5G PRACH – Canale Fisico di Accesso Casuale

5G PRACH – Canale Fisico di Accesso Casuale

Il 5G PRACH, ovvero il Physical Random Access Channel, è uno dei canali fisici fondamentali nella comunicazione wireless 5G. Questo canale è responsabile della procedura di accesso iniziale tra l’utente e la rete. Quando un dispositivo (UE – User Equipment) vuole connettersi a una nuova cella o sincronizzarsi dopo un periodo di inattività, utilizza il PRACH per iniziare il processo. Oggi ti guiderò nella comprensione dettagliata di come funziona il PRACH, perché è così critico nel 5G e quali sono le differenze rispetto alle generazioni precedenti.

Funzione primaria del PRACH

Il PRACH viene utilizzato dall’UE per inviare una richiesta iniziale alla rete in modo asincrono. Questo accade tipicamente in tre situazioni principali:

• Quando l’UE si accende e cerca di accedere alla rete.
• Quando cambia cella e deve risincronizzarsi (handover).
• Quando riprende da uno stato di inattività e deve ristabilire la connessione.

Il PRACH trasmette un preambolo specifico che viene ricevuto dalla gNB (la stazione base del 5G), che risponde con un messaggio di sincronizzazione per stabilire i parametri di comunicazione tra UE e rete.

5G SSS – Secondary Synchronization Signal nella rete NR

Formato e configurazione del PRACH

Nel 5G, i formati di PRACH sono più flessibili rispetto al 4G LTE. La rete può configurare diversi tipi di preambolo in base alla distanza dell’UE dalla cella, al tipo di deployment (macro o small cell) e alla banda utilizzata.

Come funziona la procedura Random Access nel 5G

La procedura di accesso casuale (Random Access Procedure) può essere:

5G SS-RSRQ – Qualità del segnale ricevuto di riferimento SS

• Contention-based: dove più UE possono usare lo stesso preambolo e la rete deve gestire eventuali collisioni.
• Contention-free: tipicamente usata in handover, dove la rete assegna un preambolo univoco all’UE per evitare collisioni.

Fasi della procedura PRACH contention-based

1. L’UE seleziona un preambolo PRACH e lo trasmette alla gNB.
2. La gNB risponde con il Random Access Response (RAR), contenente timing advance e risorse uplink.
3. L’UE invia la propria identità (RRC message) sulle risorse assegnate.
4. La gNB conferma l’identità e completa l’accesso.

PRACH e Timing Advance

Uno degli elementi chiave che il PRACH gestisce è il Timing Advance (TA), necessario per sincronizzare le trasmissioni uplink. Quando l’UE trasmette il preambolo, la rete può calcolare quanto tempo ci mette il segnale ad arrivare e comunicare all’UE un valore TA per allineare la trasmissione temporale.

5G SS-RSRP – Potenza del segnale di riferimento SS ricevuto

Rispetto al PRACH nel 4G

Nel 5G NR, il PRACH è progettato per essere più efficiente, supportando accessi più rapidi e una più ampia gamma di configurazioni temporali. Alcune differenze chiave includono:

• Supporto per frequenze FR1 (<6 GHz) e FR2 (>24 GHz mmWave).
• Flessibilità nei formati per ottimizzare i tempi di accesso e le distanze coperte.
• Integrazione con beamforming e sincronizzazione iniziale nei sistemi ad antenna attiva (AAS).

Importanza del PRACH nelle architetture 5G SA e NSA

In modalità Standalone (SA), il PRACH è utilizzato direttamente dalla rete 5G per consentire l’accesso iniziale. In modalità Non-Standalone (NSA), il PRACH può essere usato in coordinamento con LTE per gestire l’accesso alla rete combinata. In entrambi i casi, la corretta configurazione del PRACH è essenziale per ottimizzare le performance di accesso e ridurre il tempo di connessione dell’utente.

Gestione delle collisioni PRACH

Quando più UE inviano lo stesso preambolo nello stesso momento, la rete può rilevare una collisione. In questi casi, la rete può ignorare la risposta, costringendo l’UE a ritentare dopo un tempo casuale. Questo meccanismo è tipico delle reti wireless condivise e deve essere ottimizzato per evitare congestione nelle celle affollate.

Beamforming e accesso iniziale con PRACH

Nel 5G, in particolare sulle frequenze mmWave (FR2), il PRACH può essere utilizzato anche per il beam training. L’UE trasmette il preambolo in diverse direzioni (beam sweep) e la gNB può determinare il miglior fascio di ricezione. Questo processo è fondamentale per garantire la qualità del segnale nelle comunicazioni ad alta frequenza.

Domani potremo approfondire come funziona il beamforming e il beam management nelle reti 5G, specialmente nella configurazione degli accessi iniziali e nel tracciamento del dispositivo durante il movimento, elementi che completano il funzionamento del PRACH nei sistemi ad alte prestazioni.