从Release 15到Release 18：5G标准演进的脉络和技术走向

在5G标准演进方面，随着Release 17正式冻结，5G标准进入到了5G Advanced（5.5G）的阶段，正在为6G铺平道路，是德科技汇总了从Release 15到Release 18的重点内容，希望向大家清晰地展示5G标准演进的脉络和技术走向，在研究学习，开发测试，生产制造等涉及5G的领域能够对大家有所帮助。

每个 3GPP 版本开发的功能映射到不同的垂直领域，虽然 5G 被认为可以灵活地支持许多不同的用例，但在 Rel-15 之后的后续版本中，才成为现实。得益于URLLC 和以太网 PDU，Rel-16 启用了工业物联网，并启用了带有 NR-V2X 的汽车。Rel-17 正在使用 Redcap 实现新型低成本设备，和非地面网络（NTN）。相信Rel-18 及更高版本继续保持这种趋势。

什么是NR Rel-16?

5G市场概况及3GPP 5G标准时间线

根据ABI Research的数据，5G用户正在以前所未有的速度增长，在商用不到2年时间内就达成1亿用户的里程碑，在3GPP就绪不到1年时间内，第一批5G设备就已经开发完成。造成这种爆发式增长的原因一方面来自于数字化对于数据的需求，另一方面来自于技术的突破，比如毫米波和Massive MIMO。

来自GSA的数据，5G终端呈多样化分布，其中手机虽然占比过半，但是3GPP为开发5G更多的新场景，例如非地面网络，AR/VR，元宇宙，对模组和其他设备类型的需求逐年提升，手机的份额预计会进一步萎缩。

下表是3GPP的技术时间线，按照3GPP以往的风格，5G标准应该会分为两个阶段，Rel-15~Rel-17为第一阶段，Rel-18~Rel-20为第二阶段，到2022年底，已经通过了Rel-16的开发阶段，其功能已经开始在新的芯片组和设备中商用。同时，Rel-17现在已经冻结，等待测试要求的完成。ASN.1的完成，可以触发Rel-17新功能的互操作性测试，是德科技正在主导与芯片组的合作，推动这些功能尽快推向市场。展望未来，Rel-18标准化工作已经开始，预计将在2024年中期达到成熟的状态，届时芯片组合作阶段将开始。

Rel-15 - 5G开端，奠定基础

5G自设计之初有一个大胆的愿景：它远不只是移动网络的下一次迭代。

因此5G 定义了三个应用场景：增强型移动宽带eMBB；海量机器类通信（mMTC）；超高可靠性低延时通行（URLLC）。Rel-15是第一个可实施的5G标准，为未来发布5G特性奠定基础。

Rel-15侧重于eMBB的高速率和大容量需求。该版本指定了一种新空口（5G NR），用于实现更高的数据吞吐量，并为低时延和更高可靠性应用奠定了基础。使用最高52.6 GHz的毫米波(mmWave)频谱是提高数据吞吐量的关键之举。这些更高频率上有更多的连续频谱，可用于通过信道发送更多数据。下图列出了Rel-15中部分关键技术和优势。

低时延：URLLC使用场景可以通过“微时隙”这样一个概念来部分实现。一个标准时隙包含14个正交频分复用(OFDM)符号。随着子载波间隔增加，时隙的持续时间会缩短。微时隙的持续时间比标准时隙短，可以位于时隙内的任何位置。一个微时隙只有两个、四个或七个OFDM符号长。使用微时隙，帧可以立即开始而无需等待到达时隙起始边界，因此可以确保低时延。

灵活性：在5G NR中，FR1（最高7.125 GHz）的最大载波带宽为100 MHz，FR2（24.25至52.6 GHz）的最大载波带宽为400 MHz。标准允许聚合多个载波来获得最宽800 MHz的信道带宽。5G NR针对带宽部分进行了创新，将载波进行细分，分别用于不同目的。每个带宽部分都有自己的参数集，并且可以单独发送信号。一个载波可以使用混合参数集来支持免许可频段的业务和混合的服务等级，例如节能或参数集的复用。

可靠的信道：5G NR使用循环前缀OFDM (CP-OFDM)波形格式。这种格式可以同时在下行链路(DL)和上行链路(UL)中使用。由于在UL 和DL中使用了相同的波形，因此未来的版本可以更轻松地实现设备到设备通信等功能。

更大吞吐量：5G通过多种方式显著提高了吞吐量。例如：通过更大的整体信道带宽使通信系统能够通过空口发送更多数据；空间复用通过多个天线在指定时间以指定频率发送多个独立数据流，并使用增强的信道反馈。（参考下图）

是德科技E7515B UXM 5G 无线测试解决方案是一个高度集成的信令测试平台，支持多制式堆栈并提供了强大的处理能力和丰富的射频资源。E7515B UXM 5G 无线测试解决方案支持Rel-15和更高版本标准，让您能够在非独立组网（NSA）、独立组网（SA）等不同的 5G 新空口（NR）部署模式下以及 FR1 和 FR2 频段内与被测器件（DUT）建立 5G 通话。

Rel-16：优化性能，行业赋能

Rel-16的工作主要有两个方面：向垂直行业扩展和功能增强

一方面，改善Rel-15的基础，围绕现有的5G eMBB功能上提升效率，例如在节电、通过CA/DC和MIMO改进数据速率和新类型的移动场景等方面进行改进。

另一方面是关于启用新的垂直领域场景，如工业物联网与更多的URLLC，支持非授权频谱的NR-U。

参考下图，Rel-16的功能定义被分为多个工作项目：

在基础扩展部分，不同领域都有改进，在这里我选几个重点领域展开讲一下：

首先是省电，电池寿命和减少能量消耗是标准化工作的一个主要方面。众所周知，这是用户体验中的关键KPI，也是我们购买新手机时的关键因素。除了对消费者用户体验的影响外，智能手机的功耗还受到关注，也是消费电子产品关注的主要指标。

它包含以下几个改进：

1. 首先是唤醒信号（Wake-Up Signals以下简称WUS），该技术原理简单来说就是当网络侧需要针对某个 UE 进行上下行调度的话，会发一个 WUS 信号（携带了 DCI Format 2_6 的 PDCCH）给 UE，让 UE 仍然周期性的唤醒以接收 PDCCH 的调度信息，过了一段时间后，如果没有数据要传输了，这个时候网络侧就下发 WUS 给 UE，指示 UE 后续不需要进入DRX 状态，一直维持在休眠状态并无需监听后续网络侧的 PDCCH，以此来降低功耗，从而提升电池使用时间。

2. 然后是添加休眠 BWP，它用于辅助载波以加速其激活和停用， Rel-15 仅通过使用 MAC 控制元素允许此过程，这是一个更重且更慢的过程。Rel-16 通过 Dormant BWP 概念的定义启用更快的切换，然后可以在网络不需要高 BW 链路时使用。使用休眠 BWP，UE 停止监视 PDDCH，但 CSI 报告和波束管理等活动可以继续。

如上所述，能够在可重复和现实的场景下在实验室中测量电池消耗也很重要。为此，是德科技可以提供针对用例量身定制的解决方案。其中包括：UXM 5G 允许模拟网络并以非常逼真的方式灵活配置我们刚刚提到的 Rel-16 功能；它还包括 N6705C，它是一款功率分析仪，可让设备了解功率并非常准确地测量消耗的能量；还有一个脚本工具或测试用例创建器，允许用户以最大的灵活性开发自己的定制场景，包括连接到互联网服务器、进行 IMS 语音和视频通话等场景。

Rel-16在新垂直领域的研究

1.  URLLC和TSN网络，目前由于IT与OT网络系统架构截然不同，对于应用的模式和要求的效率也很不一样，以传统的工厂网络架构来说，OT的前端设备与IT网络皆不互通，形成各自为政的封闭式网络架构。3GPP 定义了 URLLC 的改进，以将 5G 延迟降低至 1 毫秒并提高稳健性，它还实现了对 5G 上的 TSN 的无缝支持，TSN将打破IT与OT网络间的隔阂，搭建双方互通的桥梁，提供即时，安全又稳定的网络环境。TSN可整合所有网络通讯协议，在不去除底层协议规范的前提下，仅需协议层加上TSN协议，即可打通工厂内IT与OT的网络环境，节省建网成本。

什么是TSN？

传统以太网技术只能实现“尽力而为”的通信，无法满足工业制造应用的高可靠、低时延需求，因此，面向工业自动化需将传统“尽力而为”的以太网升级为可提供“确定性”服务。同时，现有的工业协议众多，彼此孤立，各种协议使用不同的“语言”，一方面给实时通信带来了难度，另一方面难以实现统一集成，增加了维护和运营成本。在这样的背景下，TSN应运而生，它由IEEE定义标准，可基于标准以太网技术提供确定性服务，并提供标准化统一的、经济的解决方案。

5G+TSN，即5G系统与TSN网络集成，基于5G uRLLC的低时延高可靠能力，满足TSN架构的四大严苛的功能需求：时间同步、低时延传输、高可靠性和资源管理。5G与TSN融合后，可通过5G NR无线替代工厂内的有线网络，让工业生产更加柔性化。

TSN时间敏感网络介绍

TSN是时间敏感网络 (Time-Sensitive Network)的英文缩写，是1EEE 802.1 TSNQ 工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称，用于指导和开发低延迟、低抖动，并具有传输时间确定性的以太网。局域网是传统以太网在汽车等特定应用环境下的增强功能实现。

TSN协议系列规范

TSN协议系列规范包含了非常多的技术标准，一部分来源于以往音视频、通信等领域的应用，一部分来源于芯片等技术厂商任技术实现上的探索。

当前己经发布的TSN系列规范大致分为四个部分：时间同步、调度延时和可靠性。

•时间同步

时间同步的协议规范主要是802.1AS/802.1AS-Rev，基于数据链路层进行以交换机为关键节点的时钟同步机制的实现，主要来自于IEEE1588时间同步协议的简化版本，更适用于车载网络中实时性精度要求较高的通信传输场景。目前主流的应用为2011版本，主要是基于单域或多域的时钟同步机制的实现，初步满足了基于以太网作为骨干网的电子电器架构的设计需求。

•调度延时

802.1Qbv是在交换机多个输出队列的严格优先级（报文中的优先级通常来自于VLAN或者1P）模式下，利用门循环列表GCL (Gate Control List） 来控制每个队列的开关时间窗口，来实现时间感知整形器TAS (Time-aware Shaper）的功能：GCL通常有8-16组，可通过灵活配置来实现不同延时需求的调度规则集合，进而对应不同优先级帧的最大传输延时保证来实现传输延时确定性和带竞的稳定性。

同时，802.1Qbv为了确保每个时间片的报文都能传输完成，预留了—个Gurad Band， 长度最大可配置为一个标准以太网帧的MTU大小约1500字节，会增加约12.5us的延时损耗。为了不浪费这个带宽的等待时间，于是设计并 入了802. 1Qbu规范，_802.1Qbu将数据帧分为可被抢古帧 (Preemptable Frame)和快速帧（Express Frame），通常在每个交换机端口以优先级来对帧进行以上分类，即高优先级的顿可以对低优先级未传输完成的帧进行抢占发送，以减少传输延迟。抢古的规则一般通过设置最小可被抢占帧长度，例如若设置为128字节，则必须等待可被抢占帧传输完128字节才能对快速帧进行抢占发送，等快速帧发送完成后，再对被抢占帧未发送完成的部分进行发送802.1Qbu和802.1Qbv的同时使用，可以在保证链路延时和带竞相对确定的情况下，对高实时报文进一步降低传输延时。

•可靠性

802.1CB主要是通过交换机硬件的报文复制功能实现发送端数据顿的在交换机指定转发端口处的复制，并通过不同的交换机传输路径发送至最终目的节点所在的交换机连接端口，然后在该交换机端口利用交换机硬件的对特定协议复制帧的重复消除，进而利用网络拓扑中的冗余路径实现在传输链路中实时的可靠性数据备份，并旦不增加软件收发数据产生的额外负载；相比传统的通信错误恢复机制，能够在正常通信链路发生错误时，利用在冗余路径中的实时数据保证通信不间断，旦延时仅是元余路径中多余交换机节点的转发延时，一般在10μs左右，可以非常好地满足高实时高可靠性的应用场景。

802.1CB冗余策略

是德科技产品能够对新兴技术进行实际验证，充分展现标准开发的优势。设备制造商和企业使用了是德科技的测试设备来确保网络设备甚至整个网络符合 TSN标准的一致性要求和应用的性能要求。

2. 非授权频谱

Rel-16 在新垂直领域另一个重要特性是允许使用非授权频谱，也称为 NR-U 使用新频谱是提高数据速率的最佳方式之一。在法规允许的那些地区，由于 NR-U，5G 可以机会性地用于在非许可频谱中部署 NR 小区，这些频谱将与其他技术共享，例如 WLAN。NR-U 的使用代表了一种补充，可以满足流量需求并通过节省大量运营成本和统一网络来帮助提高数据速率，而不必将 WLAN 作为替代方案来处理。3GPP 定义了 2 个新频段，覆盖 5GHz 频段的 n46 和覆盖高达 7.1 GHz 的 6GHz 频段的 n96。

是德科技E7770A 公共接口单元（CIU）可将 6 GHz 以下的上行链路或下行链路射频信号通过上、下变频转换为 6 至 12 GHz 或 7.7 至 14.5 GHz 的中频信号，从而为被测器件（DUT）提供双向中频（IF）接口。这个解决方案为用于 5G 远程射频头（RRH）的是德科技M1740A 毫米波（mmWave）收发信机提供了控制、电源和本地振荡器频率输入。作为上/下变频器和 RRH 控制器，CIU 支持将频率范围从 6 GHz 以下扩展到高中频和毫米波频段。配合E7515B可以满足6G以上NR-U频段的测试。

Rel-17：扩展边界，探索用例

Rel-17 标准的制定非常特别，因为它是在疫情大流行期间通过虚拟会议完成的。Rel-17的一个重要目标是提高效率并为现有的 eMBB 用例添加增强功能，特别是在像频谱扩展，在FR2中增加了新的毫米波频率范围，现在最高可达 71GHz MIMO和通过在下行链路中添加 1024 QAM 来提高频谱效率。在节能和扩大 UL 覆盖范围方面也有很多改进，这不仅被认为可以改进常规 eMBB 设备，而且还适用于全新的更轻的 NR、Reduced Capability（RedCap模式），允许在要求较低的设备中支持5G，启用以前无法实现的新用例，打开通往新垂直领域的大门。在新的垂直领域，另一个重要的改进是通过非地面网络或 NTN标准化对卫星到终端连接的支持。

首先是RedCap，RedCap的使用可与其他降低能力的技术相媲美，例如Cat-1等较低的LTE，其主要目的是为不需要很快数据速率且成本更低、覆盖范围和功率效率更高的设备提供连接服务。监控摄像头、工业传感器和可穿戴设备等场景非常适合智能物联网设备，考虑到这一点，RedCap是一种简单的 NR 设备，它具有有限的BW和有限数量的接收器链，可以将无线电连接成本降低大约65%。RedCap 已针对 FR1 和 FR2 进行了标准化，这将有助于提供更好的覆盖范围。

RedCap信号又是如何工作的呢？

重点是允许具有较低带宽的设备在具有较高带宽的小区中共存。为了实现这个功能，SIB更新之后以提供访问控制，以便 UE可以决定NW是否支持RedCap设备，并因此开始注册过程。此外，已经创建了一个新的特定于Red Cap的初始BWP，这样就可以在初始BWP中拥有具有更大BW的小区，但仍然允许RedCap UE进行连接。并且通过PRACH和MSg3的前期指示支持已经启用，这样网络就可以提前知道尝试连接的设备的能力降低了。

是德科技与为Rel-17增强功能提供支持，包括RedCap网络仿真解决方案。全面的解决方案组合涵盖非信令和不同领域的信令测试，包括协议、射频、功能验证、和实际条件下的性能测试。

第二项在Rel-17需要关注的技术是NTN（非地面网络），Rel-17定义了NTN的第一个版本，并且Rel-18将继续使用更新的频段和其他架构类型和用例。Rel-17主要侧重于对GEO和 LEO轨道的标准化支持，重点是透明有效载荷，意味着gNB作为网关的一部分位于地面，而 Uu 是两个馈线中使用的接口和服务链接。这样，卫星就充当了射频中继器。最初NTN的重点是6 GHz以下频段，尤其是2GHz的S频段。

但卫星到终端直接通信在设计实际上非常具有挑战性，因此在任何实际部署之前在实验室中测试真实场景至关重要。例如链路预算，考虑到地面设备和卫星之间的距离很远，工程师们面临着巨大的路径损耗，我们的目标是在不需要大天线的情况下建立连接，仍然使用手机。另一个主要挑战是信道引入的大延迟，在地球静止轨道的情况下可能高达 600 毫秒左右，或者 LEO 轨道的变化延迟虽然较小，但会随着时间而变化，至关重要的是，这在所有设备中都得到了适当的补偿，从而可以避免符号间干扰。考虑到卫星的高速移动，多普勒是信道增加的另一个主要损伤。因此，补偿所有这些影响是至关重要的，这可以在卫星轨道已知的情况下完成，因此，只要UE和卫星的位置已知，就可以预测多普勒和延迟。

是德科技一直致力于开发NR NTN端到端测试台，该测试台能够模拟网关和gNB、信道和 UE，并能够在实验室中建立 NTN NR呼叫，演示延迟和多普勒预补偿的工作原理和实现方式。

Rel-18：开启5.5G，铺路6G

随着Rel-17的冻结，Rel-18的标准制定工作也紧锣密鼓地展开，作为5G标准的第二阶段，从Rel-18开始5G被命名为5G Advanced（5.5G），根据3GPP的命名规则，5.5G可以被视为5G到6G的过渡阶段，等到Rel-20结束，6G也就快登场了，预计在2028年左右。

从Rel-18首批确定的研究课题来看大多是对Rel-15到Rel-17的增强和补充，但是有两方面内容尤其需要关注，那就是UAV以及AI和ML。

UAV（Uncrewed Aerial Vehicle）：无人航空载具，UAV系统依赖无线通信来解决多个需求包括指挥和控制、定位、合作感知以及防撞和远程识别等。5G Rel-18针对UAV制订了相关规范，UAV之间 UAS（Uncrewed Aerial System）系统，在UAS系统模型中包含UAV和UAV controller，其中UAV需要通过我们的蜂窝系统连接并被UAV controller控制。每个UAV controller可通过蜂窝网络控制一个或者多个UAV。UAV和UAV controller之间通过PC5接口进行C2通信。

Rel-18需要关注的另一个内容是人工智能和机器学习（AI&ML），目的是为了提升数据的预测能力，主要包含网络节能，流量卸载，覆盖变更，小区去激活，以及负载均衡。在多频率/多RAT的部署中，在小区或小区区域之间有效地分配负载，以根据负载预测提高网络性能。

根据对UE可能提供服务的预测选择最佳移动目标，从而在移动期间也能保持令人满意的网络性能。

Rel-18还处在协议制定的早期阶段，5G Advanced也可被视为6G的基石，为6G铺路。是德科技会持续关注3GPP标准演进，提供尖端的测试方案。

1.4-Step RACH介绍

在介绍2-Step RACH之前，我们有必要先来回顾一下4-Step RACH的内容。

4-Step RACH包含了CBRA（Contention-Based Random Access，基于竞争的随机接入）和CFRA（Contention-Free Random Access，基于非竞争的随机接入）。其中，CBRA主要用于初始RRC连接建立、RRC连接重建，以及从RRC Inactive或者RRC Idle恢复到RRC Connected状态等，而CFRA一般常用于小区间的切换或者UE定位，在5G中，CFRA还用于NSA下，UE在连上LTE后去聚合NR载波。

1.1 基于竞争的随机接入

这里以UE初始接入来介绍一下CBRA基于竞争的随机接入的内容。

1.1.1 Msg1

UE从preamble pool中随机选择一个在PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）上发起基于竞争（Contention-Based）的随机接入，因此可能会存在多个不同的UE在相同时间选择相同的preamble发起随机接入。

UE在发送preamble之后，会计算与PRACH occasion相关联的RA-RNTI，以便接收对应RA-RNTI的RAR（Random Access Response，随机接入响应），其计算公式如下所示：

RA-RNTI= 1 + s_id + 14 × t_id + 14 × 80 × f_id + 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id

其中：

• s_id是PRACH occasion的第一个OFDM符号的索引(0 ≤ s_id < 14)；

• t_id是系统帧中PRACH occasion的第一个时隙的索引(0 ≤ t_id < 80)；

• f_id是频域中的PRACH occasion的索引(0 ≤ f_id < 8)；

• ul_carrier_id是用于preamble传输的UL载波(0表示普通上行载波，1表示SUL载波)。

此外，UE的preamble实际发射功率主要由网络侧下发RRC层的SIB消息指示。

其中：

• preambleReceivedTargetPower，UE用于传输preamble的初始功率；

• preambleTransMax是preamble的最大发送次数。如果初始接入过程失败，但是还没有达到最大尝试次数preambleTransMax，则可以继续传输preamble，如果达到最大次数，则本次随机接入过程结束；

• powerRampingStep是每次接入失败后，UE下次接入时提升的发射功率。在这个过程中采用的是开环功控的方式，如果上一次Msg1发送失败，则UE在下一次增加发射功率，以提高接入成功率。

关于preamble的其他知识

在LTE和5G NR中，每个小区总共有64个可用于随机接入的preamble序列，一部分用于CBRA，另一部分则用于CFRA，具体可用于CBRA的preamble数是通过SIB消息中的totalNumberOfRA-Preambles来知会UE。

用于CBRA的preamble序列又可以分为group A和group B，group A preamble的数目通过SIB消息中的numbuerOfRA-PreamblesGroupA指示。当然，如果numbuerOfRA-PreamblesGroupA和totalNumberOfRA-Preambles相等的话，就说明该小区不存在group B的preamble。

而group A和group B中preamble序列的区别主要是用于传输Msg3信息的大小，UE通过选择group A或者group B中的preamble，收到Msg1的网络侧就可以知道需要给UE分配多少资源用于传输Msg3。

1.1.2 Msg2

UE发送了preamble之后，将在RA response window持续地内监听PDCCH（携带DCI format 1_0，用RA_RNTI加扰)，以接收RAR（Random Access Response，随机接入响应）。如果在RAR时间窗内没有接收到网络侧回复的RAR，则认为此次随机接入过程失败。

RAR时间窗由网络侧通过RRC层的SIB消息下发给UE。比如sl20表示连续的20个slot，用于发送了preamble后，UE监听PDCCH信道是否存在网络侧回复的RAR。

网络侧在解码preamble时，也获得了该preamble的时频位置，进而知道了RAR中需要使用的RA-RNTI，将DCI用该RA-RNTI加扰后通过PDCCH发送出去，UE在PDCCH公共搜索空间上获取DCI信息，通过DCI指示的时频位置去检测PDSCH，并在PDSCH上解码所携带的RAR信息，当UE成功地接收到一个 RAR（使用前面介绍的 RA-RNTI 来解码），且该RAR中的preamble与UE发送的preamble相同时，则认为成功接收了RAR，获得了上行资源(UL grant)，可以发送上行数据了。

如下是一个典型RAR MAC PDU介绍：

• E表示extension bit，“0”和”1”代表后面是否会接着其他的MAC subPDU数据要传输；

• T表示type bit，“0”代表后续会传输backoff indicator信息，“1”代表后续会传输RAPID信息；

• R表示reserved bit，置为“0”；

• BI表示backoff indicator，指定了UE在RAR失败后重发preamble前需要等待的时间范围（在该时间区间内选取一个随机值），如果接入的UE多，则该值可以设置得大些；如果接入的UE少，该值就可以设置得小一些，以降低冲突的概率；

• RAPID表示random access preamble identifier，为网络侧在检测preamble时所得到的preamble index。如果UE发现该值与自己发送preamble时使用的索引相同，则认为成功接收到对应的RAR；

• UL Grant指示了用于承载Msg3的PUSCH的时频位置等信息；

• Temporary C-RNTI，用于在后续的随机接入过程中作为UE的ID标记；

• Timing Advance，用于指定 UE 上行同步所需要的时间调整量。

***需要注意的是，1 个 RAR MAC PDU 包含 1 个或多个RAR。使用相同 PRACH 资源发送 preamble（preamble 不一定相同）的所有 UE 都监听相同的 RA-RNTI 加扰的 PDCCH，并接收相同的RAR MAC PDU，但不同 preamble index 对应不同的 RAR。不同 PRACH 资源（时频位置不同）发送的 preamble 对应的 RAR 不能复用到同一个 RAR MAC PDU 中。

为什么需要配置timing advance？

这里还需要再介绍一下为什么需要配置timing advance：

随机接入过程的一个重要作用是上行同步，由于不同UE距离网络设备（比如基站）的距离不一样，传输时延不一样，会导致多径效应。为了保证上行传输的正交性，就要求来自同一子帧但不同频域资源（不同的RB）的不同UE的信号到达网络侧的时间基本上是对齐的，网络侧只要在循环前缀（cyclic prefix）范围内接收到UE所发送的上行数据，就能够正确地解码上行数据。这个同步是通过UE发送random access preamble序列，网络侧估计出时延，在下发的RAR中携带timing advance command给UE来完成的，UE根据timing advance command来调整发送时刻。

1.1.3 Msg3

Msg3在PUSCH上传输，采用HARQ机制，这里UE使用的PUSCH时频资源是通过Msg2中的UL grant所指示的。UE发送Msg3后会启动竞争解决定时器 (ra-ContentionResolutionTimer，网络侧通RRC层的SIB消息下发)持续地监听PDCCH。

在不同场景，Msg3 对应不同类型的消息：

a. 初始接入，为 RRCSetupRequest；

b. 重建，为RRCReestablishmentRequest；

c. 从RRC Inactive接入，为RRCResumeRequest。

以初始接入为例：

如果网络侧配置了5G-S-TMSI，那么UE会将RRCSetupRequest中的ue-identity配置为ng-5G-S-TMSI-Part1，否则的话将一个0..239-1的随机数作为ue-identity。

1.1.4 Msg4

网络侧从众多Msg3中随机选择一个，将其封装成一个contention resolution identity MAC CE，用对应UE的TC-RNTI加扰后，通过PDCCH（携带了DCI format 1_0）发送出去，UE用TC-RNTI解扰PDCCH成功，且其中的内容与自己发送的UE ID一致，则认为完成了随机接入，后续将TC-RNTI变成C-RNTI，并通过PUCCH反馈ACK给网络侧，否则表示竞争解决失败，需要重新发起随机接入。

1.2 基于非竞争的随机接入

与CBRA基于竞争的随机接入不同，CFRA基于非竞争的随机接入的流程相对较为简单，在UE选择CFRA发起接入前，网络侧会给UE分配一个专属的preamble，使得UE在随机接入的过程中不会产生冲突。通过前面对基于竞争的随机接入的介绍，我们知道UE会存在接入失败的可能，这会加大业务传输的时延，而UE在基于非竞争的随机接入中有自己专属的preamble，保证了接入的成功性，可以缩短业务恢复的时间。值得一提的是，除了切换是通过RRC重配消息给UE分配一个preamble，其他CFRA场景则是通过PDCCH order来给UE配置preamble的。

CFRA主要用于切换、或者网络侧需要需要传输下行数据但是检测到了上行失步等场景，这里以最常见的切换为例，介绍一下CFRA的相关流程。

在满足了可以进行切换的场景，比如UE从本小区中心移动到了小区边缘，且UE上报的邻区信号高于门限，即可触发小区切换流程，大致流程如下：

1) 原小区向target目标小区发送handover request；

2) 目标小区经过admission control准入控制判决后，向原小区回复handover request acknowledge;

3) 然后原小区会下发一条RRC重配消息给UE，该重配消息携带了一条分配给对应UE的专属preamble以及用于传输preamble的PRACH信道的时频资源，对应于CFRA过程中的Msg0，此外还包含了目标小区的Cell ID、频点、带宽、bearer等信息，以用于UE向目标小区发起接入，有点类似NSA下让UE接入NR的重配消息以及SA下SIB消息的内容；

4) UE根据Msg0的指示，在指定的PRACH资源上发送一个专属preamble用于向目标小区发起随机接入，对应于CFRA过程中的Msg1。网络侧收到Msg1后，根据Msg1计算上行timing advance，之后网络侧向UE发送RAR随机接入响应，随机接入响应中包含timing advance、用于配置PUSCH传输资源的UL grant等信息，对应于CFRA过程中的Msg2。当网络侧响应了一条RAR，UE就完成了在目标小区的接入，接着UE会返回一条RRCReconfigurationComplete的消息

具体切换过程中的preamble是通过RRC重配消息中的RACH-ConfigDedicatedàCFRA-SSB-Resourceàra-PreambleIndex来指示：

2-Step RACH介绍

在传统4G LTE和5G NR Rel-15版本系统中，采用的都是四步随机接入（4-step RACH）技术，一般包含两次基站和终端间的交互。四步随机接入的流程可靠性较高，但在接入效率方面并不是最优的方式。因此，NR Rel-16版本引入2-Step RACH两步随机接入技术 ，对随机接入过程进行优化和增强。进而，在3GPP当前正在进行的NR Rel-17版本 ，基于两步随机接入技术，又继续增强优化了非连接态下小数据包的传输机制 。

2-Step RACH两步随机接入技术将原先四步随机接入中的两个上行信道信息Msg1和Msg3联合为MsgA，并由终端发送给基站，同时将两个下行信道信息Msg2和Msg4联合为MsgB，再由基站发送给终端。因此，整个随机接入过程两步即可完成，即基站和终端间只需要一次交互。

在R16版本中，采用了两步随机接入的机制，其将前导preamble（Msg1）和Scheduled Transmission （Msg3）合并为MsgA，将Random Access Response（Msg2）和Contention Resolution消息（Msg4）合并为MsgB。

2-Step RACH步骤

4-Step RACH步骤 vs. 2-Step RACH步骤MsgA结构

两步RACH中的MsgA包括PRACH和PUSCH。用于时域/频域中的2步RACH的PRACH资源可以与4步RACH共享，或者可以被配置为分离。可以使用Rel-15中定义的所有前导码格式和PRACH配置索引。在4步RACH和2步RACH之间共享时域PRACH资源的情况下，分配不同的前导码来区分RA Type。SSB与PRACH的映射重用了4步RACH的映射。

为了支持许可频谱（FR1 和 FR2）和非许可频谱（FR1）中的两步 RACH 操作，msgA 的信道结构应包括：

•Preamble 前导
•Payload
•Transmission gap with configurable duration

MSGA结构

MsgA资源映射 - 应定义前导码和有效负载之间的时频资源关联

支持每个 RO（RACH 场合）和 PO（PUSCH 场合）之间的可配置时域/频域偏移

MSGA资源映射

2步RACH使用指定的映射规则来确定与所选PRACH资源相关联的MSGA的PUSCH资源。每个PRACH时隙映射到多个PUSCH场合，一旦UE在PRACH场合中选择前导码，则可以通过预定义的映射顺序来确定相应的PUSCH场合和DMRS资源。

MSGA PUSCH资源集由多个MSGA PUSCH资源单元（即PRU）组成

对于每个MSGA PUSCH 资源：
•A MSGA PUSCH resource ID
•Time/frequency resource allocation
•MCS
•Power control related parameters
•Association with PRACH transmission

•DMRS port and/or sequenceMsgB结构

MsgB结构

在MSGA传输之后，UE在配置的窗口内监视下行链路以获得来自网络的响应。这个来自网络的响应称为MSGB。MSGB的内容取决于gNB是否能够成功地检测到PRACH和PUSCH部分。

MSGB结构2-Step RACH 波束管

4-Step RACH的SSB和RACH场合之间的波束关联规则将用于2-Step RACH

支持 SMGA 数据部分的波束细化：

网络配置具有相应 SSB 的 QCL type-D CSI-RS
CSI-RS波束是SSB波束的子波束

2-Step RACH 波束管理