5G MACNR Timing Advance（RAR TA 和 MAC-CE TA）

Posted 2022-12-21 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

NR Timing Advance

       Timing Advance（TA）是基站（Base Station，BS）发送给UE调整上行传输的命令，UE会按照命令提前发送UL symbols，即PUSCH、PUCCH和SRS传输。定时提前命令TAC （Timing Advance Command）通知UE需要提前发起UL传输的时间量。

关于Timing Advance的几点说明：

• Timing Advance Command （TAC）有两个变种，分别是：
  • 初始 Timing Advance Command （TAC），通过 RAR下发；
  • 通过MAC CE下发的 Timing Advance Command （TAC）。
• 初始 TAC 通过 RAR 消息携带，占用12 bits，取值范围为0~3846；
• 通过 MAC CE 下发的 TAC，占用6 bits，取值范围为0~63；
• TA是由MAC层控制，由物理层实际执行；
• TA的值取决于信号从基站到UE的传播延迟，位于不同位置的不同UE具有不同的TA值；
• TAC的目标是对齐所有UE到基站的UL传输；

下图显示了两个位于不同位置的UE, UE#1的TA=2*Tp1, UE#2的TA=2*Tp2，这里Tp是信号传播延迟。gNB应该给这两个UE发送两个TA，使这两个UE的上行链路同时到达gNB。

上下行定时关系

       在无线通信系统中，为了使上行链路帧与下行链路帧在时域上保持一致，需要调整上行链路帧的定时。上行帧由UE向gNB传输，下行帧由gNB向UE传输。定时控制程序由MAC层发起，并传送到物理层进行时间调整。上行链路与下行链路传输时间关系如下图所示。

• N_TA是发送到UE的测量值，是TAC的一部分；
• N_TA，offset根据不同的频段和子载波间隔变化；
• Tc 在5G NR系统中被称之为基本时间单元（basic time unit）。

通过 TAC 的 TA 同步过程

初始上行链路同步

       初始上行同步可以通过随机接入过程实现。gNB在随机接入响应中会发送12 bits 的TAC，结构如下图所示。

上行链路同步更新过程

       当初始 attach 完成后，UE根据MAC CE的TA 调整UL传输，5G NR采用与LTE相同的机制，即闭环（closed-loop）调整上行TA。如果某个特定的终端需要更正，gNB会向终端发送TAC，要求其调整上行传输时间。TAC通过TAC MAC CE发送到终端。TAC MAC CE由LCID值为111101的MAC PDU子头表示。LCID从LTE中的5位变为6位。

• TAC MAC CE有一个固定的8 bits，其结构如下：
  
  • TAG Identity （TAG ID）：TAG Identity是一个2 bits 字段，表示定时提前组标识（Timing Advance Group Identity）。包含SpCell的TAG，其TAG Identity 为0；
  • Timing Advance Command （TAC）：TAC 字段的长度为6 bits，其中索引值TA（取值范围为0,1,2…63）用于控制MAC实体应用定时调整的数量。

TAC是如何生效的？

       UE将最新的定时提前调整值保存为N_TA,old，当收到一个新的TAC并获得 T_A 时，计算最新的定时提前调整值。

• 如果终端接收到子帧n中的 TAC，则终端将在子帧n + 6应用定时调整值；
• TAC字段为6 bits，能够表示64种不同的时间调整量，实际可调整的范围从-32到32 Tc。一个Tc为0.509 ns，所以物理时间范围为0.509*32= -16.28 us ~ 0.509*32=16.28 us；
• 如果UE在子帧n中发送的PUCCH/PUSCH/SRS与子帧n+1由于定时调整而重叠，UE将完全传输子帧n的内容，而不会传输与子帧n+1重叠的内容。

UE根据RRC信令提供给UE的timeAlignmentTimer定时器在MAC层判断上行同步或者失步。

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