7.3.3.2.2 Msg3 - 发送RRC连接请求

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一、 章节背景与系统定位

1.1 初始接入（CBRA）全流程信令轴线

在 5G NR 无线接入网（NG-RAN）架构中，基于竞争的随机接入过程（CBRA, Contention-Based Random Access）是用户终端（UE）与基站（gNodeB）建立初始无线链路、取得上行同步并建立无线资源控制（RRC）连接的必经之路。完整的 CBRA 四步握手流程包含：

• Msg1 （Preamble）: UE 在指定 PRACH 资源上发送随机接入前导码（Preamble）。
• Msg2 （RAR）: gNodeB 监测到 Preamble 后，在 PDCCH/PDSCH 上下发随机接入响应，包含 TA 调整、TC-RNTI 以及调度 Msg3 的 RAR UL Grant。
• Msg3 （RRCConnectionRequest / RRCSetupRequest）: UE 在 RAR UL Grant 指定的 PUSCH 资源上发送包含高层控制标识（RRCSetupRequest）的传输块，即本节探讨的核心主题。
• Msg4 （Contention Resolution / RRC Setup）: gNodeB 回传竞争解决标识（Contention Resolution Identity），解决冲突并下发 RRCSetup 建立无线承载。

1.2 协议层级纵向映射（SRB0 / CCCH / PUSCH）

从 3GPP 协议栈（TS 38.331 / TS 38.321 / TS 38.211）纵向视图来看，Msg3 的产生与递交经历了严密的层级映射：

1. RRC 层（L3）: Msg3 的消息体为 RRCSetupRequest，由 UE 的 RRC 控制面实体生成。由于此时 UE 尚处于 RRC_IDLE 状态且未建立专有的控制信承载，该消息映射至无线信令承载 0（SRB0, Signaling Radio Bearer 0）。
2. MAC 层（L2）: SRB0 对应的逻辑信道为公共控制信道（CCCH, Common Control Channel）。在 MAC 层，控制单元将 CCCH SDU 与必要的 MAC PDU 报头进行封装。如果 UE 属于重新连接或 Resume 场景，MAC 层还会在此处捎带 C-RNTI MAC CE 或 BSR（缓存状态报告）。
3. PHY 层（L1）: MAC PDU 组装为物理层传输块（TB），最终映射至物理上行共享信道（PUSCH, Physical Uplink Shared Channel）进行空口发射。

【深入辨析：为什么 Msg3 使用 PUSCH 而非 PUCCH？】

在 5G NR 体系中，PUCCH（物理上行控制信道）需要由基站进行专有配置（如特定 PUCCH Resource Set、周期性或半持续性时频资源）。在初始接入阶段，gNodeB 尚未获得 UE 的确切身份与信道质量，更未建立专用 RRC 连接，因此不可能为其预留 PUCCH 资源。所有高层控制信令（如 RRCSetupRequest）只能作为数据有效载荷，利用 PUSCH 的共享资源块进行传输。

二、 Msg3 初传调度机制：27-bit RAR UL Grant 深度解构

2.1 为什么 Msg3 初传"不依赖" PDCCH / DCI 动态调度？

在 5G 通规上行传输场景中，任何 PUSCH 的发送原则上都必须通过 PDCCH 上的下行控制信息（如 DCI Format 0_0 或 0_1）进行动态指示（DCI-based UL Grant）。然而，Msg3 初传是一个非常特殊的例外：

在 Msg3 初传的时刻，UE 尚未在小区内获得专用的 C-RNTI 身份标识，gNodeB 无法使用 C-RNTI 对 PDCCH 进行 CRC 加扰和寻址调度；同时，若使用临时标识 TC-RNTI 逐个在 PDCCH 上下发 DCI 调度 Msg3 初传，将带来巨大的 PDCCH 盲检开销与下行控制信道阻塞。

为此，3GPP TS 38.213 规范规定：Msg3 的初传资源完全由 Msg2（RAR）中内嵌的 27-bit 物理层字段------RAR UL Grant 显式指定，无需在下行 PDCCH 上监听额外的 DCI。

2.2 27-bit RAR UL Grant 内部比特域全解表

字段名称 (Field Name)	比特位数	工程含义与物理层指导
Frequency Hopping Flag	1 bit	频率跳变标志：指示 Msg3 PUSCH 发送是否开启跳频（1 开启，0 关闭）。
Msg3 PUSCH Frequency Allocation	12--14 bits	频域资源分配：指示占用 RB 的起始位置与连续 RB 数量（Resource Allocation Type 1）。
Time Domain Resource Allocation	4 bits	时域资源分配：对应表格索引，指示 Slot 偏移 k2、SLIV 及 PUSCH 映射类型。
Modulation & Coding Scheme (MCS)	4 bits	调制编码方案：指定 Msg3 PUSCH 使用的 MCS 索引（QPSK 阶次）。
TPC Command for PUSCH	3 bits	发射功率控制命令：调整功控偏置（-6 dB 至 +8 dB）。
CSI Request	1 bit	信道状态信息请求：1 表示要求附带上行 CSI 报告，0 不需要。

2.3 PUSCH 传输时序计算（k2 偏移与 SCS 对应）

根据 3GPP TS 38.213 第 8.3 节，Msg3 PUSCH 的发送时隙计算公式为：n + k2 + Δ ，其中 n 为接收 RAR PDSCH 的结束时隙，k2 为 RAR Grant 中的时域偏移，Δ 为考虑到 Uplink/Downlink 切换与处理时间的额外补偿步长。对应不同子载波间隔（SCS）：

• SCS = 15 kHz (FR1): Δ = 2 个时隙；
• SCS = 30 kHz (FR1): Δ = 3 个时隙；
• SCS = 120 kHz (FR2): Δ = 6 个时隙。

三、 Msg3 重传的前因后果与 HARQ 控制机制（深度展开）

3.1 【起因】Msg3 传输失败的根本原因分析（Causes）

在真实的蜂窝无线网络环境中，Msg3 的初传并不能保证 100% 成功。导致 Msg3 在空口传输失败并引发重传的深层原因主要包括以下三大类：

1. 衰落与突发信道干扰（Fading & Sudden Interference）: 由于初始接入阶段 UE 尚未建立闭环功率控制，基站根据 Preamble 估计的接收功率可能与实际 PUSCH 需求存在偏差。如果在 Msg3 发送期间无线信道发生深度快衰落或面临强烈的同频干扰，gNodeB 接收端的 SINR 将陡降，导致 PUSCH 物理层解调失败。
2. 竞争性接入（CBRA）空口碰撞（Intra-cell Collision）: 在基于竞争的随机接入场景下，如果两个或多个 UE 在同一个 PRACH 时频资源（RO）上发送了完全相同的 Preamble 码，gNodeB 在 Msg1 阶段无法分辨，因而会在 Msg2 中下发包含相同 RAR UL Grant 和相同 TC-RNTI 的响应。此时，两个 UE 将同时在完全相同的 PUSCH 时频资源上发送各自的 Msg3，形成严重的同频对撞信号。
3. 上行功控偏差与链路预算限制（Open Loop Power Bias）: UE 通常位于小区边缘，受限于最大发射功率（如 23 dBm），上行链路预算（Link Budget）紧张，导致接收 SNR 超出解调限度。

3.2 【过程】Msg3 重传触发机制：从 RAR Grant 转向 PDCCH/DCI 动态调度

重传调度的核心机制：Msg3 初传使用 RAR UL Grant，而 Msg3 重传完全改变了模式，必须通过 PDCCH 进行显式动态调度！

• PDCCH DCI 下发: 当 gNodeB 判定 Msg3 需要重传时，它会在下行 PDCCH 的 Type1-PDCCH 公共搜索空间（CSS）中下发格式为 DCI Format 0_0 的上行授权。
• TC-RNTI 寻址掩码: 该 PDCCH 消息在 CRC 加扰时，必须使用 Msg2 中分配的临时身份标识------TC-RNTI 进行加扰。UE 使用 TC-RNTI 解扰盲检。
• NDI （新数据指示）未翻转判决法则: DCI Format 0_0 中的 1-bit NDI 保持不翻转（Not Toggled，即 NDI = 0）。UE 物理层根据 NDI 未翻转这一标志，明确断定本次调度是要求重传 HARQ 缓存区中的旧 Msg3 数据块！
• RV 轮转与 HARQ 软合并: DCI 0_0 指定本次重传使用的冗余版本（RV，按 RV0 -> RV2 -> RV3 -> RV1 顺序轮转）。UE 提取重传编码块，gNodeB 接收端将重传信号与初传在软缓存中的 LLR 进行 HARQ 追赶合并或增量冗余合并（IR-HARQ），大幅提升解调成功率。

【关键原理总结：初传 vs 重传的本质区别】

• Msg3 初传：由 Msg2 中的 27-bit RAR UL Grant 直接调度；无 PDCCH DCI；物理层不直接用 TC-RNTI 加扰 PUSCH。

• Msg3 重传：由 PDCCH 下发的 DCI Format 0_0 动态调度；DCI CRC 必须用 TC-RNTI 加扰；NDI 保持不翻转（0）；支持 RV 轮转与 HARQ 软合并。

3.3 【定时与上限控制】定时器与重传闭环

• ra-ContentionResolutionTimer 运行机制: UE 在发送 Msg3（初传或重传）后的第一个 PDCCH 机会时刻启动该定时器，持续监听 TC-RNTI 加扰的 PDCCH。若超时仍未收到 Msg4，判定本次接入失败。
• maxHARQ-Msg3Tx 重传上限: MAC 层维护 `maxHARQ-Msg3Tx` 参数（通常为 3~5 次）。若重传达上限仍未成功，终止当前接入。
• 退避（Backoff）与重新发起接入: 宣告失败后，UE 递增 PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER，触发功率提升（Power Ramping），并经过随机 Backoff 退避后重新从 Msg1 开始发送 Preamble。

四、 临时身份标识（TC-RNTI）的生命周期全过程

1. 孕育产生（Msg2 阶段）: 在 Msg2 中为 UE 显式分配 16-bit TC-RNTI，赋予临时小区身份。
2. 保护与重传寻址（Msg3/Msg4 阶段）: 在竞争解决完成前，充当下行寻址令牌。gNodeB 用其加扰 PDCCH 调度 Msg3 重传及 Msg4；UE 用其盲检下行响应。
3. 身份转正（竞争成功）: 成功收到匹配的 Msg4 后，MAC 层将 TC-RNTI 正式"转正"提升为专有 C-RNTI。
4. 销毁释放（竞争失败）: 竞争失败或超时后立即清空释放。

五、 竞争解决与 RRCSetupRequest 消息结构

5.1 RRCSetupRequest (3GPP TS 38.331) ASN.1 结构全解析

RRCSetupRequest ::= SEQUENCE {
rrcSetupRequest RRCSetupRequest-IEs
}

RRCSetupRequest-IEs ::= SEQUENCE {
ue-Identity InitialUE-Identity,
establishmentCause EstablishmentCause,
spare BIT STRING (SIZE (1))
}

InitialUE-Identity ::= CHOICE {
ng-5G-S-TMSI-Part1 BIT STRING (SIZE (39)), -- 已注册 UE 的 5G-S-TMSI 高位比特
randomValue BIT STRING (SIZE (39)) -- 未注册 UE 的 39 位随机数
}

• ue-Identity (InitialUE-Identity): 39-bit 终端唯一标识。未注册终端生成 `randomValue`（碰撞概率 1/2^39）；已注册终端填入 `ng-5G-S-TMSI-Part1`。
• establishmentCause ( 建立原因): 8 种枚举取值（mo-Signalling, mo-Data, emergency, highPriorityAccess 等），用于基站准入控制与优先级调度。
• spare: 1-bit 预留，对齐字节边界。

六、 本节核心要点总结

• 信道映射: CCCH (逻辑信道) -> SRB0 (无线承载) -> PUSCH (物理信道)；消息体为 RRCSetupRequest。
• 调度机制差异: 初传由 Msg2 中的 27-bit RAR UL Grant 显式调度，不依赖 PDCCH/DCI；重传由 PDCCH 下发的 DCI 0_0 动态调度，CRC 由 TC-RNTI 加扰，NDI 保持不翻转（0）。
• TC-RNTI 生命周期: 由 Msg2 分配；用于调度 Msg3 重传和接收 Msg4；竞争成功升级为 C-RNTI，竞争失败则释放。
• 重传因果: 多终端碰撞或衰落导致 PUSCH CRC 错误；通过 DCI 0_0 进行 RV 轮转与 HARQ 软合并重传，受控于 `ra-ContentionResolutionTimer` 与 `maxHARQ-Msg3Tx`。
• 竞争解决关键: Msg3 携带 39-bit randomValue 或 S-TMSI；gNodeB 在 Msg4 中原样回传，终端比对一致即判定竞争胜利。