5G NR随机接入过程详解与NS模拟器会话级分发

需积分: 3 34 下载量 192 浏览量 更新于2024-08-10 收藏 4.4MB PDF 举报
"这篇博客主要介绍了在网络模拟器NS2中进行会话级分组分发的原理和实现,特别是在5G NR(第五代新无线)的随机接入过程的学习总结。" 在5G NR的通信系统中,随机接入过程是移动设备(UE)与网络建立连接的关键步骤,它涉及到UE在初始阶段的信道竞争和同步。随机接入通常在以下场景发生:开机、切换、数据传输前的连接请求等。这个过程分为几个步骤,包括 preamble传输、随机接入响应、竞争解决等,确保UE能够成功接入网络。 博客内容深入讨论了NS2(Network Simulator 2)这个网络模拟工具如何模拟这些复杂的通信过程。NS2是一种广泛使用的开源网络模拟软件,用于研究和分析各种网络协议和拓扑结构。在42.2部分,作者提到了会话级分发的体系结构,这是模拟大规模网络环境时,为了提高效率和减少内存消耗的一种策略。在这种方法中,模拟器只保存少量关键链路和节点的状态,而使用延迟和丢包模块来模拟高层源和接收器之间的交互。 在42.3部分,作者详细阐述了会话级分组分发的内部机制。首先,通过OTcl(Object Tool Command Language)脚本配置网络拓扑,允许抽象节点和链路的创建。节点仅包含自身的ID和下一跳的端口信息,链路则存储带宽和延迟值。然后,通过SessionHelper对象,为每个活跃的数据源建立会话。SessionHelper使用replicator来复制数据分组,以服务于所有接收器。在replicator和接收器之间,利用loss和delay模块来模拟实际网络中的传输特性。 此外,博客还提到了NS2的翻译工作,该工作由一群计算机和通信领域的专业人士共同完成,确保了翻译的专业性和准确性。翻译小组成员分工明确,各章节对应各自的专长领域,以确保内容的完整性和逻辑性。 这篇博客提供了NS2中会话级模拟的详细见解,这对于理解和模拟5G NR的随机接入过程以及其他网络协议的性能至关重要。通过这种模拟方法,研究人员和工程师可以更有效地测试和优化网络设计,为实际的5G网络部署提供理论支持。
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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: