LTE和NR 随机接入流程

在LTE中，随机接入过程采用两种不同的形式（如图1所示）：

• 基于竞争

• 基于非竞争

在基于竞争的随机接入过程中，UE将在步骤1中从确定的前导码组中随机选择一个前导码。如果多个UE在同一子帧中选择相同的前导码，则将发生冲突。在这种情况下，冲突将通过步骤4中的后续竞争解决过程来解决，RRC_CONNECTED期间的下行数据到达（例如，当上行同步状态为“非同步”时）和RRC_CONNECT期间的上行数据到达（如当上行状态为“不同步”或没有用于SR的PUCCH资源时）。

在基于非竞争的随机接入过程中，eNB将分配不同的前导码（例如，通过专用RRC信令或PDCCH命令），因此可以避免冲突。基于非竞争的随机接入过程适用于切换、RRC_CONNECTED期间的下行数据到达（例如，当上行同步状态为“非同步”时）、定位（例如，UE定位需要定时提前时）和获得sTAG的定时提前对准。

在NR中，似乎基本上所有上述场景仍然有效，因此也支持基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程。从技术上讲，使用LTE中现有的随机接入过程（即Msg 1、2、3和4）是NR中设计的基线。

从UE的角度来看，规范支持在子帧持续时间内/跨个子帧持续时间的TDM或FDM中复用numerology技术

在Rel-8中，LTE主要设计用于支持MBB服务。在Rel-12和Rel-13中，引入了面向低端机器类型通信的低成本UE（即NB-IoT和eMTC）。低成本UE与普通UE截然不同，它们仅支持有限的信道带宽（NB-IoT为180kHz，eMTC为6个PRB）、有限的传输块大小（NB-IIoT为680bit，eMTC是1000bit）、单接收器RF等。此外，低成本UE需要支持例如20db的覆盖增强。为了实现低成本UE的网络接入，对随机接入过程进行了重大修改（例如，在eMTC中，RAR中的UL grant需要提供Msg3/4 MPDCCH窄带索引，而Msg1/2/3/4需要考虑大量重复），这显著增加了规范复杂性。

NR旨在支持多种使用场景，包括eMBB、mMTC和URLLC。不同的使用场景具有不同的关键性能要求，这会导致不同的无线设计。例如，URLLC服务需要以非常短的延迟和非常高的可靠性接入网络，然而，此类严格的要求不应适用于同一级别的eMBB。在NR中设计随机接入过程时，尽管不同的使用场景应该以分阶段的方式得到支持，但最好从一开始就考虑所有的使用场景（即，支持足够的前向兼容性），以避免在未来增加对某些使用场景的支持时产生重大的规范影响。

在LTE中，讨论过支持短CP时延。UE可以在随机接入过程中组合Msg3中的RRC连接请求和NAS服务请求。或者物理层过程中提到的基于两步竞争的随机接入过程。这允许分别在eNB和MME处并行处理这两个消息，这可以减少从空闲模式到连接模式的总时延。然而，由于eNB难以确定哪个UE发送了组合消息，因此该解决方案最终未能达成一致。在NR中，控制面时延的目标是10ms，这是指从终端有效状态（例如，IDLE）移动到开始连续数据传输（例如，ACTIVE）的时间。为了满足控制面时延目标，在NR中的随机接入过程时，需要考虑支持短CP延迟的解决方案。

Preamble是网络接收的第一个上行链路消息。在LTE中，总共有64个前导码，它们被分为三组：专用前导码、Group A和Group B。专用前导码用于基于非竞争的随机接入。Group A和group B用于基于竞争的随机接入，这为eNB提供了知道UE处的Msg3大小和路径损耗的可能性。在LTE中，有几个先前的讨论来进一步划分前导码以向eNB传送附加信息。例如，在Rel-12 eMTC中，建议使用单独的前导码来向eNB指示Category 0信息。然而，考虑到额外的前导码划分意味着增加了冲突概率，Msg3中的Category 0指示最终被同意。在Rel-13 eMTC中，为了避免过多的前导码划分，一致认为eNB可以在时域/频域中配置额外的PRACH资源，以便eNB在接收到前导码时可以知道UE的当前覆盖增强级别（即4个覆盖增强级别中的一个）。

在NR中采用类似的方法，使得gNB可以从UE接入开始就知道关于UE的Msg3大小/路径损耗/CE级别的信息。NR预计将支持同一载波中的多个numerology和切片，并且允许gNB为它们分配专用/特定随机接入资源可能是有益的，以便gNB可以从UE接入开始就适当地调度它们。因此，当在NR随机接入过程时，期望支持可扩展的随机接入资源（例如，以FDM/TDM/CDM的方式），以便可以针对不同的随机接入配置不同的随机访问资源，例如Msg3大小、路径损耗、覆盖增强级别、UE能力、QoS要求、numerology、切片等。

在LTE中，Msg3的大小取决于Msg2中传递的UL grant。从规范的角度来看，基站可以一起配置前导组A和前导组B。在这种情况下，UE将使用Msg3大小和Pathloss来确定前导码是从哪个组中选择的，然后基于接收到的前导码，eNB可以知道Msg3的大小。然而，在实践中，Msg3被固定为56位，因为1）将前导码组A和前导码组B一起配置意味着在高负载情况下增加了冲突概率；2） Msg3大小不是确定从哪个组选择前导码的唯一因素，因此eNB不能总是基于接收到的前导码知道Msg3的大小；3） 在Msg2中提供不必要的大UL grant是无效的。固定的Msg3大小施加了几个限制，其中之一是难以扩展Msg3中容纳的RRC消息。例如，在Rel-13中的“CIoT optimisations for non-NB-IoT”上下文中，讨论了如何支持更大的Msg2大小（即，由于Resume ID为40位，Msg3的大小为80位），最后，当选择前导组B时，Msg3和Pathloss被解耦。

在NR中，希望支持灵活的Msg3大小（至少在某种程度上），以便为容纳在Msg3中的RRC消息提供良好的前向扩展性。如果业务数据应该容纳在Msg 3中，灵活的Msg 3大小也有利于支持free grant/无连接传输。考虑到gNB可以在Msg2中为针对不同numerology的接入尝试提供不同的UL grant，支持多个numerology也可能需要支持灵活的Msg3大小。

在LTE中，在Rel-10中引入载波聚合以增加UE操作带宽，从而增加UE感知的数据速率，并增加eNB调度灵活性。在LTE CA中，UE可以在SCell中发起随机接入过程，以便获得sTAG的定时提前对准，并且在这种情况下，将在PCell上发送相应的RAR。采用这种解决方案主要是为了简化。

在NR中，作为基线，可以支持针对从一个SCell发起的接入尝试在PCell上调度RAR传输。采取进一步的步骤以允许在任何分量载波上发送RAR是有益的。通过这种方式，如果gNB可以选择在最佳分量载波上调度RAR传输，则可以实现更鲁棒/有效的RAR传输。