Поиск терминалом сети 5G

Рассмотрим упрощенно процедуру поиска терминалом (UE) сети мобильной связи пятого поколения (5G).

Но сначала определимся с понятием частотной сетки (Channel raster).

Глобальная частотная сетка сетей 5G-NR представляет собой набор номиналов опорных частот (F_REF - RF reference frequencies) и используется для идентификации позиций частотных каналов, блоков синхронизации и других элементов. Определяется в диапазоне от 0 до 100ГГц с шагом ΔF_Global. Величина шага ΔF_Global зависит от используемого диапазона.

Каждой опорной частоте соответствует абсолютный номер радиочастотного канала (NR-ARFCN - Absolute Radio Frequency Channel Number) или NREF, который изменяется в диапазоне [0…3279165]. NR-ARFCN=0 соответствует F_REF=0Гц; NR-ARFCN=3279165 соответствует F_REF=100ГГц.

Взаимосвязь между номиналом опорной частоты и абсолютным номером радиочастотного канала определяется следующим уравнением и детализируется Таблицей 1.

F_REF = F_REF-Offs + ΔF_Global (N_REF – N_REF-Offs)

Таблица 1 (NR-ARFCN для глобальной сетки частот)

Частотная сетка для каждого бэнда представляет собой подмножества опорных частот глобальной частотной сетки для нисходящего (Downlink), восходящего (Uplink) и дополнительного (Suplementary) каналов. Шаг данной сетки ΔF_Raster может быть большим или равным ΔF_Global (см. Таблицу 2 и Таблицу 3). При этом индекс нумерологии (u) должен быть выбран таким образом, чтобы шаг между поднесущими (SCS) был не меньше, чем ΔF_Raster.

Таблица 2 (Допустимые NR-ARFCN для бэндов диапазона FR1)

Таблица 3 (Допустимые NR-ARFCN для бэндов диапазона FR2)

Частотный номинал блока синхронизации (SS block) определяется в спецификациях 3GPP как SS_REF (SS block reference frequency position) и фактически представляет собой центральную частоту радиоканала. SSREF включает в себя сигналы первичной (primary synchronization signal - PSS) и вторичной (secondary synchronization signal - SSS) синхронизации. Блок синхронизации идентифицируется глобальным номером канала синхронизации - GSCN (Global Synchronization Channel Number). Взаимосвязь между номиналом (SS_REF) и номером (GSCN) блока синхронизации отображена в Таблице 4.

Таблица 4 (GSCN для глобальной частотной сетки)

Таким образом, минимальный шаг сетки блоков синхронизации для различных частотных диапазонов составляет от 1.2МГц до 17.28МГц.

Также 3GPP определяет понятие блока синхронизации и широковещательного канала - SS/PBCH block. Который, как несложно догадаться из названия, включает в себя сигналы синхронизации и физический канал передачи широковещательной информации.

Возможные диапазоны глобальных номеров каналов синхронизации для различных частотных бэндов приведены в Таблице 5.

Таблица 5 (допустимый растр каналов синхронизации)

Здесь модели блока синхронизации:

Case A: интервал между поднесущими (SCS) 15КГц, первый символ кандидата на SS/PBCH block имеет индекс {2, 8}+14*n. Для радиоканалов с номиналом меньшим или равным 3ГГц n=0, 1. Для номиналов радиоканалов от 3ГГц до 6ГГц n=0, 1, 2, 3.

Case B: интервал между поднесущими (SCS) 30КГц, первый символ кандидата на SS/PBCH block имеет индекс {4, 8, 16, 20}+28*n. Для радиоканалов с номиналов меньшим или равным 3ГГц n=0. Для номиналов радиоканалов от 3ГГц до 6ГГц n=0,1.

Case C: интервал между поднесущими (SCS) 30КГц, первый символ кандидата на SS/PBCH block имеет индекс {2, 8}+14*n.

• для парного спектра (FDD) и радиоканалов с номиналами меньшим или равным 3ГГц - n=0, 1;
• для парного спектра (FDD) и радиоканалов с номиналом от 3ГГц до 6ГГц - n=0, 1, 2, 3.
• для непарного спектра (TDD) и радиоканалов с номиналами меньшим или равным 2.4ГГц - n=0, 1.
• для непарного спектра (TDD) и радиоканалов с номиналом от 2.4ГГц до 6ГГц - n=0, 1, 2, 3.

Case D: интервал между поднесущими (SCS) 120КГц, первый символ кандидата на SS/PBCH block имеет индекс {4 ,8, 16, 20}+28*n. Для радиоканалов с номиналом свыше 6ГГц n=0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 18.

Case E: интервал между поднесущими (SCS) 240КГц, первый символ кандидата на SS/PBCH block имеет индекс {8, 12, 16, 20, 32, 36, 40, 44}+56*n. Для радиоканалов с номиналом свыше 6ГГц n=0, 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8.

А теперь вернемся к поиску пользовательским терминалом (UE) доступной соты.

На первом этапе терминал выполняет сканирование поддерживаемых им частотных диапазонов с целью поиска возможных кандидатов на блоки синхронизации (SS block). В 5G-NR PSS и SSS маппируются на 127 центральных поднесущих (в отличии от сетей 4G-LTE, где сигналы синхронизации занимают 72 поднесущие) – см. Рис.1.

Рис. 1 - SS/PBCH блоки

При этом, существующие ограничения на допустимые номиналы блока синхронизации позволяют UE "сканировать эфир" с шагом, определенным Таблицей 5, а не рассматривать в качестве возможного кандидата на SS block каждую опорную частоту с шагом 5кГц, 15кГц или 60кГц. Так, для band78 (3300МГц-3800МГц) кол-во возможных GSCN составляет 341 (от 7711 до 8051), в то время как кол-во NR-ARFCN - более 33тыс. Это позволяет существенно сократить время поиска сети и понизить энергозатраты на выполнение данной операции.

На втором этапе осуществляется декодирование PSS/SSS по всем найденным кандидатам и определение физических идентификаторов сот - PCI (Physical Layer Cell Identity). В 5G-NR определено 1008 уникальных PCI, т.е. в два раза больше, чем в 4G-LTE.

На третьем этапе осуществляется попытка приема физического широковещательного канала и декодирование блока главной информации (MIB – Master Information Block). Для передачи PBCH используются поднесущие 0-239 символов 1 и 3, а также поднесущие 0-47, 192-239 символа 2 – см. Рис.1. Из дальнейшего анализа исключаются соты, по которым декодирование MIB было неуспешным (решение принимается на основе обработки CRC), а также соты с установленным флагом блокировки (MIB.cellBarred=barred).

На четвертом этапе осуществляется прием блока сигнальной информации SIB#1 (System Information Block 1). Из дальнейшего анализа исключаются соты, не удовлетворяющие так называемому "S" критерию, т.е. соты с уровнем сигнала Qrxlevmeas (RSRP), либо уровнем качества Qqualmeas (RSRQ) меньше соответствующих пороговых значений (Qrxlevmin и Qqualmin), принятых в SIB1.

На пятом этапе происходит декодирование других SIB, передаваемых в широковещательном режиме, используя параметры, полученные в SIB1.

На шестом этапе происходит инициирование процедуры случайного доступа. Далее:

1. Устанавливается RRC соединение.
2. Осуществляется запрос, получение и декодирование необходимых SIB (при необходимости - в зависимости от конфигурации сети).
3. Осуществляется выбор сервера аутентификации (AUSF) на основании полученного от терминала скрытого идентификатора пользователя (SUCI);
4. Осуществляется взаимная аутентификация пользовательского терминала и сети.
5. Осуществляется активация механизмов безопасности на NAS уровне.
6. Осуществляется проверка постоянного идентификатора оборудования пользователя (PEI - аналог IMEI в сетях до 5G).
7. Осуществляется регистрация пользовательского терминала в сети и загрузка профиля пользователя в модуль управления доступом и мобильностью (AMF) из унифицированной базы данных (UDM).
8. Осуществляется выбор модуля управления политиками и тарификацией (PCF), создается ассоциация между AMF и PCF, загружаются политики доступа и управления мобильностью, выполняется регистрация в AMF триггеров на события "Location Report", "Registration State Report" and "Communication Failure Report".
9. Осуществляется выбор шлюза передачи данных пользователей (UPF), активация PDU сессии и назначение пользовательскому терминалу IP адреса.
10. Осуществляется активация механизмов безопасности на AS уровне.
11. Осуществляется реконфигурация RRC соединения между пользовательским терминалом (UE) и сетью с целью создания виртуальных каналов (bearers), конфигурации параметров доступа к основной (primary) и вторичной (secondary) сотам, активации на UE функции радиоизмерений.

Начинается передача данных между пользовательским терминалом и сетью, соответственно в восходящем (Uplink) и нисходящем (Downlink) каналах.

Детально ознакомиться с процедурой регистрации пользовательского терминала в сети 5G можно на портале EventHelix:

5G-NR Standalone Access Registration
5G-NR Standalone Registration Message Details

Литература

1. Рекомендация 3GPP TS 38.101-1. NR; User Equipment (UE) radio transmission and reception; Part 1: Range 1 Standalone.
2. Рекомендация 3GPP TS 38.104. NR; Base Station (BS) radio transmission and reception.
3. Рекомендация 3GPP TS 38.300. NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2.
4. Рекомендация 3GPP TS 38.331. NR; Radio Resource Control (RRC) protocol specification.