说明了在以下假设下 SS 块时间索引和 RACH 时机之间的关联：

• 两个 RACH 频率时机；
• 每个RACH 时隙三个RACH 时间机会；
• 每个SS 块时间索引与四个RACH 时机相关联。

16.2.1.6 前同步码功率控制和功率斜坡

如上所述，前导码传输将在所需前导码传输功率具有相对大的不确定性的情况下发生。 因此，前导码传输包括功率渐变机制，其中可以使用在每次传输之间增加的传输功率来重复传输前导码。 该设备基于对下行链路路径损耗的估计结合由网络配置的目标接收前导码功率来选择初始前导码传输功率。 应根据设备已获取的 SS 块的接收功率来估计路径损耗，并从中确定用于前导传输的 RACH 资源。 这与以下假设一致：如果通过波束成形接收前导传输，则相应的 SS 块使用相应的波束整形器进行传输。 如果在预定窗口内未收到随机访问响应（见下文），则设备可以假定网络未正确接收到前导码，这很可能是因为前导码以太低的功率传输。 如果发生这种情况，设备会重复前导传输，前导传输功率会增加一定的可配置偏移量。 这种功率上升一直持续到接收到随机接入响应或直到执行了可配置的最大重传次数，或者达到了可配置的最大前导传输功率。 在后两种情况下，随机访问尝试被宣布为失败。

16.2.2　随机接入响应

一旦设备发送了随机访问前导码，它就会等待随机访问响应，即来自网络的响应，表明它已正确接收到前导码。 随机接入响应作为常规下行链路 PDCCH/PDSCH 传输进行传输，相应的 PDCCH 在公共搜索空间内传输。

随机接入响应包括以下内容：

• 关于网络检测到的随机接入前导序列的信息，响应对其有效。
• 网络根据前导码接收定时计算的定时校正； •
• 调度授权，指示设备将用于传输后续消息 3 的资源（见下文）；
• 一个临时标识，TC-RNTI，用于设备和网络之间的进一步通信。

如果网络检测到多次随机访问尝试（来自不同的设备），则可以将各个响应消息组合在一次传输中。 因此，响应消息在 DL-SCH 上调度，并使用为随机接入响应保留的标识 RARNTI 在 PDCCH 上指示。 RA-RNTI 的使用也是必要的，因为设备可能不具有分配的 C-RNTI 形式的唯一标识。 所有已传输前导码的设备都会在可配置的时间窗口内监控 L1/L2 控制信道以获取随机访问响应。 响应消息的时间在规范中没有固定，以便能够响应许多同时访问。 它还为基站实现提供了一些灵活性。 如果设备在时间窗口内未检测到随机接入响应，则将根据上述前导功率斜坡以更高的功率重传前导。 只要在同一资源中执行随机接入的设备使用不同的前导码，就不会发生冲突，并且从下行链路信令中可以清楚地看出该信息与哪些设备相关。 然而，存在一定的竞争概率——即多个设备同时使用相同的随机访问前导码。 在这种情况下，多个设备将对相同的下行链路响应消息做出反应并且发生冲突。 解决这些冲突是后续步骤的一部分，如下所述。 收到随机接入响应后，设备将调整其上行链路传输时间并继续执行第三步。 如果使用专用前导码的无竞争随机接入，那么这是随机接入过程的最后一步，因为在这种情况下不需要处理竞争。 此外，该设备已经具有以 C-RNTI 形式分配的唯一标识。 在下行链路波束成形的情况下，随机接入响应应遵循用于在初始小区搜索期间获取的 SS 块的波束成形。 这很重要，因为设备可能使用接收端波束成形，并且它需要知道如何引导接收波束。 通过使用与 SS 块相同的波束发送随机接入响应，设备知道它可以使用在小区搜索期间识别的相同接收器波束。

16.2.3　消息3：竞争解决

第二步之后，设备的上行链路时间同步。 然而，在用户数据可以传输到设备或从设备传输之前，小区内的唯一标识 C-RNTI 必须分配给设备（除非设备已经分配了 C-RNTI）。 根据设备状态，可能还需要额外的消息交换来建立连接。 在第三步中，设备使用在第二步中随机接入响应中分配的 UL-SCH 资源向 gNB 发送必要的消息。 上行链路消息的一个重要部分是包含设备身份，因为此身份在第四步中用作争用解决机制的一部分。 如果无线接入网络已经知道该设备，即处于 RRC_CONNECTED 或 RRC_INACTIVE 状态，则已分配的 C-RNTI 将用作设备标识。10 否则，将使用核心网络设备标识符，gNB 需要在响应步骤 4 中的上行链路消息之前涉及核心网络（见下文）。

16.2.4　消息4：竞争解决和连接建立

随机接入过程的最后一步包括用于争用解决的下行链路消息。 注意，从第二步开始，在第一步中使用相同的前导序列执行同时随机接入尝试的多个设备在第二步中侦听相同的响应消息，因此具有相同的临时标识符。 因此，随机访问过程的第四步是争用解决步骤，以确保设备不会错误地使用另一个设备的身份。 竞争解决机制有所不同，具体取决于设备是否已经具有 C-RNTI 形式的有效身份。 请注意，网络从步骤 3 中收到的上行链路消息中知道设备是否具有有效的 C-RNTI。 如果设备已经分配了 C-RNTI，则通过使用 C-RNTI 在 PDCCH 上寻址设备来处理争用解决。 在 PDCCH 上检测到其 C-RNTI 后，设备将声明随机访问尝试成功，并且不需要 DL-SCH 上的争用解决相关信息。 由于 C-RNTI 对于一个设备是唯一的，非预期设备将忽略此 PDCCH 传输。 如果设备没有有效的 C-RNTI，则使用 TC-RNTI 寻址竞争解决消息，并且关联的 DL-SCH 包含竞争解决消息。 设备会将消息中的身份与第三步传输的身份进行比较。 只有观察到在第四步中收到的身份与作为第三步的一部分传输的身份之间匹配的设备才会声明随机接入过程成功并将 TC-RNTI 从第二步提升为 C-RNTI。 由于上行链路同步已经建立，混合 ARQ 在这一步中应用于下行链路信令，并且在第三步中传输的身份与第四步中接收到的消息匹配的设备将在 上行链路。 未使用其 C-RNTI 检测到 PDCCH 传输或未在第四步中收到的身份与作为第三步的一部分传输的相应身份之间找到匹配的设备被认为随机接入过程失败，需要 从第一步重新开始程序。 这些设备不传输混合 ARQ 反馈。 此外，如果设备在步骤3中发送上行消息后一定时间内没有收到步骤4中的下行消息，则该设备将宣告随机接入过程失败，需要从第一步重新开始。

16.2.5　补充上行的随机接入

7.7 节讨论了补充上行链路 (SUL) 的概念，即一个下行链路载波可以与两个上行链路载波（非 SUL 载波和 SUL 载波）相关联，其中 SUL 载波通常位于较低频段，从而提供 增强的上行链路覆盖。 小区是SUL小区，即，包括互补SUL载波，被指示为SIB1的一部分。 因此，在最初访问小区之前，设备将知道要访问的小区是否是SUL小区。 如果小区是 SUL 小区并且设备支持给定频带组合的 SUL 操作，则可以使用 SUL 载波或非 SUL 上行链路载波执行初始随机接入。 小区系统信息为 SUL 载波和非 SUL 载波提供单独的 RACH 配置，并且具有 SUL 能力的设备还通过将所选 SS 块的测量 RSRP 与载波选择阈值进行比较来确定将哪个载波用于随机接入 作为小区系统信息的一部分提供。 • 如果RSRP 高于阈值，则在nonSUL 载波上进行随机接入。 • 如果RSRP 低于阈值，则在SUL 载波上进行随机接入。 在实践中，SUL 载波因此由到小区的（下行链路）路径损耗大于特定值的设备选择。 执行随机接入传输的设备将在与前同步码传输相同的载波上传输随机接入消息 3。 对于设备可能进行随机接入的其他场景，即，对于处于连接模式的设备，设备可以明确配置为使用SUL载波或非SUL载波用于上行链路随机接入传输。