5G网络初始接入、RRC与移动性相关技术解析

# 5G 初始接入、RRC 与移动性技术解析 ## 1. 5G 初始接入面临的挑战 在 5G 网络中，初始接入是用户设备（UE）与基站（BS）建立连接的重要阶段。与 4G LTE 系统相比，5G 由于采用毫米波（mmWave）频段和高度定向的链路，使得初始接入过程变得更加复杂。在高度定向链路的情况下，除了时间和频率域，5G 网络元素（如 BS、UE 或中继）还需要在空间维度上相互发现。例如，每个接收器在建立数据链路之前必须确定传入信号的到达角度。 根据波束成形架构的不同，扫描所有可能的到达角度可能会在控制平面（CP）中导致较高的延迟。在 5G 系统早期部署阶段，毫米波覆盖预计是“分散的”，毫米波小小区与 LTE 宏小区之间的切换会相当频繁，这将导致更高的延迟。因此，需要一种快速发现过程来在角空间中找到连接点。 ## 2. 波束成形架构 主要的波束成形架构有模拟、数字和混合波束成形三种。 - **模拟波束成形**：依赖射频（RF）中廉价的移相器来创建并将波束导向所需方向。每个接收器一次只能将波束导向一个方向，因此接收器必须逐个将波束导向所有可用角度。 - **数字波束成形**：依赖于连接到多天线阵列每个天线元件的模数转换器（ADC）获得的数字样本。由于有所有可用的数字样本，接收器可以同时将波束导向与天线元件数量相同的多个方向。但这会导致功耗增加，因为与模拟波束成形相比，需要使用更多的 ADC。不过，数字波束成形的角度扫描速度比模拟波束成形快 M 倍，其中 M 是接收器需要扫描的角域大小。 - **混合波束成形**：结合了模拟和数字波束成形的优点。 | 波束成形架构 | 原理 | 优点 | 缺点 | | --- | --- | --- | --- | | 模拟波束成形 | 依赖射频移相器 | 成本低 | 扫描速度慢，一次只能导向一个方向 | | 数字波束成形 | 依赖 ADC 获得的数字样本 | 扫描速度快 | 功耗高 | | 混合波束成形 | 结合模拟和数字优点 | - | - | ## 3. 数字波束成形在初始接入阶段的优势 在同步阶段，假设基站在每个同步时隙随机选择一个方向，并以模拟定向方式或全向方式（传输角度固定）发送同步信号。数字接收器波束成形表现出无可争议的优越性，即使在信噪比（SNR）低于 -17 dB 的情况下也能被检测到。选择这个 SNR 值作为阈值是因为在 1 GHz 带宽下运行的毫米波系统在该 SNR 下可以提供 10 Mbps 的数据速率。 ### 3.1 五种发现设计选项比较 为了进一步研究初始接入的性能，比较了五种发现设计选项，这些选项根据同步信号传输模式（模拟定向或模拟全向）、同步信号接收架构（模拟定向、模拟全向或数字定向）和随机接入接收模式（模拟定向、模拟全向或数字定向）进行区分和命名。具体如下表所示： | 选项 | 同步 BS 发送 | 同步 UE 接收 | 随机接入 BS 接收 | | --- | --- | --- | --- | | DDO | 模拟定向 | 模拟定向 | 模拟全向 | | DDD | 模拟定向 | 模拟定向 | 模拟定向 | | ODD | 模拟全向 | 模拟定向 | 模拟定向 | | ODDig | 模拟全向 | 模拟定向 | 数字定向 | | ODigDig | 模拟全向 | 数字定向 | 数字定向 | 从延迟和开销的角度对边缘用户（定义为 SNR 的第 1 百分位）和高 SNR 用户进行比较。开销定义为同步信号持续时间与传输周期的比率。随着开销的增加，即用于这些信号的资源增多，延迟相应降低。数字波束成形显著减少了同步和随机接入时间。 ### 3.2 功耗问题及解决方案 然而，数字波束成形的高功耗是一个重要问题。为了抵消数字波束成形的高功耗，可以采用低量化的 ADC，例如 2 - 3 位。由于 ADC 的功耗随比特分辨率呈指数级增长，采用低量化 ADC 可以将数字波束成形的功耗降低到与模拟波束成形相同的水平。并且在边缘用户的低 SNR 区域，降低量化分辨率的影响可以忽略不计。 ## 4. 低延迟初始接入的波束寻找 为了降低同步延迟，在初始接入阶段使用数字波束成形非常重要，特别是在有移动性的场景中。对于大型但有限的毫米波网络，可以使用基于码本的模拟波束成形和高效的遗传算法（GA）来进行初始接入波束成形。 ### 4.1 遗传算法流程 算法从随机获取 L 个可能的波束选择集开