Initial Access (LTE và NR)¶
Initial access là chuỗi bước đưa UE từ lúc bật máy tới lúc có kết nối RRC với trạm gốc: tìm cell, đồng bộ thời gian và tần số, đọc thông tin hệ thống, chọn cell để "camp", rồi random access và thiết lập RRC. Các lớp và định danh dùng ở đây được giới thiệu ở Protocol Stack & States.
Bật máy / mất sóng
│
▼
Chọn PLMN (NAS) ─► Dò cell: PSS, SSS ─► Đọc MIB (PBCH) ─► Đọc SIB1 ─► Chọn cell (S-criterion)
│
Camp trên cell, RRC_IDLE
│
Có nhu cầu (đăng ký, dữ liệu, paging)
│
▼
Random access (Msg1 đến Msg4) ─► RRC_CONNECTED
Dò cell và đồng bộ¶
Mục tiêu của bước này là tìm ra tần số sóng mang, biên khung (frame boundary) và Physical Cell ID (PCI). PCI được ghép từ hai phần, mỗi phần mang trong một tín hiệu đồng bộ:
- PSS (primary synchronization signal) cho
N_ID(2), 3 giá trị. - SSS (secondary synchronization signal) cho
N_ID(1). PCI = 3 · N_ID(1) + N_ID(2).
LTE: PSS, SSS ở giữa băng¶
| Thuộc tính | Giá trị |
|---|---|
| Vị trí tần số | 62 subcarrier ở giữa băng (trong 6 RB trung tâm), bất kể băng thông kênh |
| Vị trí thời gian (FDD) | PSS ở symbol cuối của slot 0 và slot 10, SSS ở symbol ngay trước, tức subframe 0 và 5 |
| Vị trí thời gian (TDD) | PSS ở symbol thứ ba của subframe 1 và 6 (DwPTS), SSS ở symbol cuối của subframe 0 và 5 |
| Chu kỳ | 5 ms |
| PSS | Chuỗi Zadoff-Chu, 3 root |
| SSS | Ghép hai m-sequence, 168 nhóm, hai nửa khác nhau giữa subframe 0 và 5 nên cho biết biên 10 ms |
| Số PCI | 3 × 168 = 504 |
Khoảng cách giữa PSS và SSS cho UE biết cell dùng FDD hay TDD và dùng CP thường hay CP mở rộng. Sau khi có PCI, UE biết vị trí CRS và đo RSRP, RSRQ trên CRS.
UE quét theo channel raster 100 kHz (EARFCN). Vì PSS/SSS luôn ở tâm sóng mang nên tìm được đồng bộ cũng có nghĩa là tìm được tâm kênh.
NR: khối SSB¶
NR gói PSS, SSS và PBCH vào một khối gọi là SSB (SS/PBCH block):
240 subcarrier (20 RB)
┌───────────────────────────┐
symbol 0 │ │ PSS │ │ PSS: 127 subcarrier ở giữa
symbol 1 │ PBCH │
symbol 2 │ PBCH │ SSS │ PBCH │ SSS: 127 subcarrier ở giữa
symbol 3 │ PBCH │
└───────────────────────────┘
| Thuộc tính | Giá trị |
|---|---|
| Kích thước | 4 OFDM symbol × 240 subcarrier |
| Subcarrier spacing | 15 hoặc 30 kHz ở FR1, 120 hoặc 240 kHz ở FR2 (thêm 480, 960 kHz ở FR2-2) |
| PSS | m-sequence, 3 giá trị |
| SSS | Gold sequence, 336 nhóm |
| Số PCI | 3 × 336 = 1008 |
| Burst set | Mọi SSB của một chu kỳ nằm trong một nửa khung 5 ms, tối đa L_max = 4 hoặc 8 (FR1), 64 (FR2) |
| Chu kỳ | 5, 10, 20, 40, 80, 160 ms; khi initial access UE giả định 20 ms |
| Vị trí tần số | Theo synchronization raster (GSCN), không bắt buộc ở tâm sóng mang |
Những điểm khác LTE mà phần mềm phải xử lý:
- SSB gắn với beam. Mỗi SSB trong burst set có một chỉ số (SSB index) và thường được phát theo một beam khác nhau. UE đo các SSB, chọn beam tốt nhất, và về sau dùng SSB index này để chọn thời điểm PRACH. Ba bit thấp của SSB index lấy từ DMRS của PBCH, ba bit cao (khi L_max = 64) lấy từ payload PBCH.
- Sync raster thưa hơn channel raster. Băng NR rộng tới hàng trăm MHz, quét theo channel raster sẽ rất lâu. GSCN có bước cỡ 1,2 MHz (dưới 3 GHz) hoặc 1,44 MHz (3 đến 24,25 GHz), nên UE chỉ thử vài điểm. Vì vậy SSB có thể lệch khỏi tâm kênh, MIB phải cho UE biết độ lệch (
ssb-SubcarrierOffset, gọi là k_SSB) và vị trí CORESET#0. - Không có CRS. UE đo SS-RSRP, SS-RSRQ, SS-SINR trên SSB.
MIB và SIB1¶
MIB¶
MIB là bản tin nhỏ nhất, cố định, đủ để UE đọc được SIB1.
| LTE (PBCH) | NR (PBCH) | |
|---|---|---|
| TTI | 40 ms, phát lặp mỗi 10 ms ở subframe 0 | 80 ms, lặp theo chu kỳ SSB |
| SFN | 8 bit cao trong MIB, 2 bit thấp suy ra từ vị trí trong chu kỳ 40 ms | 6 bit cao trong MIB, 4 bit thấp trong payload PBCH ngoài MIB |
| Thông tin chính | dl-Bandwidth, phich-Config, systemFrameNumber |
subCarrierSpacingCommon, ssb-SubcarrierOffset, dmrs-TypeA-Position, pdcch-ConfigSIB1, cellBarred, intraFreqReselection |
Điểm khác cơ bản: UE LTE đọc MIB xong là biết toàn bộ băng thông của cell và giải mã PDCCH trên cả băng. UE NR chỉ biết CORESET#0 và search space #0 (từ pdcch-ConfigSIB1), đủ để tìm DCI lập lịch SIB1. Băng thông nó dùng ban đầu là initial BWP, hẹp hơn nhiều so với sóng mang.
SIB1 và các SIB khác¶
SIB được phát trên PDSCH, lập lịch bằng DCI có CRC scramble với SI-RNTI.
| LTE | NR | |
|---|---|---|
| SIB1 | Chu kỳ 80 ms, phát ở subframe 5 các frame chẵn (lặp mỗi 20 ms) | Còn gọi là RMSI, chu kỳ 160 ms, lặp trong chu kỳ đó theo cấu hình |
| Nội dung SIB1 | PLMN, TAC, cell identity, cell barred, tham số chọn cell, lịch phát các SI khác | Như LTE, cộng thêm servingCellConfigCommon: cấu hình RACH, initial BWP uplink và downlink, TDD pattern |
| Cấu hình RACH nằm ở | SIB2 | SIB1 |
| Các SIB khác | Luôn phát quảng bá | Phát quảng bá hoặc chỉ phát khi UE yêu cầu (on-demand) |
Các SIB khác hay gặp:
| Nội dung | LTE | NR |
|---|---|---|
| Tài nguyên chung, paging, timer | SIB2 | SIB1 |
| Cell reselection chung, cùng tần số | SIB3, SIB4 | SIB2, SIB3 |
| Reselection khác tần số | SIB5 | SIB4 |
| Reselection sang hệ khác | SIB6 đến SIB8 (UTRA, GERAN, CDMA2000), SIB24 (NR) | SIB5 (E-UTRA) |
| Cảnh báo công cộng (ETWS, CMAS) | SIB10 đến SIB12 | SIB6 đến SIB8 |
| Thời gian | SIB16 | SIB9 |
| NTN (thông tin vệ tinh, ephemeris) | SIB31 (IoT NTN) | SIB19 |
Với on-demand SI ở NR, UE ở IDLE hoặc INACTIVE gửi yêu cầu bằng một preamble dành riêng (cách Msg1) hoặc bằng bản tin RRCSystemInfoRequest trong Msg3. Cell chỉ phát SIB đó trong một khoảng thời gian sau yêu cầu, giúp tiết kiệm tài nguyên và năng lượng.
Chọn cell¶
Sau khi có SIB1, UE kiểm tra cell có hợp lệ không: đúng PLMN, không bị barred, không bị cấm theo TA, và thỏa S-criterion:
Srxlev = Qrxlevmeas − (Qrxlevmin + Qrxlevminoffset) − Pcompensation − Qoffsettemp > 0
Squal = Qqualmeas − (Qqualmin + Qqualminoffset) − Qoffsettemp > 0
Qrxlevmeas là RSRP đo được (trên CRS ở LTE, trên SSB ở NR), Qrxlevmin và các offset lấy từ SIB1, Pcompensation phạt các UE có công suất phát tối đa thấp hơn mức cell yêu cầu. Thỏa điều kiện thì UE camp trên cell, lắng nghe paging và theo dõi các cell lân cận để reselection (xem Connected Mode & Mobility).
Random access¶
Random access đưa UE từ trạng thái "chỉ nghe" sang có tài nguyên uplink riêng và có timing advance đúng. Ngoài lúc thiết lập kết nối, nó còn chạy khi:
- UE ở CONNECTED mất đồng bộ uplink, hoặc chưa có tài nguyên gửi scheduling request.
- Handover sang cell mới.
- Tái thiết lập kết nối sau lỗi.
- NR: khôi phục beam (beam failure recovery), yêu cầu on-demand SI, resume từ INACTIVE.
Preamble và thời điểm PRACH¶
| LTE | NR | |
|---|---|---|
| Số preamble mỗi cell | 64 | 64 mỗi RACH occasion |
| Chuỗi | Zadoff-Chu dài 839 (format 0 đến 3), 139 (format 4, chỉ TDD) | Dài 839 (format 0 đến 3, 1,25 hoặc 5 kHz), ngắn 139 (format A1 đến C2, SCS 15·2^µ kHz) |
| Thời điểm phát | Theo prach-ConfigIndex trong SIB2 |
Theo prach-ConfigurationIndex trong SIB1, gắn với SSB index |
| Tính RA-RNTI | 1 + t_id + 10 · f_id |
1 + s_id + 14·t_id + 14·80·f_id + 14·80·8·ul_carrier_id |
Ở NR, mỗi SSB được ánh xạ tới một tập RACH occasion và preamble (ssb-perRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB). UE chọn SSB tốt nhất rồi phát preamble ở occasion tương ứng. Nhờ đó gNB biết UE nằm ở beam nào ngay từ Msg1 và phát Msg2 trên đúng beam đó.
Thủ tục 4 bước có tranh chấp (CBRA)¶
sequenceDiagram
autonumber
participant UE
participant RAN as eNB / gNB
Note over UE: Chọn preamble ngẫu nhiên<br/>NR: chọn SSB, chọn RACH occasion theo SSB
UE->>RAN: Msg1 - preamble trên PRACH
Note over RAN: Phát hiện preamble, ước lượng timing advance
RAN->>UE: Msg2 - Random Access Response trên PDSCH<br/>DCI scramble với RA-RNTI<br/>RAPID, TA command, UL grant, TC-RNTI
UE->>RAN: Msg3 - PUSCH theo grant<br/>LTE RRCConnectionRequest / NR RRCSetupRequest
RAN->>UE: Msg4 - Contention Resolution MAC CE<br/>kèm LTE RRCConnectionSetup / NR RRCSetup
Note over UE: Định danh khớp thì TC-RNTI thành C-RNTI
UE->>RAN: Msg5 - LTE RRCConnectionSetupComplete / NR RRCSetupComplete<br/>trên SRB1, mang NAS PDU đầu tiên
Chi tiết từng bước:
- Msg1. UE chọn ngẫu nhiên một trong các preamble cho phép và phát với công suất ban đầu
preambleInitialReceivedTargetPowercộng bù suy hao đường truyền đo được. Nếu không nhận được Msg2, UE tăng công suất theopowerRampingStepvà thử lại cho tớipreambleTransMaxlần. - Msg2 (RAR). Trạm gốc trả lời trong cửa sổ
ra-ResponseWindow. Một RAR có thể chứa trả lời cho nhiều preamble, mỗi phần có RAPID (chỉ số preamble), lệnh timing advance, grant cho Msg3 và TC-RNTI. Có thể kèm backoff indicator để giãn các lần thử lại khi tải cao. - Msg3. UE áp timing advance và phát trên PUSCH theo grant, có HARQ. Nội dung là bản tin RRC trên CCCH (SRB0):
- LTE
RRCConnectionRequest:ue-Identity(S-TMSI nếu đã đăng ký, nếu không là số ngẫu nhiên 40 bit) vàestablishmentCause(mo-Signalling, mo-Data, mt-Access, emergency, ...). - NR
RRCSetupRequest:ue-Identity(39 bit thấp của 5G-S-TMSI làng-5G-S-TMSI-Part1, hoặc số ngẫu nhiên 39 bit) vàestablishmentCause.
- LTE
- Msg4. Nhiều UE có thể chọn trùng một preamble và cùng gửi Msg3. Trạm gốc chỉ giải mã được một, rồi gửi lại 48 bit đầu của SDU Msg3 trong UE Contention Resolution Identity MAC CE. UE nào thấy khớp với bản tin của mình thì thắng, giữ TC-RNTI làm C-RNTI, các UE khác bắt đầu lại từ Msg1 khi
ra-ContentionResolutionTimerhết. Cùng PDU có bản tin RRC setup cấu hình SRB1 và cấu hình lớp dưới (LTEradioResourceConfigDedicated, NRradioBearerConfigvàmasterCellGroup). - Msg5. UE trả lời trên SRB1. Bản tin này mang NAS PDU đầu tiên (Attach Request, Registration Request hoặc Service Request), PLMN đã chọn, và ở NR thêm
ng-5G-S-TMSI-Part2(9 bit còn lại) cùng thông tin AMF đã đăng ký để gNB chọn đúng AMF.
Trạm gốc có thể từ chối bằng RRCConnectionReject / RRCReject kèm thời gian chờ. Timer T300 chạy từ khi UE gửi Msg3 tới khi nhận được setup hoặc reject.
Không tranh chấp (CFRA) và 2 bước¶
- CFRA. Mạng cấp trước một preamble riêng (trong lệnh handover, trong PDCCH order, hoặc cho beam failure recovery). Không có tranh chấp nên thủ tục dừng ở Msg2: nhận được RAR có đúng RAPID là xong. Đây là cách handover thường dùng để rút ngắn thời gian gián đoạn.
- 2-step RACH (NR Rel-16). UE gửi MsgA gồm preamble và một PUSCH mang nội dung tương đương Msg3. gNB trả MsgB (DCI scramble với MSGB-RNTI) gồm cả RAR và contention resolution. Nếu gNB chỉ phát hiện được preamble mà không giải mã được PUSCH, MsgB chứa fallback RAR và UE quay về tiếp tục như 4 bước từ Msg3. Kiểu này giảm độ trễ cho cell nhỏ, nơi timing advance gần như bằng 0.
Initial access bên trong gNB tách CU/DU¶
Khi gNB tách theo RAN Architecture & Splits, các bước trên được chia giữa DU và CU:
sequenceDiagram
participant UE
participant DU as gNB-DU
participant CU as gNB-CU-CP
UE->>DU: Msg1 preamble
Note over DU: PHY phát hiện PRACH, MAC cấp TC-RNTI
DU->>UE: Msg2 RAR
UE->>DU: Msg3 RRCSetupRequest
DU->>CU: F1AP Initial UL RRC Message Transfer<br/>NR CGI, C-RNTI, RRC container, DU to CU RRC container
Note over CU: Quyết định chấp nhận, dựng RRCSetup<br/>dùng CellGroupConfig do DU tạo
CU->>DU: F1AP DL RRC Message Transfer chứa RRCSetup
DU->>UE: Msg4 Contention Resolution MAC CE và RRCSetup
UE->>DU: RRCSetupComplete trên SRB1
DU->>CU: F1AP UL RRC Message Transfer
Phân công này giải thích vì sao lỗi initial access trên thực tế hay nằm ở biên các khối:
- RU và DU-PHY: phát hiện PRACH. Trong O-RAN, RU xử lý PRACH riêng (lọc, FFT trên băng PRACH) rồi mới gửi qua fronthaul, xem Open Fronthaul. Sai cấu hình PRACH giữa DU và RU dẫn tới "UE phát nhưng không thấy Msg2".
- DU-MAC: cấp TC-RNTI, lập lịch RAR và Msg3, HARQ của Msg3, contention resolution. Sai timing advance hoặc grant Msg3 làm Msg3 giải mã lỗi.
- CU-CP: quyết định nhận UE và dựng bản tin RRC.
CellGroupConfig(cấu hình RLC, MAC, PHY cho SRB1) do DU tạo và gửi lên trongDU to CU RRC container, CU chỉ chèn vào RRCSetup.
Timer và tham số hay gặp¶
| Tên | Ý nghĩa |
|---|---|
ra-ResponseWindow |
Cửa sổ chờ Msg2 sau Msg1 |
ra-ContentionResolutionTimer |
Thời gian chờ Msg4 sau Msg3 |
preambleTransMax |
Số lần phát preamble tối đa trước khi báo lỗi lên RRC |
powerRampingStep |
Bước tăng công suất giữa hai lần phát preamble |
| T300 | Chờ RRC setup sau khi gửi Msg3 |
| T302 | Thời gian cấm truy nhập sau khi bị reject |
Đọc thêm¶
- 3GPP TS 36.211 và TS 38.211: cấu trúc PSS, SSS, PBCH, PRACH.
- 3GPP TS 36.213 và TS 38.213: thủ tục đồng bộ và random access ở lớp vật lý.
- 3GPP TS 36.321 và TS 38.321: thủ tục random access ở lớp MAC.
- 3GPP TS 36.304 và TS 38.304: chọn cell và reselection ở chế độ idle.
- 3GPP TS 38.473: F1AP.