5G中物理随机接入技术的研究

2020-02-04刘志堃林亮刘子祥

电子技术与软件工程 2020年21期

刘志堃林亮刘子祥

（中国移动通信集团广西有限公司广西壮族自治区南宁市 530023）

5G 物理随机接入技术指的是随机接入前导码从用户终端发送并将其接入到无线通讯网络中，与无线网络间建立一个最基本的信息指令，这个过程就是物理随机接入技术。随机接入的作用就是将基站的无线网络与用户的终端网络相连接，它是上行同步之间以及切换过程的重要步骤。因此，极为有必要探究5G物理随机接入技术，尤其是在未来的许多场景中，当需要相关技术支持的目标移动实际速度不少于350 千米一小时的时候，且最高速度达到750 千米一小时的时候，就可以采用该项技术。基于此，本文针对5G中物理随机接入技术进行以下相关的分析和研究。

1 5G关键技术

1.1 高频段的传输

在移动传输之中，对于高频段的利用属于无线通信在未来的发展中的主要方向，国内和国外的相关技术研究专家对于高频段的传输都尤为重视。目前，无线通讯的频率范围在3GHz 之内，在某种程度上使得频谱资源非常短缺，而高频段本身就具备非常丰富的频谱资源且具有潜在的利用价值，能够在较大程度上解决频谱资源浪费的问题，对于速度较短、距离较近且速度较高的一些现代化的传输和通信的方式给予一定的技术支持，时期能够切实的满足现代化5G 系统中对于实际传输容量和传输速度等方面的高性能需要和时代对其的迫切需求。

1.2 同时同频双全工

除此之外，同频双全这项现代化的技术具体是指在相同的频谱资源里，通信的发射端和实际接收端是可以同时存在于一个物理意义上的传输通道上并能够在相同时间内进行信号的发射与接收。目前，从理论上来说这项现代化技术在空口频谱的基本工作效率上不仅以其优秀的实际功能和工作效率高效超越了现代的TDD（时分双工）及FDD（频分双工），甚至还能够将其提升一倍以上，所以在不久的将来，我们使用的5G 技术能够进一步实现超低时延且具有非常重要的研究意义。

1.3 D2D技术

该项技术是将区域中心设为基站，是当前正在应用的一种蜂窝通信系统组网方式，能够进一步的实现小区之内讯号的覆盖。基站以及中继站一般都属于固定不动的，其自身基本的网络结构在灵活性方面受到了很大的限制。D2D 技术是一种能够直接通信的传输技术，该项技术不需要借助基站或者其他方式的协调，让该小区范围内的无线网络基本结构能够通过接入的方式取得进一步拓展，进而可以有效提升无线通信网络的便捷性、可靠性以及灵活性。在一些较为特殊的场合下，由于终端间会在比较短的距离之内不能够直接实现通信，D2D 技术就可以进一步提升5G 系统，进而实现超高的速率、较低的时延以及比较低的功能消耗，而且可以在实际分布场所非常广泛的终端设备上进行深入的覆盖率方面的提升，以最终有效增加相关频谱资源的实际使用程度。

图1：5G 相关的关键性技术

1.4 新型多天线传输

目前，5G 技术当中非常重要的研究项目之一就是多天线技术，该项技术发展迅速，能够在较大的程度上有效增加频谱这一技术的实际使用程度，如遇各方面条件非常适合的话，可以将该技术的实际使用效率提升原有的几十倍之多。与此同时，这种新型的天线传输方面的技术也增加了有源天线阵列这一现代化概念，并将原有的采用二维方式布置的天线阵列在实际使用纬度上上升到了三维的纬度，也可以将与其协同进行控制的实际天线使用数量增加到128 根。而且此种天线阵列是可以在同样的时间之内支撑多个接收终端设备的波束智能赋型的，也可以大幅度地减少对于接收终端的诸多干扰。再加上现代技术不断地对高频段的频谱进行深入的开发和研究。都从多个方面切实提升了互联网的实际基础容量，也强化了实际信号在覆盖方面的基本性能。

1.5 超密集网络

未来的5G 系统会不断地进行多元化发展，例如：将无线网络宽带化、应用场景多元化以及综合技术业务智能化等。现阶段，随着智能终端种类的多样化，逐渐并逐渐被非常广泛的是自己应用到当前的现代化市场技术中，且无线互联网技术的基本数据流量也将整体上呈现出一种瀑布式的增长态势，许多有关于未来数据的基本业务也可能会在室内以及其他的区域出现，超密集网络在有效提升网络基本覆盖性能的基础上，还能够在固定的范围之内有效提升互联网系统的基础容量，这样不仅可以对相关互联网业务进行更加有针对性的分流方面的处理，还能够进一步的做好网络基本部署，增加网络的使用灵活性，并达到提高频率使用的效果。

表1：5G 支持的参数集基本类型

1.6 新型网络框架

无线网络的扁平化框架是一种新型的接入网方式，也是目前LTE 系统当中使用率较高的方法，此种架构也可以大幅度地减少实际运行系统中的延时时间，以有效降低在后续建网中的基本互联网维护方面的成本。5G 通信的主要系统还会引进C-RNA 接入网的网络架构，这也是一种新型的无线接入网网络架构，能够以协作的方式通过无线电网络结构、即时云计算架构与集中化信息处理所创建。C-RNA 接入网的基础网络框架，可以在最大程度上通过比较低廉的快速光传导网络系统，在较为密集的中心节点与较远的天线阵列之间采取无线信息传递，创建出笼罩将近囊括一百个基站节点在内的一些超级大型的服务站点，其能够覆盖的范围可达几百平方公里，甚至还能够扩大至上千平方公里。5G相关的关键性技术如图1所示。

2 5G系统物理随机接入技术的研究

2.1 5GNR的帧结构以及物理资源

3GPP 组织始终认为5GNR 需要得到进一步的技术方面的支持才可以让这项全新的业务能够更顺利地发展并加入其中，且需要在不对原有的业务产生影响的基础上将其正常的进行融入。所以，这就需要在原有的LTE 技术的基础之上，建设一种全新的无线帧的布置结构。这里还需要充分考虑5G 系统未来的实际发展情况和实际部署场景的发展程度，正是因为这样，相关工作人员要使用从比较低的1GHz 的频谱范围到毫米波的频谱范围。5GNR 的实际帧结构也会在未来的发展中有效支持OFDM 比较灵活且多边形的参数集，更可以将其自身和载波之间的实际间隔范围控制在15-240KHz间，并自主的在不同的环境中按照预先设定的科学比例进行适应性方面的调整。

在实际的LTE 这一系统只中ongoing，5GNR 的实际帧结构是可以有效支持15KHz 载波之间的实际间隔的，且3GPP 的回忆中也对于5GNSA 这项新空口做出了基本标准的设定，使得5GNR 不仅可以有效支持多种类载波之间的基本配置，还可以同时支持两种的不同类型的CP。

本文对比了5G 系统当中子载波间隔、CP 类型、针对数据和同步传输的支持情况，具体如表1所示。

当前，每一个子帧都会包含几个时隙主要是按照μ 值来进行确认的，μ 的取值主要包括5 个，主要是0,1,2,3,4；而CP 的两种基本类型分为常规性（Normal）与扩展性（Extended）。5GNR 标准之中所包含的两个时间单位主要是Tc=1/（△fmax•Nf），其中最大的子载波间隔用△fmax=480kHz 来表示，信道最大傅里叶变换的点数则用Nf=6096 来表示。5GNR 为了可以更好地兼容原本的LET 系统，5GNR 帧结构主要采取固定的架构进行有机结合的形式。

2.2 5G系统物理随机接入的基本流程

2.2.1 发送随机接入前导序列

5G 系统的主要工作是为每一个小区最少分配到64 个前导序列，这些序列主要应用于前导序列，而其余的前导序列则需要应用在随机接入技术当中。UE 则需要遵循等概率原则，从能够选择的随机接入前导序列当中选择出一条序列并将其发送到eNodeB 当中，并按照接收到的信息进行进一步的估算，最后估算出与UE 之间的传输延时。

2.2.2 随机接入的响应

当eNodeB 端成功的检测到从UE 所发出的前导序列并发现来自于PRACH 的时频资源时，会将随机响应信息经过物理资源下行共享的信息通道传输到UE。RAR 之中所包含的数据资源主要包括上行链路同步所需要的时间以及前提量（Timing Advance,TA），从UE 端发送到eNodeB 端的物理层前导ID 显示，上行链路当中的资源分配主要对UL-Grant UL-Grant与RA-RNTI进行物理控制信息。RA-RNTI 的主要作用是判断eNodeB 端的RAR 是否被正确的接收，若UE 成功的发送了随机接入前导，eNodeB 端就会在PDCCH 上进行发送，并在PRACH 时频资源的位置进行映射对应的RA-RNTI，RA-RNTI 的计算公式如下（RA-RNTI）=（1+t_id+10*f_id），其中，0 ≤t_id＜10，t_id 则表示PRACH 资源的时域子帧号，0 ≤f_id＜6，f_id 则表示PRACH 资源的频域序号。

2.2.3 发送调度请求信息

UE 运用混合重传的技术将相应的调度请求信息在UL-SCH 上进行发送，希望能够被eNodeB 所调度，随机接入的基本原因决定这传输的基本内容，而初始的随机接入内容主要包括UE 用于解决冲突的唯一一种识别码以及经过公共控制信息传输到RRC 层而产生的RRC 竞争请求。而无线链路的失败原因主要有以下几点：需要在公共控制的信息上进行传输，由RRC 层产生的一系列经过加密处理的信息，在全方面的保护措施之下对RRC 小区的数据切换进行确认，对已经得到的切换指令以及C-RNTI 分配给用户终端。

2.2.4 冲突解决

eNodeB 端向UE 端发送链接并创建信息，这时用户终端就会在临时的C-RNTI 知识资源位置上对信息进行检测。当无线链路处于发送失败的状态或者当无线链路出现空闲的状态时，就会将PDCCH 中利用的PDSCH 资源通过临时的C-RNTI 进行指示，之后在PDSCH 上进行NAS 识别码的进一步传输。