5G NR 随机接入技术及通信系统随机接入流程研究

2024-05-13张蔚之

通信电源技术 2024年4期

张蔚之

（广西广播电视信息网络股份有限公司，广西南宁 530000）

0 引言

5G 技术作为全新一代蜂窝移动通信技术，具有高数据传输速率和低延迟的特点，在物联网、远程控制以及无人驾驶等众多领域发挥巨大作用。随着5G 技术的应用越发完善，人们对5G 新空口（New Radio，NR）系统提出更高的要求。为确保5G 技术在实际当中发挥出更大的作用，降低信息传输误码率，必须设计出更加良好的5G NR 系统随机接入流程。

1 5G NR 随机接入技术

1.1 5G NR 基本概况

1.1.1 用户面协议栈

5G 用户面协议栈共由以下3 层构成：L1 层，位于整个协议栈的最下层，又称为以太网物理层（Physical Layer，PHY），主要用于初步处理数据，并将其传输给天线端口；L2 层，位于协议栈的中间，又可划分成媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）子层、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）子层、分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）子层以及服务数据适配协议（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）子层，主要用于详细处理数据，如数据头部信息的添加与修改等；L3 层，位于协议栈的最上层，又称为无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层，针对高层传输的控制指令，适当进行数据调度[1]。

1.1.2 OFDM 技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术是5G NR 通信系统中的核心技术。5G NR 系统内通常具备多条信息传输路径，这些路径之间存在相互干扰，使一帧数据传输时间并不相同，从而影响OFDM 符号的准确性。因此，OFDM 技术通常要在OFDM 符号前端设置一个循环前缀（Cyclic Prefix，CP），以处理数据到达的先后顺序，使同一帧数据在不同路径上的传输时间基本相同，从而得到准确的OFDM 符号[2]。

1.2 随机接入目的与过程分析

1.2.1 随机接入目的（1）接收上行资源。基站输送主信息块（Main Information Block，MIB）和系统信息块类型1（System Information Block Type1，SIB1）后，终端解析完成下行同步，通过随机接入的方式，传输用户设备（User Equipment，UE）与基站之间的信息，然后结合基站分配的UL Grant 字段，接收上行资源。

（2）系统上行时间保持同步。随机接入响应（Random Access Response，RAR）内存在一个关键的信息。定时提前（Timing Advance，TA）用于控制航行时间的同步，避免系统内部出现失步问题，以提升网络中信息传输的精确性。

（3）基站侧波速测量。下行同步实现后，UE将准确解析同步信号块（Synchronization Signal Block，SSB）中的信息，并结合参考信号接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP），在SSB 波速与物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）之间构建映射关系，使得5G NR 系统随机接入后，基站可实时获得UE 上的信息。

1.2.2 随机接入过程

根据特征的不同，5G NR 随机接入可划分成两类，一类为竞争事件，另一类为非竞争事件。其中，对于非竞争事件来说，随机接入过程较为简单；对于竞争事件来说，随机接入过程较为复杂，共需要4 步，具体如下。

（1）下行同步结束后，由UE 解析基站的SIB1信息，采集其中的RRC 信令参数，然后利用SIB1 内的RACH-ConfigGeneric 功能，将参数向外传输。同时，根据获得的SIB1 信息，自动形成前导序列，并在PRACH 信道处理后，将开环功控指令Msg1 基带信号传输给基站。

（2）对物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）进行解析，得到PDSCH 的时频域位置信息，进而通过对PDCCH 的解资源映射、解调、解扰、解速率匹配、极化码译码以及循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）校验，得到下行链路控制信息（Downlink Control Information，DCI）。其中，DCI 存储与PDSCH 调度时频域位置相关信息。以DCI为基础，利用解预编码、解层映射解调、解扰、解速率匹配、LDPC 译码与CRC 校验后，得到RAR，用于传输Msg2。最后，检索RAR 时间窗，判断随机接入是否成功。当时间窗内检索出基站传输的RAR，表明接入成功；反之则表明接入未成功[3]。

（3）根据RAR 存储的上行授权指令，由UE 控制物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）向上传输Msg3。在起始接入网络中，以Msg3 中的RRC 为基础，自动生成相应的请求指令，并在公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）内传输。由于是起始接入网络，利用高层触发，由MAC 层组装Msg3，得到对应的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU），然后由PUSCH 信道处理，进一步传输给基站[4]。

（4）UE 获得竞争解决消息Msg4，原理流程与步骤（2）相似。

1.3 随机接入流程的物理信道链路

1.3.1 随机接入信道链路

在高层参数的控制下，将MAC 中的数据传输给PRACH 链路，通过ZC（Zadoff-Chu）序列处理后，按照第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）发射数据。ZC 序列处理表达式为

式中：xu,v(n)表示循环移位序列；u表示物理根序列号；n表示序列总个数；xu表示第u个序列；Cv表示循环移位数；LRA表示ZC 序列的长度；xu(i)表示基准序列；i表示序列符号；e表示信息量。

选择最佳的循环移位步长（NCS），以防止出现前导冲突的问题。通常情况下，NCS越高，网络覆盖面积越大[5]。其中，当前导格式∆fRA处于1.25 kHz和5.00 kHz 时，部分NCS取值如表1 所示。

表1 NCS 的取值（部分）

5G 网络主要有两种类型的随机接入前导序列，一种为长导码，其序列长度为839，波载间距为1.25 kHz 或5 kHz，支持表1 中的所有格式要求；另一种为短导码，其序列长度为139，载波间距是15 kHz、30 kHz、60 kHz 或120 kHz，支持表1 中无限制集的格式要求。

1.3.2 下行控制信道链路

在下行控制信道链路方面，主要流程如下：得到DCI 后，对DCI 中的信息依次进行CRC 编码与极化（Polar）码，然后通过速率匹配的方式，得到符合信道传输格式要求的比特速率；将伪随机码序列与扩频码相乘，以此加密信号；利用调制技术，适当调节信号中的振幅、频率等特征；在映射层内，将数据流分解成多个不同块（层），并将分解后的数据映射到物力资源层；通过OFDM 调制的处理后，利用信道传输数据信息。在获得DCI 时，顺序流程与此相反。

1.3.3 下行共享信道链路

下行共享信道链路与上行控制信道链路基本相同，只是在获得DCI 的信道估计环节向映射层预编码传输信道信息，并在OFDM 调制后处理信号噪声。MAC PDU 子头为下行共享信道链路的核心内容，主要有两种类型构成，一种包含躲避指示符（Backoff Indicator，BI），另一种包含随机接入前导标识符（Random Access Preamble IDentifier，RAPID）。

1.3.4 上行共享信道链路

下行共享信道链路与上行控制信道链路基本相同，仅在速率匹配与加扰之间增加码块级联操作。分析逻辑信道ID 字段（Logical Channel ID，LCID），可以确定PDU 中的具体内容。若LCID 分析结果为000110，表明信息为逻辑信道。

2 5G NR 通信系统随机接入方案

2.1 同步阶段

同步阶段的流程较为简单，具体流程如下：5G NR 通信系统启动后，根据系统实际要求选择对应的前导资源，判断是否发射基带信号，若为否则重新选择前导资源，若为是则按照介绍方法解析RAR，最后判断是否获得目标数据，若未得到目标数据则重新选择前导资源，若得到目标数据则结束。

2.2 竞争阶段

竞争阶段处理的主要流程如下：UE 向通信系统传输Msg3，并启动竞争解决定时器，然后判断竞争解决定时器是否超时，超时则自动丢弃临时无线网络标识位（Temporary C-RNTI，TC-RNTI），未超时则利用TC-RNTI 对PDCCH 加扰处理；进一步判断UE 是否获得MAC PDU 成功解码，未收到则自动丢弃TC-RNT1，收到则停止竞争解决定时器；同时判断MAC PDU 是否包含竞争解决标识，不包含直接将RC-RNT1 丢弃，包含则判断UE 是否收到Msg4 与公共控制信道服务数据单元（Common Control Channel Service Data Unit，CCCH SDU）是否一致，若不一致则直接丢弃TC-RNT1，若一致则表明竞争成功解决；对TC-RNT1 升级，使其变为相应的C-RNT1，结束整个随机接入操作。