In drahtlosen 5G-Netzwerken ist Random Access ein grundlegendes Verfahren, das es User Equipment (UE) ermöglicht, ersten Kontakt mit einer Basisstation, auch gNodeB genannt, herzustellen und Ressourcen für die Uplink-Übertragung anzufordern. Der wahlfreie Zugriff ist ein entscheidender Aspekt der Funkschnittstelle und wird in Szenarien wie der ersten Verbindung des UE mit dem Netzwerk, bei Übergaben oder wenn ein UE nach einem Ruhezustand die Verbindung wiederherstellt, eingesetzt.
Zu den wichtigsten Aspekten des Direktzugriffs in 5G gehören:
- Initiierung des Direktzugriffs:
- Das Random Access-Verfahren wird von einem UE initiiert, wenn es eine Kommunikation mit dem Netzwerk herstellen muss. Dies kann während des ersten Verbindungsaufbaus des UE, beim Wechsel in eine neue Zelle oder beim Wiederherstellen der Verbindung nach einem Ruhezustand auftreten.
- Präambelübertragung:
- Der erste Schritt im Random Access-Prozess beinhaltet die Übertragung einer Präambel durch das UE. Die Präambel ist eine kurze Signalsequenz, die über den Uplink an den gNodeB gesendet wird und die Anwesenheit des UE und die Absicht, eine Kommunikation aufzubauen, anzeigt.
- Mehrere Präambeln:
- 5G-Netzwerke unterstützen die Übertragung mehrerer Präambeln und ermöglichen so gleichzeitige Zugriffsversuche durch verschiedene UEs. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um die enormen Konnektivitätsziele von 5G zu erreichen, bei dem möglicherweise eine große Anzahl von Geräten fast gleichzeitig versucht, auf das Netzwerk zuzugreifen.
- Format und Struktur der Präambel:
- Die Präambel hat ein bestimmtes Format und eine bestimmte Struktur, einschließlich Parametern wie Frequenzort, Zeitdauer und Struktur der Sequenz. Standardisierte Formate gewährleisten Kompatibilität und effiziente Erkennung durch den gNodeB.
- PRACH (Physical Random Access Channel):
- Der Kanal, über den die Präambel übertragen wird, wird PRACH genannt. PRACH ist ein dedizierter Kanal für die Abwicklung von Direktzugriffsverfahren und dient als Einstiegspunkt für UEs in das Netzwerk.
- Konfliktlösung:
- Aufgrund der Möglichkeit, dass mehrere UEs gleichzeitig versuchen, auf das Netzwerk zuzugreifen, wird ein Konfliktlösungsmechanismus eingesetzt. Konflikte werden durch nachfolgende Verfahren gelöst, wodurch sichergestellt wird, dass jedes UE die notwendigen Ressourcen für die weitere Kommunikation erhält.
- Zeitvorlauf:
- Timing Advance ist ein entscheidendes Konzept im Zusammenhang mit Random Access. Dazu gehört die Anpassung des Timings der Präambelübertragung, um den unterschiedlichen Entfernungen zwischen UEs und dem gNodeB Rechnung zu tragen. Durch den richtigen Timing-Vorlauf wird sichergestellt, dass die Präambeln verschiedener UEs mit der richtigen Timing-Beziehung am gNodeB ankommen.
- Nachrichtenaustausch:
- Nachdem der gNodeB die Präambel erkannt hat, sendet er eine Antwort, die als Random Access Response (RAR) bezeichnet wird, an das UE. Der RAR enthält Informationen wie die temporäre Kennung für das UE und Anweisungen für den Zugriff auf die Uplink-Ressourcen.
- Synchronisationssignale:
- PRACH wird mit Synchronisationssignalen synchronisiert, um UEs bei der Identifizierung der Zeit- und Frequenzparameter für die Übertragung ihrer Präambeln zu unterstützen. Diese Synchronisationssignale liefern wesentliche Informationen für UEs, um ihre Zugriffsversuche auf das Netzwerk abzustimmen.
- Dynamische Zugriffskontrolle:
- Random Access unterstützt die dynamische Zugriffskontrolle und ermöglicht es UEs, ihre Zugriffsversuche basierend auf Netzwerkbedingungen, Auslastung und anderen Faktoren anzupassen. Diese Flexibilität trägt zur effizienten Nutzung der Funkressourcen in 5G-Netzen bei.
- RA-Konfiguration:
- Netzwerkbetreiber konfigurieren Random Access-Parameter, um die Leistung zu optimieren. Dazu gehört das Festlegen der Anzahl der verfügbaren Präambeln, ihres Abstands und anderer Parameter basierend auf den Merkmalen der Netzwerkbereitstellung.
- Verbindungsaufbau:
- Erfolgreicher Direktzugriff führt zum Aufbau einer Verbindung zwischen dem UE und dem Netzwerk. Sobald die Verbindung hergestellt ist, kann das UE mit weiteren Vorgängen fortfahren, beispielsweise dem Austausch von Steuerungs- und Benutzerebenendaten.
- Anwendungsfälle:
- Random Access wird in verschiedenen Anwendungsfällen verwendet, einschließlich des ersten Zugriffs, wenn ein UE sich einschaltet oder eine neue Zelle betritt, Übergaben zwischen Zellen und der Wiederherstellung der Verbindung nach einem Ruhezustand.
- Effizienz und Optimierung:
- Random Access-Verfahren sind auf Effizienz und Optimierung ausgelegt und gleichen die Notwendigkeit eines schnellen Verbindungsaufbaus mit den begrenzten Funkressourcen aus, die im Netzwerk verfügbar sind.
Zusammenfassend ist Random Access in 5G ein entscheidendes Verfahren, das es Benutzergeräten ermöglicht, die Kommunikation mit dem Netzwerk durch die Übertragung von Präambeln über den PRACH zu initiieren. Es dient als Einstiegspunkt für UEs in das Netzwerk und spielt eine Schlüsselrolle bei der effizienten Nutzung von Funkressourcen für verschiedene Anwendungsfälle in drahtlosen 5G-Netzwerken.