为什么要随机接入?
简单的说,是为了请求接入资源。随机接入是UE向网络发送的第一条消息,尽管在不同系
统中,请求名字不一样,但作用是相似的。在 GSM 中,称为“Channel Request”;在 CDMA中,称为“Access Probe”;在WCDMA和 LTE中,称为“RACH”—— NR 沿 用了这个名字。RA是Random Access的缩写。从宏观的角度看,UE行为不可预知(比
如说,UE什么“时候”会开机),对网络而言,请求具有一定的“随机性”(Random);
从微观的角度看,网络又必须对 UE 行为做一些约束(比如说,UE 在哪个“时隙”发送请
求),否则系统复杂度会大幅提高。
在 LTE 和 NR 中,为了在 Uu 接口发送和接收业务数据(比如说,HTTP 请求和 HTTP 响
应),网络需要为 UE 建立 DRB(Data Radio Bearer),承载用户面数据(User Plane Data)。为了建立 DRB,网络又需要为 UE 建立 SRB(Signaling Radio Bearer),承载 控制面数据(Control Plane Data,RRC消息和NAS 消息)。不过,这是高层(应用层) 的视角。从底层(PDCP、RLC、MAC、PHY)的角度看,承载数据的逻辑信道(Logical
Channel)需要映射到传输信道(Transport Channel)UL-SCH 和 DL-SCH,再映射到物 理信道(Physical Channel)PUSCH 和 PDSCH —— 不过,UE 使用 PUSCH 和 PDSCH,
是有前提条件的。
PUSCH和 PDSCH 都是共享信道(Sharing Channel),在大多数情况下,是动态分配给 用户的(半静态调度长时间看也是动态的)。这意味着两件事:一、UE 收到下行调度
(Schedule)或上行授权(UL Grant),才可以在对应时频资源接收或发送数据;二、NR
是多用户系统,网络和 UE 需要进行用户识别,才不会“张冠李戴”。如果 UE 处于 RRC
CONNECTED 状态,使用 C-RNTI(Cell Radio Network Temporary Identifier)监听
PDCCH,从而获得 PDSCH的信息。随机接入的作用之一,就是从网络获得UL Grant。 同时,如果UE还没有C-RNTI,可以通过随机接入获得(准确的说是TC-RNTI,随后升级
为 C-RNTI)。
打个比方,随机接入(Random Access)就像学生(UE)发言前要先举手,如果老师(基
站)没有点到你的名字(Random Access Response),你就别作妖了(这位同学你坐下 ~)。在后续交互中(RRC CONNECTED),老师用“临时学号”(C-RNTI)指代学生,
如果学生还没有“临时学号”,会在点名时获得(但不一定是给你的)。学生没有固定教室
(Cell),老师才有(和大学相似),学生每次换老师,会从新的老师获得新的“临时学号” — — “临时学号”(C-RNTI)只在老师(Cell)范围内有效。
除了上行授权,随机接入还有另一个作用:上行同步。在LTE和NR中,不同UE在时频上
正交多址接入(Orthogonal Multiple Access),同一小区的不同 UE 上行传输互不干扰。
为了保证上行的正交性,同一子帧上,不同UE(使用不同频域资源)发送的信号,到达基
站的时间要求“基本对齐”,基站在 CP(Cyclic Prefix)范围内接收到 UE 信号 —— 这
需要通过 TA(Timing Advance)实现。
基站发送的下行信号是对齐的,由于不同UE和基站的距离不同,信号在空中传输的时长不
同,信号到达UE的时间也不同(示图中,UE1和UE2分别延迟t1和t2)。如果UE的上
行子帧和下行子帧的timing是相同的,不同UE的上行信号到达基站的时间也不同(示图
中,UE1和UE2分别延迟t1 x 2 和t2 x 2),这就破坏了上行的正交性,需要进行对齐。
UE行为无法预测,和谁对齐都不合适,基站说:还是向我看齐吧。
基站的上行子帧和下行子帧的timing是相同的,如果UE提前发送上行信号,消除传输时 延的影响,就可以在实现上行信号对齐。这个时间提前量,称为TA,是UE上行子帧相对
下行子帧的时间负偏移(Negative Offset)。显然,TA 是UE粒度的参数 —— 不同UE 和基站的距离不同,TA 的取值也不同,UE 离基站近一点,TA 就小一点,UE 离基站远一
点,TA就大一点。
打个比方,你在西城上班,公司要求8:30~9:00 打卡,住东城得 7:30 出门,住朝阳得7:00
出门,住通州得06: