5G NR：RACH随机接入过程MSG1

前言

• 在文章5G/NR 随机接入过程精讲中已经阐述了RA的总体流程和基本常识，本文主要着重分析接入过程中的MSG1消息：UE发送的MSG1到底发送的是什么，是怎么发送的，以及关于preamble的一些介绍。
• 建议阅读本文前先对随机接入有个系统的了解，否则基本概念可能不是很清晰，链接：5G/NR 随机接入过程精讲

1、MSG1 Overview

  随机接入过程中发送的第一条消息就是MSG1，MSG1实质上最主要功能就是发送preamble码给基站，处理流程大概如下：

• 触发随机接入过程条件

• 判断竞争类型

• 若是竞争接入： 选择前导码和PRACH资源

  • 前导码选择：根据prach-ConfigurationIndex确定可用的前导码集合（0~63）。
  • PRACH资源选择:
    • 时域：根据msg1-FDM和prach-ConfigurationIndex确定时隙和符号位置。
    • 频域：根据msg1-FrequencyStart确定起始RB位置。

• 若是非竞争接入: 使用分配的专用前导码和资源

  • UE直接使用基站分配的以下参数：
    • 专用前导码索引（如ra-PreambleIndex）
    • PRACH时频资源（如ra-PRACH-ResourceIndex）

• 计算发射功率并发送MSG1

• 前导码发送：在选定的PRACH资源上发送前导码（MSG1）

• 启动定时器等待MSG2

  • 定时器时长由ra-ResponseWindow定义（通常2~10 ms）。
  • MSG2内容：包含TA（Timing Advance）、UL Grant、临时C-RNTI等。

• 超时未收到MSG2

  • 重传机制：
    • 重传次数由preambleTransMax限制（最大重传次数）。
    • 每次重传增加发射功率（步长由powerRampingStep定义）。

关键参数来源

参数	来源	作用
prach-ConfigurationIndex	SIB1	确定PRACH时频资源和前导码格式
msg1-FDM	SIB1	频分复用次数（1~8）
ra-PreambleIndex	PDCCH Order/RRC信令	非竞争接入专用前导码索引
powerRampingStep	SIB1	功率爬坡步长（如2 dB）

2、Preamble overview

2.1 Preamble是什么

• 本质
  • 协议38.211中明确的指示了Preamble的本质是基于 Zadoff - Chu（ZC）序列来生成。
  • 但不能简单说 Preamble 的本质就是 ZC 序列，可以把Zadoff-Chu比喻成“砖块”，preamble比喻成是“桥梁，砖块构建桥梁的基础材料。

2.2 为什么需要preamble

  有了MSG1的大概流程后，先了解下preamble相关的基础知识。
在 5G NR 通信系统中，前导码（Preamble）是不可或缺的关键要素。主要用于实现终端（UE）与基站（gNB）的初始同步与资源协调。其核心功能包括：1) 时间同步，通过测量前导码时延计算定时提前量（TA），校准上行传输；2) 用户识别与冲突管理，基于唯一序列区分多用户并解决接入冲突；3) 上行资源请求，触发基站分配初始资源用于数据传输；4) 功率控制，通过接收功率估算路径损耗以优化发射功率；5) 波束管理，在毫米波场景中辅助波束对准，提升覆盖能力；6) 高效检测，利用低峰均比、高相关性的序列设计保障低信噪比下的可靠性。前导码作为UE与网络建立连接的关键信号，支撑了5G高密度接入、低时延及广覆盖场景的需求。

2.3 怎么生成preamble

  通过ZC序列可以生成，为什么要选择ZC序列来生成Preamble，可以参考博文5GNR中的常见序列精讲有详细解释和回答。

2.4 5GNR能够支持多少个preamble

  在5G NR中支持最多64个preamble。 但不同场景本质是RRC中的参数totalNumberOfRA-Preambles 配置来获取。下一章节有说明该参数。

2.5 RACH - ConfigCommon参数有哪些

  RACH - ConfigCommon大概参数如下（TS 38.331 ch6.3.2），totalNumberOfRA-Preambles也在这里面。

rach-ConfigCommon setup :
{
   
   
    rach-ConfigGeneric : {
   
   
        prach-ConfigurationIndex      INTEGER (0..255),            // PRACH配置索引，决定时频资源
        msg1-FDM                      ENUMERATED {
   
   one, two, four, eight},  // Msg1频分复用模式
        msg1-FrequencyStart           INTEGER (0..maxNrofPhysicalResourceBlocks-1),  // Msg1起始频率位置
        prach-FrequencyOffset         INTEGER (0..maxNrofPhysicalResourceBlocks-1),  // PRACH频域资源块起始位置
        preambleFormat                ENUMERATED {
   
   format0, format1, format2, format3, A1, A2, A3, B1, B2, B3},  // 前导码格式
        cyclicPrefix                  ENUMERATED {
   
   normal, long},  // 循环前缀长度
        prach-Periodicity             ENUMERATED {
   
   ms2, ms5, ms10, ms20, ms40, ms80, ms160},  // PRACH时域周期
        prach-TimeOffset              INTEGER (0..prach-Periodicity-1),  // PRACH时域偏移
        zeroCorrelationZoneConfig     INTEGER(0..15),            // 零相关区配置
        preambleReceivedTargetPower   INTEGER (-202..-60),       // 目标接收功率(dBm)
        preambleTransMax              ENUMERATED {
   
   n3, n4, n5, n6, n7, n8, n10, n20, n50, n100, n200},  // 最大传输次数
        powerRampingStep              ENUMERATED {
   
   dB0, dB2, dB4, dB6},  // 功率提升步长
        ra-ResponseWindow             ENUMERATED {
   
   sl1, sl2, sl4, sl8, sl10, sl20, sl40, sl80},  // 响应窗口时长
        prach-RootSequenceIndex       INTEGER (0..837),          // PRACH根序列索引
        restrictedSetConfig           ENUMERATED {
   
   unrestrictedSet, restrictedSetTypeA, restrictedSetTypeB},  // 前导码集合类型
        totalNumberOfRA-Preambles     INTEGER (1..64),           // 小区支持的总前导码数量
        beamformedRACH                ENUMERATED {
   
   enabled, disabled},  // 是否启用波束赋形RACH
        ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB : {
   
   
            oneEighth         		  ENUMERATED {
   
   n4,n8,n12,n16,n20,n24,n28,n32,n36,n40,n44,n48,n52,n56,n60,n64},
	        oneFourth        		  ENUMERATED {
   
   n4,n8,n12,n16,n20,n24,n28,n32,n36,n40,n44,n48,n52,n56,n60,n64},
	        oneHalf          		  ENUMERATED {
   
   n4,n8,n12,n16,n20,n24,n28,n32,n36,n40,n44,n48,n52,n56,n60,n64},
	        one               		  ENUMERATED {
   
   n4,n8,n12,n16,n20,n24,n28,n32,n36,n40,n44,n48,n52,n56,n60,n64},
	        two               		  ENUMERATED {
   
   n4,n8,n12,n16,n20,n24,n28,n32},
	        four             		  INTEGER (1..16),
	        eight            		  INTEGER (1..8),
	        sixteen          		  INTEGER (1..4)

        },
        ra-ContentionResolutionTimer  ENUMERATED {
   
   sf4, sf8, sf16, sf32, sf64, sf128},  // 竞争解决定时器
        rsrp-ThresholdSSB             INTEGER (-140..-44),       // SSB触发RSRP阈值(dBm)
        sul-RACH                      ENUMERATED {
   
   allowed, notAllowed}  // 是否允许SUL上的RACH
    },
    
    nonContentionBasedConfig : {
   
   
        preambleIndex                 INTEGER (0..63),          // 非竞争前导码索引
        ra-RNTI                       INTEGER (0x0000..0xFFFF)  // 非竞争RA-RNTI
    }
}

3、64个Preamble如何生成

3.1 preamble生成原理

  从协议38.211（ch6.3.3）描述了preamble的生成方式：先在某个root sequence 上进行循环移位，如果不够生成64个preamble, 再继续换挨着的下一个root sequence进行循环移位，直到生成所有的64个preamble。

There are 64 preambles defined in each time-frequency PRACH occasion, enumerated in increasing order of first increasing cyclic shift of a logical root sequence, and then in increasing order of the logical root sequence index, starting with the index obtained from the higher-layer parameter prach-RootSequenceIndex or rootSequenceIndex-BFR. Additional preamble sequences, in case 64 preambles cannot be generated from a single root Zadoff-Chu sequence, are obtained from the root sequences with the consecutive logical indexes until all the 64 sequences are found.

生成总流程：

3.2 preamble生成流图

3.3 preamble生成例子

  首先要明白，preamble的生成过程所确定的参数，也是来自L3 RRC配置下来的，主要是放在RACH - ConfigCommon 中，而RACH - ConfigCommon 主要是在 SIB1 （来自MIB）中进行广播，以便 UE 在初始接入小区时能够获取随机接入信道的基本配置信息。
  实际上生成preamble只需要下面几个参数就行，现通过例子形式来逐一说明preamble是如何生成的，假如我们是FR1频段，TDD系统中，从RRC配置下来的 rach-ConfigCommon参数如下：

rach-ConfigCommon setup :