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5g论文范文

【摘要】结合最新5G标准研究进展,对5G随机接入技术相比4G的增强方案展开研究分析,包括R16结合配置授权的上行资源分配方式实现了两步随机接入技术,R17针对非地面通信场景下的同步增强以及支持非激活状态下的上行小数据传输.通过研究表明,随机接入基础方案已完成,后续将向满足特定场景需求以及提升随机接入性能方面增强.

【关键词】 5G;随机接入;同步;非地面通信;小数据

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.002 中圖分类号：TN929.5

文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2020）04-0007-05

引用格式：沈霞,刘慧. 5G随机接入增强技术[J]. 移动通信, 2020,44（4）： 7-11.

5G Random Access Technology Enhancements

SHEN Xia, LIU Hui

（China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China）

[Abstract]

Based on the latest development of 5G standardization, this paper provides research on the enhancement solution of 5G random access technology compared to 4G, including two-step RACH with the uplink configured grant resource allocation type in R16, synchronization enhancements for NTN communication scenarios in R17, and uplink all data tranission in the inactive state. The research shows that fundamental solutions for random access he been completed and further enhancements will focus on meeting the requirements of specific use cases and improving the performance of random access.

[Key words] 5G; random access; synchronization; NTN; all data

0 引言

在4G LTE和R15 5G系统中,采用的随机接入技术为传统的4-step RACH（Random Access Channel,随机接入信道）技术,终端和基站之间需要进行5次信息交互才能完成随机接入过程,分别为：（1）终端向基站发送消息Msg1,Msg1为前导序列,用于基站进行定时提前估计;（2）基站向终端发送消息Msg2,Msg2为Msg1的随机接入响应,其中包含了前导序列标识、TA（Timing Advance,定时提前）指示、终端向基站发送Msg3的上行授权信息、临时小区无线网络临时标识（TC-RNTI）;（3）终端向基站发送消息Msg3,当终端在Msg2中读取到Msg1对应的前导序列标识时,利用Msg2中的上行授权发送Msg3,Msg3的内容与触发随机接入过程的事件相关;（4）基站向终端发送消息Msg4,Msg4为解决竞争冲突的响应,当终端检测到的Msg4中包含对应Msg3中相关的竞争冲突解决标识信息时,则视为随机接入成功;（5）成功检测Msg4的终端向基站发送一个ACK确认信息.

由此可见,基于终端和基站之间的多次信息交互的4-step RACH技术会引入较大的时延开销.为了降低随机接入过程中的时延,在5G R16中引入了2-step RACH技术,设计MsgA信息承担Msg1和Msg3功能,由终端一次传输给基站,设计MsgA对应的响应信息MsgB,承担Msg2和Msg4功能,由基站一次传输给终端,简化了随机接入过程步骤,提升系统传输效率.RACH技术在5G后续演进中也将对特定的应用场景进行适应性增强,例如,RACH在非地面通信网络中的应用增强以及RRC（Radio Resource Control,无线资源控制）非激活状态下的利用随机接入过程进行小数据包传输等.下面本文将重点对R16中的2-step RACH技术及R17中RACH进一步增强技术展开介绍和研究.

1R16 2-step RACH技术

1.1 2-step RACH基本过程

在5G R16中引入2-step RACH技术后,终端可以工作在仅配置4-step RACH、仅配置2-step RACH、同时配置4-step RACH和2-step RACH这三种模式.其中终端仅配置4-step RACH表示终端仅基于4-step RACH配置发起随机接入,终端仅配置2-step RACH表示终端仅基于2-step RACH配置发起随机接入.对于同时配置4-step RACH和2-step RACH的终端,由于终端在同一时刻仅支持维护一个随机接入过程,需要在4-step RACH和2-step RACH中选择一种随机过程技术,如果基于竞争的随机接入过程中终端测量的RSRP（Reference Signal Received Power,参考信号接收功率）高于设定阈值,或者对于RRC重配触发的随机接入如果终端基于2-step RACH配置了专用的非竞争随机接入资源,则选择2-step RACH,其他选择4-step RACH.2-step RACH的基本传输过程如图1所示,包括的主要步骤为：

（1）终端向基站发送MsgA,包括前导和前导关联的PUSCH（Physical Uplink Shared Channel,物理上行共享信道）,其中PUSCH内容由具体随机接入触发事件确定.PUSCH的传输资源通过RRC信令配置给终端.

（2）基站接收到MsgA后,向终端发送对应的随机接入响应MsgB,MsgB可以向采用相同RO（RACH Occasion,随机接入信道机会）发送前导的一组终端采用组播的发送,也可以对MsgA中向基站告知C-RNTI（Cell-Radio Network Temporary Identifier,小区无线网络临时标识）的终端采用单播的方式发送.

（3）对于随机接入成功的终端,向基站反馈一个确认信息,完成随机接入过程.

1.2 MsgA传输设计

在2-step RACH的MsgA传输中,包括了前导和PUSCH两部分.其中MsgA前导传输采用RO承载.为了区分2-step RACH和4-step RACH,2-step RACH和4-step RACH可以共用RO但采用不同的前导序列,或者2-step RACH和4-step RACH采用不同的RO.对于共用RO,2-step RACH可以共用4-step RACH所有的RO或者RO的一个子集.对于采用不同的RO,2-step RACH采用与4-step RACH具有不同的RO时域配置索引.MsgA中PUSCH传输时频资源通过配置授权的方式由高层RRC信令通知给终端.由于不同随机接入触发事件下PUSCH传输的数据包大小不同,标准支持2种不同的PUSCH配置,不同PUSCH配置下PUSCH的时频资源位置和大小可具有不同的配置,对应了不同的PUSCH传输包大小需求,以支持终端选择一种满足其需求的配置发起随机接入.2种PUSCH配置分别对应了前导组A和前导组B,当终端发起的MsgA PUSCH传输包大小超过一定大小时,则选择前导组B中的前导序列.

MsgA中前导和PUSCH传输资源选择的基本过程为终端根据信道测量选择SSB（Synchronization Signal Block,同步广播块）关联的RO,再根据MsgA PUSCH传输包大小需求选择对应前导组A或者组B中的一个前导序列,然后根据选择RO和前导序列确定其关联的PUSCH配置下的一个PO和DMRS（De-Modulation Reference Signal,解调参考信号）配置,由PO承载PUSCH的传输块.将一个RO上的一个前导序列映射到一个PO和DMRS配置的具体规则为：首先将RO所在的PRACH时隙叠加一个时隙偏移关联到N个PUSCH时隙（如图2所示）;然后在该PRACH时隙中,按照前导序列索引由低到高、RO频率索引由低到高、RO时域索引由低到高排序;在關联的N个PUSCH时隙中,按照PO频率索引由低到高、DMRS配置索引由低到高、时隙内PO时域索引由低到高、PUSCH时隙索引由低到高排序;最后将PRACH排序中的每M个前导序列顺序映射到PUSCH排序中的一个PO和DMRS配置,其中M等于ceil（T_p/T_PUSCH）,T_p为一个SSB和PRACH关联图案周期中对应所选PUSCH配置下的前导序列个数与有效RO个数之间的乘积,T_PUSCH为一个SSB和PRACH关联图案周期中对应所选PUSCH配置下DMRS配置个数与有效PO个数之间的乘积.上述时隙偏移和N个PUSCH时隙的位置依据所选前导序列对应的PUSCH配置确定.可见在MsgA传输设计中,允许不同的前导序列映射到相同的PO上,采用不同的DMRS配置进行区分,为非正交多址技术的一个典型的应用.

1.3 MsgB传输设计

由于MsgA PUSCH中,终端可能上报了C-RNTI信息（例如处于RRC连接状态下的上下行失步下触发的随机接入）,基站发送响应MsgB时,可以对上报C-RNTI的终端采用单播的方式发送,或者对采用相同RO发送MsgA前导的一组终端采用组播的方式发送,其中单播和组播分别采用C-RNTI和MsgB-RNTI对指示MsgB的PDCCH（Physical Downlink Control Channel,物理下行控制信道）加扰.所述MsgB-RNTI由与4-step RACH中RA-RNTI取值范围不同,根据MsgA中RO的时频位置计算得出.相应的终端在发送MsgA之后,在一个MsgB响应窗内检测响应,将尝试采用C-RNTI（如果有）和MsgB-RNTI去检测PDCCH.如果采用C-RNTI检测成功,PDCCH指示MsgB中为随机触发事件对应响应内容,则随机接入成功.如果采用MsgB-RNTI检测成功,PDCCH指示的MsgB中包含MsgA中前导序列标识或者与MsgA中PUSCH对应的竞争解决标识,则相应采用前导序列标识对应的上行授权发送Msg3或者竞争解决标识对应的PUCCH资源反馈一个确认信息.

对于组播下的MsgB,包含了两种类型的响应.第一种是回退RAR,对应了基站成功检测MsgA的前导而MsgA PUSCH检测失败的响应,回退RAR内容与4-step RACH中的RAR（Random Access Response,随机接入响应）相同,包含了前导标识、TA、TC-RNTI以及发送Msg3的上行授权,终端检测到该响应就回退到4-step RACH发送Msg3.第二种是成功RAR,对应了基站成功检测MsgA的前导和PUSCH的响应,成功RAR包含了MsgA中PUSCH对应的竞争解决标识、TA、C-RNTI、功控指示和终端向基站反馈确认信息的PUCCH资源指示,终端检测到该响应反馈一个确认信息.除了上述两种类型响应,MsgB中还可包含两种信息：一是随机接入回退指示,用于重传MsgA时的随机回退;二是一个或多个SRB（Signalling Radio Bearer,信令无线承载）,基于MsgB通知终端需要的RRC信息,减少信令开销.其中MsgB是否包含SRB对应的MAC SDU（Service Data Unit,业务数据单元）将在成功RAR指示,如果包含,则将SRB对应的MAC SDU放入指示其存在成功RAR的后面.综上所述,MsgB的MAC PDU（Protocol Data Unit,协议数据单元）格式如图3所示.

终端如果在随机接入响应窗中未检测到对应的MsgB,则重新发送MsgA,当发送MsgA超过一定次数T_max,如果终端配置了4-step RACH接入且T_max小于配置的前导最大传输次数,则回退到4-step RACH重新发送前导,其他情况则向上层上报对接接入失败.

1.4 功率控制

对于2-step RACH功率控制,包括了MsgA前导和PUSCH两部分的发送功率控制.对于MsgA前导传输的功控机制,和4-step RACH中重新发起随机接入传输前导的功控机制相同,且2-step RACH和4-step RACH采用同一个功率叠加计数器（Power Ramping Counter）,初始前导目标接收功率相同.当MsgA重传时,前导目标接收功率相比上一次传输阶梯型叠加一个重传功率偏移量（Power Ramping Step Size）,如果2-step RACH与4-step RACH共用RO时,该功率偏移同4-step RACH中配置,否则2-step RACH可以单独配置一个不同的重传功率偏移量.当2-step RACH切换至4-step RACH重传前导时,相应的前导目标接收功率叠加一个由于功率偏移配置不同的偏移量,即功率叠加计数器与2-step RACH和4-step RACH配置的功率偏移差值之间的乘积.

MsgA PUSCH的传输功率相比MsgA PRACH的传输功率叠加一个偏移量,该偏移量可以单独配置,如果没有配置则采用4-step RACH中Msg3相比Msg1的功率偏移配置.当MsgA重传时,MsgA PUSCH的重传功率同MsgA PRACH阶梯型叠加一个重传功率偏移量,且MsgA PUSCH与MsgA PRACH采用相同的功率叠加计数器且重传功率偏移量相同.由此MsgA的PUSCH传输功率的叠加组成部分为：初始目标传输功率、相比MsgA PRACH的功率偏移量、取决于分配带宽的功率偏移量、取决于MCS的功率偏移量、路损补偿、重传功率偏移,其中路损补偿系数相比于4-step RACH可以单独配置.最后确定出的MsgA PUSCH传输功率不超过终端允许的PUSCH最大传输功率.

2R17 RACH增强技术

2.1 非地面通信场景增强

在NTN（Non-Terrestrial Network,非地面网络）通信场景中,将基站布置在飞机、低轨卫星和同步卫星上为地面终端提供通信服务,相应地,终端与基站间的传播时延将高达数百毫秒.高传播时延为终端与基站之间随机接入过程中的上行同步与定时器的设计带来新的挑战.具体问题及后续的增强考虑包括：

（1）随机接入的上行同步增强.在R15和R16的5G标准设計中,终端发送前导时的上行TA补偿为零,基站接收检测前导也不作定时补偿,而这一技术将不适用于NTN场景,因为如果终端和基站侧都不作任何TA补偿,则终端与基站之间的高传播时延将导致基站无法正确检测前导.在后续的设计中,将考虑两个方向的增强设计：一个方向是终端根据自己与基站间的位置信息估计传播时延,在发送前导时补偿TA为估计传播时延两倍,或者为与地面参考位置时延差的两倍,如果是后者需要基站侧检测前导时补偿一个基于地面参考位置的时延;另一个方向是终端补偿一个基于地面参考位置的公共TA,基站侧在随机接入响应中相应的指示终端与地面参考位置之间的时间差,由于目前RAR中TA指示范围最大为2 ms,需要考虑扩展RAR中的TA指示范围.此外,随机接入过程如果不作TA补偿的增强,需要考虑前导格式的增强,例如设计新的前导重复传输次数、更大的子载波间隔,满足高速移动和更大覆盖的需求.

（2）随机接入定时器增强.随机接入中的定时器包括接收随机接入响应的定时器以及4-step RACH中接收Msg4的定时器,均为终端发送前导或者Msg3之后,下一个配置检测PDCCH的时隙起始时间启动定时.采用现有技术,高传播时延将导致终端启动定时之后一段时间甚至响应窗结束之后都无法接收到相应的随机接入响应信息.因此考虑在随机接入定时器上叠加一个时间偏移量以及增大随机接入响应窗长解决该问题.并且,定时器的启动需要结合TA补偿联合考虑,形成一个完整的解决方案.

（3）随机接入资源利用效率增强.在NTN场景,2-step RACH相比4-step RACH更具有应用优势,减少近秒级的接入时延,大幅度提升接入效率.可以利用2-step RACH的免调度发送数据的方式来简化其他终端与基站间的交互流程.例如对于上行数据发送获取分配传输资源,需要先进行上行缓存状态上报,而常规的上行缓存状态上报,如果没有上行资源就会触发调度请求上报,等基站响应分配缓存状态上报发送需要的资源,到实际上行数据上报需要开销4倍的传播时延.如果利用2-step RACH进行缓存状态上报,可以简化上行资源调度流程,相应地也可以提高配置的MsgA PUSCH资源利用效率.

2.2 小数据传输增强

5G通信中具有大量状态上报、物联网业务等海量上行小数据传输需求,而数据传输目前仅支持在RRC连接状态发生,其他RRC状态下需要先发生RRC状态切换才能数据传输,降低传输效率.由此,在B5G中,将设计终端在非激活状态下的上行数据传输机制增强系统性能.基于RACH的MsgA或者Msg3的上行数据传输为对应的一个解决方案,相应地需要考虑的增强设计包括：

（1）MsgA PUSCH配置增强.目前标准中PUSCH配置支持两种数据传输包大小,在引入多种业务的小数据包传输后,需要2-step RACH的MsgA以及4-step RACH中的Msg3支持更多种数据传输包大小需求.

（2）重传机制增强.目前RACH对于MsgA以及Msg3没有HARQ机制,如果UE接收随机接入响应失败则重新发起随机接入,每次传输HARQ冗余版本为0.对于小数据传输,标准设计中可以进一步考虑小数据传输的内容格式设计以及与随机接入不同的传输流程,引入HARQ机制,以及仅重传MsgA时的机制设计等.对于终端获取RAR中的TA指示后,可以对Msg3中发起多次重传,而不是未接收到Msg4后重新发起前导传输,降低传输效率.

3 结束语

随机接入基础功能为实现上行同步.在后续的演进中,流程得到重要简化,可以支持更大覆盖范围的终端同步,并在同步过程中实现业务传输,提升系统效率.研究结果表明,随机接入基础方案已完成,后续将向满足特定场景需求以及提升随机接入性能方面增强.目前系统随机接入上行同步仍基于基站测量上行定时提前量并下行指示的方式实现.在后续演进中,随着终端设备能力的增强,结合终端自我补偿上行定时提前量的随机接入以及基于业务信道导频的定时提前量测量将会对随机接入成功率带来提升,是一个值得深入研究的重要方向.

参考文献：

[1]ZTE Corporation, Sanechips. Running MAC CR for 2-stepRACH, 3GPP TSG-RAN WG2 Meeting #109-e R2-2000996[Z]. 2020.

[2] 3GPP. 3GPP TS 38.213： NR Physical layer procedures for control V16.0.0[S]. 2019.

[3]3GPP. 3GPP TR 38.821： Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） V1.0.0[R]. 2019.

[4] ZTE Corporation. Work Item on NR all data tranissions in INACTIVE state, 3GPP TSG RAN Meeting #86 RP-193252[Z]. 2019.★

作者簡介

沈霞（orcid.org/0000-0002-8750-1179）：高级工程师,毕业于北京大学,现任职于中国信息通信研究院,主要从事第五代移动通信（5G）和无线局域网（WLAN）技术研究,参与IMT-2020（5G）推进组5G技术研发试验、5G关键技术仿真评估以及5G和WLAN相关国家重大专项工作.

刘慧：工程师,硕士毕业于北京邮电大学,现任职于中国信息通信研究院,主要从事第五代移动通信（5G）技术研究和技术仿真评估工作.

总结：该文点评,这是关于对不知道怎么写技术论文范文课题研究的大学硕士、5g本科毕业论文5g论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料.

技术引用文献: