两步随机接入机制的深度解析和未来增强

魏浩，张梦洁，杨立

（1.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055；2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055）

0 引言

随着第一版5G 国际标准（3GPP NR Rel-15 版本）于2018 年9 月发布，无线通信正式进入5G 时代的飞速发展期[1]。在5G 的三大应用场景中，NR Rel-15 版本的设计已较好地支持了增强移动宽带（eMBB,Enhanced Mobile Broadband）业务。然而，对于海量机器类通信（mMTC,Massive MachineType Communication）业务，特别是B5G/6G 研究所重点关注的超高可靠低时延通信（URLLC,Ultra Reliable Low Latency Communication）业务[2-3]，由于场景的多样性和需求的差异性，NR Rel-15 版本功能集并未实现对此类业务的有效支持[4]。因此，3GPP NR Rel-16 版本在Rel-15 版本的基础上做了全面的扩展和增强，被称为5G 第二阶段（5G Phase 2），并于2020 年6 月正式冻结提交。其中，两步随机接入（2-step RACH,Random Access Channel）作为垂直行业主要应用场景的技术增强，在Rel-16 获得正式立项[5]，并于2020年6 月完成相关的标准化工作。

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 版本引入两步随机接入技术[6]，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[7]，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[8-9]。

如图1 所示，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。

图1 随机接入过程

两步随机接入技术简化了接入过程步骤，有效提升了系统传输性能。对于非地面网络（NTN,Non-Terrestrial Networks）卫星通信融合演进[10]和非授权频谱（NR-U,NRUnlicensed）通信[11]，采用两步随机接入技术，可以降低一半接入和传输时延，有效改善通信体验。对于未来不断增强的高频毫米波融合通信[12]，由于其具有带宽大时隙短的特性，适合于突发性强、传输速率高、传输时延低的垂直行业应用场景。同时，由于高频小区覆盖半径较小，基站和终端的距离较近，一般信号的往返传输时延（RTT,Round-Trip Time）不会超过一个循环前缀（CP,Cyclic Prefix）的长度[13]。在这种情况下，可以近似认为Msg3 和Msg1 是时间同步的，不会产生符号间干扰。Msg3 不需要做定时提前就可以和Msg1一起合并为MsgA 一次传输。因此，两步随机接入技术可以有效提升高频小区的接入效率。

两步随机接入技术在信道结构和接入流程等方面做了增强设计，显著降低了随机接入过程中的时延、信令开销以及功耗。但由于接入流程的改变，也对空口信息的传输和处理引入了新的变化。本文将在深度分析两步随机接入协议基本机制的基础上，对其空口的各个增强技术展开详细的探究。同时结合具体案例给出算法阐述，并进一步预测未来的增强方向。

1 两步随机接入空口增强技术

两步随机接入技术为5G 提供了更低的接入传输时延，简化了随机接入流程，但也引入了一些新的挑战。例如，两步随机接入将原先四步随机接入中承载控制信息的Msg3 与前导序列Msg1 合并之后，终端在传输MsgA之前无法获得基站对Msg3 的调度信息，因此不同终端的MsgA PUSCH 传输无法做到完全的资源同步。同时基站也需要将原先的Msg2 和Msg4 合并成MsgB 发送。上述实现方式给基站和终端的空口信号处理带来了新的挑战，需要对原有技术进行相应的改进和增强。

1.1 MsgA PUSCH定时偏移

在进行两步随机接入过程时，虽然基站可以根据PUSCH传输机会（PO,PUSCH Occasion）和PRACH 传输机会（RO,RACH Occasion）的对应映射关系识别PUSCH 资源的位置，但是无法支持对MsgA PUSCH 的定时提前（TA,Timing Advance）自适应调整。此外，终端在MsgA 传输之前无法获知基站对PUSCH 的调度信息。因此，当多个不同定时偏移的终端同时传输时，各终端发送的MsgA PUSCH 信号到达基站的时间很可能是不对齐的。在上述情况下，基站的检测窗口需要进行定时偏移的调整，以容纳多个终端的信号。

如图2（a）所示，基站检测窗口window#1 容纳了UE1 和UE2 的信号，但由于UE3 需要较大的定时偏移，UE3 的信号无法完全落入窗口window#1 中。因此，为了检测UE3 的信号，基站需要配置另外一个检测窗口window#2。在两步随机接入过程中，当不同终端之间的定时偏移超过CP 长度时，基站侧需要设置多个检测窗口来对PUSCH 信号进行解析。也就意味着，基站需要在每个时隙进行多次的快速傅里叶变换（FFT,Fast Fourier Transform）操作，这将提升接收机的复杂度。因此，基站可以对终端进行分组处理，同一个终端组内终端之间的定时偏移较小，可以采用同一个检测窗口。如图2（b）所示，基站可根据随机接入终端的数量和定时偏移的分布，基于终端分组来配置相应检测窗口的数量和位置。

图2 基站检测窗口定时偏移调整

上述方案虽然可以在一定程度上实现性能和复杂度的平衡折中，但这种盲检测方案会给基站带来很大的处理开销。在后续协议的演进中，可以针对定时偏移问题在终端侧做进一步的优化。

如图3 所示，基站发送同步广播信号，该信号中同时包括时间戳标记tBS，以及MsgA PUSCH 信号接收的时间窗位置、时间窗的起始时间tw和时间窗的持续时间Tw。终端接收到同步广播信号后进行下行同步，同时进行系统信息解析。根据基站发送的时间戳标记tBS和本地定时tUE，终端可估计传输时延ΔTd=tUE-tBS。假设MsgA PRACH 信号的发送时刻为tPRACH，信号持续时间为TPRACH，MsgA PUSCH 信号的发送时刻为tPUSCH，信号持续时间为TPUSCH，终端便可自适应调整MsgA PUSCH信号的发送时间，使得tw≤tPUSCH+ΔTd≤tw+Tw-TPUSCH，同时MsgA PRACH 信号和MsgA PUSCH 信号的间隔时间也相应地调整为ΔTMsgA=tPUSCH-(tPRACH+TPRACH)。这样，基站对MsgA PRACH 进行检测之后，可以继续在预先设定的时间窗起始时间tw对MsgA PUSCH 信号进行接收及解析，之后基站再根据解析内容，向用户发送MsgB 信号。

图3 MsgA信号发送间隔调整

根据上述方案，终端可对MsgA PRACH 和MsgA PUSCH 发送时间进行自适应调整，使得MsgA PUSCH信号落在基站侧的检测窗口内。这种基于终端自我预补偿上行TA 的优化方案，将对随机接入性能带来较大提升，是终端能力增强的重要方向。

1.2 MsgA PUSCH信号检测

如1.1 节所述，在基站侧的一个检测窗口内，很可能存在多个接入终端的传输数据。虽然基站可以对终端进行分组，但同一个终端组内终端之间还是存在一定程度的定时偏移。但由于不同终端的异步非调度传输和功率差异，会造成多个终端信号在基站侧非正交叠加，因此不同终端的上行传输之间存在符号间干扰和子载波间干扰[14]。

基站侧在检测时，根据多用户多天线技术，可以采用传统的最小均方误差干扰抑制合并（MMSE-IRC，Minimum Mean Squared Error-Interference Rejection Combining）接收机来对终端PUSCH 信号进行解析。虽然协议为终端设计了新的加扰序列来降低干扰，但要尽可能地消除终端之间的干扰，获得性能的提升，基站侧可以进一步采用带有干扰消除模块的先进接收机来进行信号处理。

如图4 所示，串行干扰消除接收机主要由信号检测器、译码器和干扰消除三个模块构成。接收机将输入的多终端叠加信号，通过干扰消除方式进行检测和译码，串行输出各个单终端的信号。考虑接收机性能和复杂度，干扰消除可以选择不同方式。其中，硬消除是将已经正确译码的硬比特重构出该终端的信号，并作为已知信息从叠加的接收信号中消除，再进行下一个终端的译码。软消除是将译码器输出的对数似然比，再经过检测器和译码器之间的多次迭代，逐渐提升每个终端符号的置信度[15]。硬消除的复杂度主要体现在空域联合MMSE 矩阵的处理上，而软消除的复杂度主要在于检测器和译码器的软迭代。因而软消除的复杂度相对较高，但其接收机性能也有更高的提升。

图4 串行干扰消除接收机

我们对串行干扰消除接收机的性能进行仿真验证。仿真条件设置如下：（1）终端侧发送天线数：1；（2）终端数量：2，4；（3）基站侧接收天线数：4；（4）基站数量：1；（5）信号检测方式：MMSE 检测；（6）信道编码：低密度奇偶校验码（LDPC,Low Density Parity Check Code）；（7）码率：0.5；（8）调制方式：QPSK，16QAM；（9）信道：瑞利衰落信道，加性高斯白噪声。

如图5 仿真结果所示，基站侧采用干扰消除的软迭代方式进行检测译码，与不迭代的MMSE 算法相比，可以获得较为明显的性能增益。如果同时处理的终端数增加，以及调制阶数增加，与不迭代的MMSE 算法相比，软迭代算法相应的性能增益程度也越大。同时，软迭代的增益收敛也很快，只需要增加1～2 次迭代的复杂度，就可以获得较为可观的性能增益。

图5 接收机性能

1.3 上行接收波束优化

在两步随机接入过程中，MsgA PRACH 的接收只是检测前导序列是否存在，而MsgA PUSCH 的接收需要对数据进行解调和译码。所以，相比于PRACH 的检测，PUSCH 的解析需要更高的信干噪比（SINR,Signal to Interference plus Noise Ratio）。

协议规定，MsgA PRACH 与MsgA PUSCH 采用相同的发送波束。但对于基站侧接收波束的设计，协议没有硬性的规定，留有实现的灵活性。因此，在对MsgA PRACH 进行前导序列检测时，可以采用较宽的波束。在综合考虑波束数量、RO 数量等系统开销较为合理的基础上，实现较好的空间覆盖。同时，在对MsgA PUSCH 进行解析时，可以采用较窄的波束，从而提升小区边缘的覆盖性能，并达到减少终端碰撞概率的目的。

因此，基站对处于RRC 连接状态的终端的随机接入信号进行接收时，可以采用与SSB 关联的宽波束作为MsgA PRACH 的接收波束，同时采用与CSI-RS 关联的窄波束作为MsgA PUSCH 的接收波束。其中，较窄的CSI-RS 波束是较宽的SSB 波束的子波束，可以实现更高的性能增益[16-17]。

上行接收波束优化的过程如图6 所示。首先，通过下行波束扫描过程，终端选择较优的SSB 波束，以及确定此SSB 波束关联的CSI-RS 波束。SSB 波束和CSI-RS波束均与终端侧的某个接收波束对应。然后，在上行随机接入过程中，终端选择此对应波束作为上行发射波束传输MsgA 信号。基站侧先采用SSB 波束相应的宽波束作为接收波束，进行PRACH 信号的检测。之后，根据SSB波束与CSI-RS 波束的对应关系，采用与CSI-RS 波束对应的窄波束作为接收波束，进行PUSCH 信号的解析。

图6 上行接收波束优化

1.4 上行发送波束选择

终端在随机接入时，既希望降低接入时延，同时也希望增强接入性能，提高接入成功率。如图7 所示，在实际场景中终端可能会面临两种选择：一是以较低时延发起接入过程，但可能选择的是次优的SSB 波束；二是等到更优的SSB 波束机会，但是可能增加接入时延。

图7 上行发送波束优化

目前协议规定同一个终端的PRACH 和PUSCH 信号不能在相同的时隙内传输，因此在某些帧结构的配置下，MsgA PRACH 的上行发送时隙和MsgA PUSCH 的上行发送时隙之间，可能存在若干下行时隙。于是，终端可以利用这些下行时隙继续进行SSB 波束的检测，灵活选择是否采用不同的上行发射波束传输MsgA PRACH 和MsgA PUSCH，在接入时延的权衡下，获得接入性能进一步的增强。

当终端发起随机接入过程时，可以先选择一个SSB波束对应的上行波束发送MsgA PRACH 信号。同时，在随后的下行时隙继续对SSB 波束进行测量。如图8（a）所示，如果终端后续没有检测到参考信号接收功率（RSRP,Reference Signal Receiving Power）大于设定阈值的SSB波束（该阈值可由基站侧通过广播信息发送给终端），则采用和之前相同的上行波束发送MsgA PUSCH 信号。而如图8（b）所示，如果终端后续检测到RSRP 大于设定阈值的SSB 波束，则采用新的上行波束重新发送MsgA PRACH 信号和MsgA PUSCH 信号。

此外，根据当前协议规定，MsgA 的PRACH 和PUSCH 信号必须对应同一个SSB 波束进行接入，这在一定程度上限制了波束选择的灵活性。由图8（b）可以看出，如果允许MsgA 的PRACH 和PUSCH 信号对应不同的SSB 波束接入，终端可在下行测量后直接选择更优的SSB 波束发送MsgA PUSCH 信号，不需要重传MsgA PRACH 信号，从而在不增加接入时延的情况下，获得接入性能的增益。虽然目前协议没有考虑上行发送波束选择的优化，但这是后续增强的重要方向之一。

图8 随机接入波束重选

1.5 随机接入类型选择

终端在发起随机接入之前，需要确定随机接入的类型。一般来说，处于小区中心位置的终端到基站的RTT比较小，不需要进行TA，并且信道质量也较好，采用两步随机接入方式既能获得较好的传输增益，也能保证一定的接入成功率。而对处于小区边缘位置的终端，其RTT较大，信道质量也相对较差，采用四步随机接入方式以保证接入成功率，是一个更为稳妥的选择。因此，基站可在系统消息里面配置一个RSRP 的阈值，终端可据此来选择首次随机接入的类型。如果终端测量的RSRP 值大于阈值，则首先选择两步随机接入方式，否则采用四步随机接入方式。基站对该RSRP 阈值进行调整，来控制和平衡采用两种不同随机接入类型的终端数量。

在实际通信中，根据终端反馈的各SSB RSRP 值，基站可以通过长时间、有规律的波束测量和上报机制，检测和掌握终端分布和小区覆盖情况，从而设定随机接入RSRP 阈值的范围，以及RSRP 阈值的调整步长。然而采用这种方式，基站需要等待较长的反馈和判断时间，且由于终端在小区的分布是实时变化的，基站得到的分布信息也会存在一些误差。因此，基站可以采用一种基于后验统计概率的方式，较为可靠地获得小区内用户随机接入的情况。

具体地，如图9 所示，基站在发送SSB 信号时，广播信息包含一个RSRP 阈值初始值ξ，同时设定该阈值范围，有最小值ξmin与最大值ξmax，以及RSRP 阈值调整步长Δξ。基站在固定时间间隔Tη内，统计更新采用两步随机接入模式的接入失败次数η，并设定两个次数阈值η1和η2，其中0＜η1＜η2。失败次数初始值为零，如果超出固定时间间隔，则次数重新置为零，并在新的时间间隔内重新进行次数统计。接入失败事件可以定义为，基站检测终端发送的MsgA PRACH 信号成功，但解析终端发送的MsgA PUSCH 信号失败（这表示信道质量不足以解析MsgA PUSCH）。如果η＜η1，则表示目前采用两步随机接入的终端接入成功率较高，可以让更多终端选择两步随机接入方式，基站可以按照设定步长降低RSRP 阈值，即ξ=ξ-Δξ，且须保证ξ≥ξmin；如果η1≤η＜η2，则表示目前接入情况良好，基站保持当前的RSRP 阈值ξ不变；如果η2＜η，则表示目前采用两步随机接入的终端接入成功率较低，应该减少两步随机接入的终端数，于是基站可以按照设定步长提高RSRP 阈值，即ξ=ξ+Δξ，且须保证ξ≤ξmax。这样，基站就可以根据接入失败次数与次数门限的关系，按照设定步长自适应调整RSRP 阈值，并在发送的SSB 信号广播信息中进行阈值更新。

图9 RSRP阈值自适应调整

对于随机接入类型的选择，将信道质量作为配置准则是最为关键有效的指标之一。但除此之外，还需要考虑覆盖、时延、性能、开销等多方面影响，以及小区当前主要业务的特点（比如URLLC 业务对时延更为敏感）。因此，作为后续方案的增强演进，系统可以在综合多个维度情况之后，调整随机接入类型的资源配置和相应参数设定，从而整体提高系统接入成功概率和资源利用效率。

2 结束语

两步随机接入技术是NR Rel-16 版本引入的主要新特性之一。该技术将传统四步随机接入中的两个上行信道信息Msg1 和Msg3 联合为MsgA 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 由基站发送给终端，有效简化接入流程，降低传输时延，从而达到优化系统性能的目标。本文在阐述两步随机接入技术协议机制的基础上，从基站和终端在定时偏移、信号检测、波束优化、随机接入类型选择等方面的实现设计着手，结合具体的协议流程和方案设计，对其空口增强技术进行了详细的研究和未来增强方向的预测。

两步随机接入主要对随机接入过程进行了增强，在初始接入时仅携带必要的控制面信息，而不会传输任何用户面的数据。在5G 的URLLC、mMTC 场景中，存在大量终端有低时延小数据传输的需求，而目前协议仅支持在RRC 连接态下的用户面数据传输，非RRC 连接态如果要进行数据传输，则要求终端先进行状态切换再发起数据传输，如此小微数据的传输效率很低。因此，在Rel-17 版本演进阶段，NR继续对两步随机接入技术应用于非RRC 连接态的小包数据传输进行继续增强，包括支持MsgA PUSCH 承载更大数据包的配置和MsgA PUSCH 的HARQ 重传机制设计等，进一步降低随机接入和传输时延，提高数据传输效率，并兼顾终端和基站节能的需求。总之，两步随机接入技术进一步丰富了未来蜂窝通信系统内的数据传输手段和目的。