UE需要在何时发送RACH

1. 初始接入时建立无线连接（UE从RRC_IDLE态到RRC_CONNECTED态）；
2. RRC连接重建过程（RRC Connection Re-establishment procedure）；
3. 切换（handover），有两种类型 竞争接入和非竞争接入；
4. RRC_CONNECTED态下，下行数据到达（此时需要回复ACK/NACK）时，上行处于“不同步”状态；
5. RRC_CONNECTED态下，上行数据到达（例：需要上报测量报告或发送用户数据）时，上行处于“不同步”状态或没有可用的PUCCH资源用于SR传输（此时允许上行同步的UE使用RACH来替代SR）；
6. RRC_CONNECTED态下，为了定位UE，需要timing advance。

随机接入的preamble序列，只能在特定的时频资源上发送。
PRACH在频域上的位置由上层半静态设定，通过SIB2中的参数prach-FreqOffset广播给UE，prach-FreqOffset的值代表的是物理块资源的号码，取值范围在0到94之间，PRACH上不存在跳频。

5G中随机接入的两个新流程

SI request

在LTE中，所有的SIB（SymbolInformationBlock）都是小区里广播的。在5G中SIB中SIB1和SIB2是周期广播，除此之外其他的都不是必须广播的（OSI）。对于已经接入的UE，比如Handleover接入的UE，可以通过RRC消息去得到所有的系统信息。另一种，对于Idle态的UE，则可以通过一个新的流程SI Request去通知gNB，来请求获得指定的SIB消息。

• SIB1：包含了UE评估是否可以接入当前小区以及系统调度的相关参数。
• SIB2：包含了公共的无线资源配置信息，定时器与常量，小区禁止接入信息等。
  
  0：gNB在系统消息里，把专门用于SI request 的 Preamble ID广播发送所有的UE，比如id 1对应SIB1,id 2对应SIB2，从而实现逻辑映射关系。
  1：此时，UE可以根据自己的需要，发送不同Preamble ID，而gNB也通过ID知道UE需要什么SIB消息。
  2：gNB需要告诉UE已经收到了相关的消息，即SI reques，发送的PDSCH里面，包含着Preamble ID，PDCCH和PDSCH都在RA-RNTI上的，UE收到了消息2，便不会再发送SI request。

beam failure

首先在LTE中，beam faliure可能是一个短暂的瞬间，大部分都是正常工作的，只是突然一下掉线，但是，马上检测道德CSI-RSRP或者SS-RSRP高于某个门限，就立马进行RACH接入。
在5G中，首先会有一个Preamble ID，gNB必须预先配置好给UE，正像前面说的那样，通过这个ID，gNB能明确知道UE的C-RNTI，所以这个ID应该是专用的，但是Preamble却是有限的，而UE是无限的，所以Preamble ID应该是预先被分配给那些很重要的UE，在其UE建立完给这些UE发一个RRC的消息，配置对应的Preamble。

PRACH的格式

839格式

在3GPP中，定义了很多PRACH的格式，这是序列长度是839的格式，TTI长度是1ms，15K子载波间隔的PACH格式。
序列长度越长，小区覆盖范围越大。

一个PRACH的Preamble格式如下，

发送的时间

由于5G引入beam forming 概念，与4G在接入方面有些许不同。

• 在任意一个RACH的机会就能接入。
• 一定要等到SSB扫描到该UE测量最强的beam时，才能在该slot接入，通过msg2的接入时机从而确定UE的方向。

PRCH接入处理过程

随机接入第二步RAR

• 当UE发送了preamble以后，在一个时间窗内监听PDCCH,检测RAR,这个窗口由ra-ResponseWindow 定义，在系统消息中广播。
• 这个由ra-ResponseWindow指定的时间窗开始于RACH preamble发送后的第一个PDCCH的起始时间。
• 如果在时间窗口内没有检测到RAR,说明基站正在忙，则UE重发preamble,并且增加发射功率。
• 如果基站捕获到preamble，则应该立即组RAR消息并下发：
• • RNTI：新分配的RNTI
• • TA:通过preamble检测发现UE的时间偏差，并通过RAR中的TA command通知UE进行纠正
• • UL grant (message 3的grant)
• • Backoff indication:请UE暂时离开，短时间不要接入，因为网络不回Backoff indication的话，手机会一直不断重发Preamble，造成阻塞。
    什么是RA-RNTI???
• RNTI(Radio Network Tempory Identity)是无线网络临时标识。在UE 和网络 之间交互的信息内部作为UE的标识。对应PRACH的位置——eNB检测到Preamble的时频位置，对应到PRACH_Config中的索引，RA-RNTI是 RNTI的一种。
• 在随机接入的过程中，如果Ue在RACH的资源上发送了Preamble以后，网络侧收到了能量，并且要发送message2 (RAR)，而RAR就是通过RA RNTI进行加扰的，(加扰：扰码与原始信号相乘，从而得到新的信号。与原始信号相比，新的信号在时间上、频率上被打散。这样做的好处是可以减小临近区间的干扰，将信号随机化)
• UE会选择一个前导码和时频资源发送前导码（Msg1）。通过发送前导码所使用的子帧，以及PRACH频率资源的位置可以推算出RA-RNTI。如下图：
  
  UE知道自己之前 Preamble的发送位置，当然也知道这个值。于是检测PDCCH上是否有自己对应的RA-RNTI；有则说明接入被响应，再依据PDCCH上的指示 去PDSCH上读取RA Response消息（Msg2）。Msg2-RAR中包含了TC-RNTI，是基站为终端分配的临时调度ID（temporal C-RNTI/C-RNTI），用于终端和网络的进一步通信。当终端随机接入成功后就会将TC-RNTI升级为C-RNTI。

随机接入第三步Massage3的发送

• 当UE获取RAR以后，按照RAR中的UL grant的指示，发送message 3
• 对于初始接入， message 3中的payload是RRC connection request (这条RRC消息中，包含身份标示IMSI和接入原因-establish cause)
• 对于切换， message 3中的payload是RRC connection re-configuration complete
• 对于失步以后的接入，message 3中的payload主要是RNTI
• 当发送message 3以后
• UE启动contention resolution Timer，等待contention问题的解决
• 如果contention resolution Timer超时，UE会重新启动RACH过程，重发preamble
  Msg3中需要包含一个重要信息：每个UE唯一的标识，该标识将用于步骤四的冲突解决。

随机接入第四步Massage4的处理

• 当基站接受到了Message 3以后，U plane拔RRC消息转交给C-plane, 经过ASN.1的decode以后，C-plane解析这条RRC消息，根据其中的内容，如果是初始接入的话，一般在U-plane上建立Ue的context以及分配相应的物理资源和配置，然后这些物理资源和logical channel等配置要通知给UE，这些信息就包含在Message 4中。
• 针对解决竞争的问题，要先明确“你是谁”这个问题，如上图所示。
  
• 下面这张时序图比较清晰的表达了Msg1/2/3/4应该在什么时间进行发送和接收。
  

随机接入竞争问题

基本概念

• 竞争接入：网络基站并不知道UE要接入，主要用于初始接入和失步以后的接入特点是手机随机挑选preamble，然后尝试接入，网络并不知道这个试图接入的用户是谁，会分配相应的RNTI。
  对于基于竞争的随机，我们在前一页已经已经讨论了，在RAR下发的时候，手机不能确定，已经可能这时候有两个人使用了同样的preamble.手机还不能确定就是自己，所以发送message 3(可能另外一个人也在发送message3)，等到message4到达的时候，通过Contention resolution的MAC CE同手机当初的message3前6byte一致的时候，UE认为Contention的问题解决

• 非竞争接入：基站知道用户要接入，主要用于切换，RNTI和preamble都是事先分配的，在源小区通过RRC reconfig通知用户。
  对于非竞争的随机接入，因为preamble是事先分配的，而且是唯一的，随机接入的时候，如果Target preamlbe被捕获，则认为基站已经知道该来的人来了，下发msg 2 RAR以后，当UE用所对应的RA RNTI成功解出，则UE认为网络已经认出自己了，则Contention的问message2的时候解决

两个特殊情况

• 在基于非竞争的接入，如果接入失败，则UE会转入基于竞争的随机接入。

• 如果UE检测到失步，就必须发起基于竞争的随机接入。

基于上述情况产生的矛盾

一旦发起基于竞争的随机接入，基站不在知道UE的ID。
比如切换时候用的非竞争的接入，这时候用户Context和preamble都已经好了，一直在原来的preamble上等，但是UE换了一个（preamble）进行接入，但是基站并不能识别出来，

解决

通过在msg3中加入RNTI的MAC CE来解决，用户必须等待基站用原来的RNTI进行一次上行的调度，这样才能解决竞争的问题。