5G RACH – Random Access Channel nel collegamento iniziale

5G RACH – Random Access Channel nel collegamento iniziale

RACH, ovvero Random Access Channel, è un elemento critico nel processo di accesso iniziale nelle reti mobili, inclusa la rete 5G. Serve come canale attraverso il quale l’utente (UE – User Equipment) può avviare una comunicazione con la rete quando non è ancora sincronizzato. È la prima “porta” che un dispositivo apre per farsi riconoscere e ricevere risorse dal sistema. Questo canale è fondamentale per l’accesso casuale, la sincronizzazione e la gestione delle connessioni iniziali, specialmente in ambienti densi o ad alta mobilità.

Oggi ti spiego nel dettaglio cosa succede nel momento in cui un dispositivo accende la radio e cerca di comunicare per la prima volta con la rete 5G, e come il RACH svolge un ruolo chiave in questo processo.

Funzione di RACH nel 5G

In 5G NR (New Radio), il RACH è utilizzato durante il processo chiamato “random access”, ovvero l’accesso casuale. Questo meccanismo consente all’UE di richiedere risorse alla rete per stabilire una connessione. È particolarmente importante nei seguenti scenari:

5G PTAG – Primary Timing Advance Group nella sincronizzazione radio

• Quando un dispositivo si accende per la prima volta
• Dopo un handover da una cella all’altra
• Durante il ripristino della connessione in caso di errore
• Per sincronizzarsi con la rete in uplink

Tipi di accesso casuale

Il 5G NR supporta due tipi principali di accesso casuale attraverso il RACH:

1. Accesso casuale contenzioso (Contention-Based): più dispositivi possono inviare la stessa preambolo RACH contemporaneamente. Se si verifica una collisione, la rete risolve il conflitto tramite un meccanismo di risoluzione.
2. Accesso casuale non contenzioso (Contention-Free): la rete assegna direttamente un preambolo univoco al dispositivo, usato ad esempio in casi come il handover.

Procedura RACH in dettaglio

Il processo RACH segue una sequenza ben definita, spesso chiamata “Random Access Procedure”:

5G PRACH – Canale Fisico di Accesso Casuale

1. Trasmissione del preambolo: l’UE trasmette un preambolo RACH su una frequenza e in un tempo determinato secondo le configurazioni della cella.
2. Risposta al preambolo (RAR – Random Access Response): il gNB (base station nel 5G) risponde con un messaggio che include il tempo di sincronizzazione e l’assegnazione delle risorse uplink.
3. Richiesta di connessione: l’UE invia un messaggio RRC contenente l’identità, come la C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier).
4. Controllo di contesa: nel caso di accesso contenzioso, il gNB decide quale dispositivo ha vinto e comunica la risposta finale.

Preamboli RACH nel 5G NR

Nel 5G, i preamboli sono sequenze Zadoff-Chu che garantiscono bassa correlazione reciproca, rendendo più efficace la rilevazione e la gestione delle collisioni. Il numero e la configurazione dei preamboli disponibili dipende dalla configurazione della cella e può variare dinamicamente in base alla richiesta.

5G SSS – Secondary Synchronization Signal nella rete NR

Configurazione e parametri del RACH

Il comportamento del RACH è definito da parametri configurati tramite SIB2 (System Information Block) o tramite segnalazione RRC. Alcuni dei principali parametri includono:

• NumberOfRA-Preambles: quanti preamboli sono disponibili per l’accesso contenzioso.
• RA-ResponseWindowSize: finestra di tempo in cui l’UE si aspetta una risposta dopo l’invio del preambolo.
• MAC-ContentionResolutionTimer: timer per la risoluzione delle contese.

Confronto tra RACH in LTE e 5G NR

RACH e beamforming nel 5G

Un punto interessante nel 5G è che il RACH può lavorare con tecnologie avanzate come il beamforming. Questo permette alla rete di dirigere il segnale del preambolo verso l’antenna corretta anche in ambienti ad alta frequenza (mmWave), migliorando la precisione del collegamento iniziale e riducendo gli errori.

RACH e slicing di rete

Nel contesto del network slicing, ogni slice può avere una configurazione di accesso casuale diversa. Ad esempio, un slice per l’IoT massivo può essere configurato per supportare una grande quantità di accessi contenziosi, mentre uno slice per la bassa latenza potrebbe usare accessi non contenziosi per garantire tempi di risposta rapidi.

Limitazioni e sfide del RACH

• Elevata densità di dispositivi può causare congestione nei preamboli e collisioni frequenti.
• Nei casi di handover frequente (come in mobilità ad alta velocità), la procedura RACH può introdurre ritardi se non ottimizzata.
• In ambienti mmWave, la copertura del segnale può rendere difficile la trasmissione iniziale del preambolo se non supportata da beam management.

Domani potremmo analizzare in dettaglio come funziona il beamforming nel 5G e perché è così importante nel garantire l’efficienza del RACH, soprattutto alle alte frequenze come i 28 GHz.