FR2上不同波束传输多个PRACH

用于PRACH覆盖增强的重复方案有两种类型，第一种方案仅包含一个重复级别，第二种方案包含多个重复级别。

对于第一种方案，如图1（a）所示，所有UE（UE1、UE2、UE3）仅使用一个重复级别来发送前导码。尽管最坏情况以小概率发生，但为了保证最坏UE（UE1）的随机接入的一定成功概率，重复级别的重复时间将被设置为大值，即4。实际上，其他UE可能只需要小的重复时间，即2。此外，如果仅将一个重复数应用于整个UE SINR范围，则需要更高的gNB检测能力。显然，它会降低资源利用率、检测复杂性、功耗和干扰控制方面的性能。

对于第二种方案，如图1（b）所示，允许UE从多个级别中选择一个重复级别，其中级别1、2的重复时间等于2、4，并且UE1、UE2、UE3分别选择重复级别2、1、1。对于与同一波束相关联的增强型RO，在不同重复级别中使用的前导码集应当不同，并且由gNB通过SIB1消息指示，并且UE从对应于其重复级别的前导码集中随机选择前导码。

第二种方案通过允许UE根据他们的需要机会性地选择重复级别来提高性能。改进原因如下所述。首先，UE在不同波束中所需增强的PDF自然明显不同，特别是对于大型小区和具有复杂电磁环境的小区，例如小区的不同区域被树木和建筑物非均匀地包围。具体而言，当不同区域的细胞被树木和建筑物非均匀地包围时，不同光束的多径分量经历不同的传播路径，这使得观察到的路径增益显著变化。第二，即使UE在同一波束内的位置彼此接近，由于信道衰落，它们也可能需要不同的重复时间来实现相同的覆盖性能。利用UE的信道状态的上述差异，允许UE选择其重复级别的第二方案可以节省资源和功率。

在实践中，不同波束的信道状态通常是非常不同的，因为它们以不同的角度发射和接收，并经过不同的环境，包括树木、建筑物和距离，这使得不同的波束遭受了不同的耦合损耗。在高频情况下，随着路径数量的减少和遮蔽问题的容易出现，上述差异变得更加显著，路径损耗和穿透损耗变得更大。换句话说，不同SSB波束内增强UE的耦合损耗存在显著差异。

试验表明室外和室内位置的平均路径损耗分别为117 dB和139.7 dB。因此，由于室外到室内的渗透导致的平均超额损耗为22.7 dB。在单系列单元的情况下，由于穿透导致的额外损耗高达21dB。穿透损耗相当高，这使得覆盖建筑物的波束的耦合损耗比没有穿透损耗大得多。毫米波穿过树木的穿透损耗为15.1-26.1dB，这随冠层叶片的状态（如全叶、离叶）而变化。在全叶场景中，3.5、5.4 GHz的信号穿过树枝和树叶密集的树木到达UE，分别导致22.6、26.1 dB的损耗。在叶外场景中，当3.5、5.4GHz信号通过具有稀疏枝叶的树木到达UE时，分别到7.5、9.4dB的损耗。此外，穿过的植被越多，损失就越大。由于树木穿透损失很大，并且随着植被状态的变化而变化，这使得覆盖树木周围区域的梁的耦合损失远大于不覆盖的梁。

为了保证低PRACH时延，一次RACH尝试的重复RO不应在长时间内分布。而且，考虑到实践中的TDD配置，一帧中的上行链路时间资源是有限的，以平衡下行链路和上行链路服务的数据传输负载，其中下行链路服务通常需要比上行链路更多的时间资源。此外，由于设备成本和技术限制，gNB很难同时生成多个模拟波束。这意味着在给定的PRACH传输时延下，与不同SSB波束相关联的时域中重复RO的数量非常小。因此，TDM-RO资源的稀缺是依赖于分配重复TDM-RO的PRACH覆盖增强的主要问题。随着SSB波束的增加，这个问题可能会变得更糟，而FR2需要更精细和更多的波束来分别应对更大的功率损耗和波束的覆盖面积减少。

为了解决这个问题，最好是根据不同的SSB波束的覆盖增强要求，将稀缺资源（即TDM-RO）合理分配给不同的SSB波束。这意味着不同的SSB波束应该被划分为不同的覆盖性能增强级别，其中不同级别的SSB光束拥有不同数量的重复RO。

BS可以通过分析历史观测结果或高级模型，将SSB波束容易地分类为两个或多个覆盖增强级别。基于覆盖增强级别，gNB可以自适应地将不同数量的RO分配给不同的SSB波束以进行多次传输。

对于FR2，SSB的数量通常设置为16，16个SSB波束中的所有UE只能在10ms内重复发送前导码最多3次。这可能不足以增强PRACH覆盖性能，特别是对于工作在更高频率的需要更多SSB波束的通信系统。

在这种情况下，type 1 SSB（SSB 0-1）和type 2 SSB（SSB 2-3）中的UE可以分别在10ms期间重复发送前导码16次和8次。当SSB的数量为16并且两种类型的SSB的数目相等时，type 1 SSB（SSB 0-7）和type 2 SSB（SSB 8-16）中的UE可以在10ms期间重复发送前导码4次，最多2次。在另一个示例中，当SSB的数量为16时，如果除SSB 0之外的所有SSB波束与2个重复RO相关联，则SSB 0与8个重复RO相关，那么SSB 0、SSB 1和SSB 1-15中的UE可以在10ms期间重复发送前导码16次、4次和最多2次。SSB-RO模式C适用于只有几个SSB波束可能遭受比预期严重的路径损失的场景，例如新建广告牌、临时停车场遮挡SSB波束的LOS路径。

有两种方法可以实现图3中的SSB-RO模式C。第一种方法类似于IAB-PRACH配置，以引入新的PRACH。第二种方法类似于eMTC PRACH配置，并通过覆盖增强级别配置PRACH，其中允许不同级别配置不同的PRACH参数和不同的SSB-RO模式。

在第二方案中，基于UE的信道条件（例如，将其RSRP测量值与RSRP阈值进行比较以确定RSRP水平）在UE处自主地选择PRACH重复次数。LTE的前导码重复规范中已经采用了这种方法，因此可以为NR指定类似的框架。具体而言，gNB需要为UE配置多个RSRP阈值，以确定重复级别，这些阈值被映射到特定的重复级别及其前导码重复数。这种配置的示例如图1所示，其中gNB配置两个不同的RSRP阈值，以确定两个重复级别和一个非重复级别，level 1和level 2分别与2次和4次重复相关。

当传输功率超过重传中的最大传输功率时，应调整所选重复级别，因为RACH成功概率在所选重复级太低。此外，在不增加重复级别的情况下，增强型UE将在RACH尝试失败时持续发送前导码，直到超过最大重传时间，这可能会增加冲突和干扰。允许重复级别增加的RACH过程如图4所示。

在UE发送PRACH之后，UE尝试在RAR窗口的周期内检测具有相应RA-RNTI的PDCCH（DCI）。RAR窗口由SIB消息中的RAR WindowLength信息元素（IE）配置。如果UE成功解码了PDCCH，则它解码携带RAR数据的PDSCH。在解码RAR之后，UE检查RAR中的随机接入前导码标识符（RAPID）是否与其RAPID匹配。对于具有相同波束的多个PRACH传输，单个RAR窗口足以进行RAR检测。RAR窗口应设计得尽可能简单，以实现低复杂性和UE节能。

对于多个PRACH传输，还应考虑RA-RNTI计算。与发送前导码的RO相关联的四步RACH的RA-RNTI计算为：

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

其中s_id是PRACH时机的第一个OFDM符号的索引（0≤s_id＜14），t_id是系统帧中PRACH场合的第一个时隙的索引（1≤t_id＜80），f_id是PRACH时机在频域中的索引（2≤f_id＜8），ul_carrier_id是用于随机接入前导传输的ul载波（0表示NUL载波，1表示SUL载波）。

如果PRACH重复在不同的RO中发送，则每个PRACH传输与不同的RA-RNTI相关联。然而，由于不同重复级别的UE的RAPID不同，即使这些重复RO在不同重复级别上重复使用，多个RA RNTI似乎也是不必要的。在不同重复级别的UE使用相同的重复RO以不同的多次传输来发送不同的前导码的情况下，单个RA-RNTI可以很好地工作。该单个RA-RNTI可以由某个RO计算，例如最后一个重复RO。

在具有不同波束的多个PRACH传输中，UE可以使用宽波束来测量最佳SSB波束，并使用更精细的波束来传输PRACH以获得更高的波束增益，其中UE不知道匹配所选SSB波束的最佳精细波束。一旦UE知道PRACH传输中使用的波束中的最佳波束，它将显著提高Msg3和Msg4传输的性能。为了获得这种改进，最常用的方法是gNB测量在不同波束上传输的PRACH的质量，例如接收功率或幅度，然后向UE指示最佳波束。

有许多方法向UE指示最佳波束，包括将波束候选与PDCCH或RAR的时间/频率位置相关联，将波束候选和PDCCH中使用的RA-RNTI相关联，以及在RAR中引入新的波束指示字段。

Ÿ将波束候选与PDCCH或RAR的位置相关联

图5给出了将波束候选与PDCCH的时间/频率位置相关联的图示。在方法（a）中，波束候选与RAR窗口的持续时间相关联。它使UE能够在相应的持续时间内通过最佳波束接收PDCCH，这另外提高了性能。在方法（b）中，波束候选与PDCCH的频率资源相关联。在该方法中，一旦UE在RAR窗口的周期内成功检测到具有相应RA-RNTI和具有匹配RAPID的RAR的PDCCH，UE就确定Msg3的最佳波束。

Ÿ将波束候选与RA-RNTI相关联

由于PRACH重复的每个RO对应于不同的Tx波束，并且RA-RNTI由某个RO计算，因此PRACH中使用的每个Tx波束与不同的RA-RNTII相关联。图6给出了将波束候选与不同RA RNTI相关联的图示。在该方法中，UE必须检测多个PDCCH，其中RA RNTI对应于RAR窗口周期内的不同Tx波束。如果UE成功解码这些PDCCH中的一个，则它尝试解码携带RAR数据的PDSCH。在解码RAR之后，UE检查RAR中的RAPID是否与其RAPID匹配。如果是，则UE确定Msg3的最佳波束。

Ÿ波束指示字段

在RAR中引入一个新字段来指示UE的最佳波束也是值得考虑的，这非常简单明了。

由于gNB不知道UE使用的波束数量，因此在开销和波束指示性能之间存在权衡。具体地，当预留资源的数量超过大多数UE在PRACH中使用的波束数量时，可以浪费用于波束指示的预留资源。然而，当保留资源块的数量小于大多数UE在PRACH中使用的波束数量时，波束指示性能下降。

指示开销由指定的波束候选的最大数量确定。例如，为了引入新字段以指示最佳波束，更多波束候选需要更多比特。并且，为了使用RA-RNTI来指示最佳波束，检测PDCCH和RAR的开销也随着候选数目的增加而增加。假设有N个波束候选，要检测的RAR的数量平均是单个PRACH传输的（N+1）/2倍，并且在最坏的情况下增加到N倍。此外，对于许多候选，由于有限的频率位置，使用PDCCH的频率位置来指示最佳波束变得不可能。有必要研究波束候选的最大数量。