3GPP中5G Time Advance部分的回顧與更新

2024隨手記之五，最近工作中定位問題查了一堆3GPP中TA的相關(guān)信息。就梳理一下查到的資料，也順便理一下思路。也糾正以前的一些理解上的局限甚至些許偏差。

大家都知道，定時(shí)提前量TA本身用于終端的空中接口上行傳輸定時(shí)，它有助于確保來(lái)自所有UE的上行鏈路傳輸在被基站接收時(shí)是同步的。TA的定義最早可追溯到GSM空中接口系統(tǒng)，在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，定時(shí)提前 (TA) 值對(duì)應(yīng)于信號(hào)從終端到達(dá)基站所需的時(shí)間長(zhǎng)度。GSM在空中接口中使用TDMA技術(shù)在多個(gè)用戶之間共享單個(gè)頻率，為共享頻率的各個(gè)用戶分配連續(xù)的時(shí)隙。每個(gè)用戶在八個(gè)時(shí)隙之一內(nèi)定期發(fā)送的時(shí)間少于八分之一。由于用戶與基站的距離不同，并且無(wú)線電波以有限光速傳播，因此基站可以使用時(shí)隙內(nèi)的精確到達(dá)時(shí)間來(lái)確定到移動(dòng)電話的距離。必須相應(yīng)地調(diào)整允許電話在時(shí)隙內(nèi)傳輸突發(fā)流量的時(shí)間，以防止與相鄰用戶發(fā)生沖突。

定時(shí)提前 (TA) 就是控制此調(diào)整的變量。3GPP TS 05.10和TS 45.010描述了TA值調(diào)整過程。TA值通常在0到63之間，每一步代表一周期的提前（大約 3.69 微秒）。

當(dāng)無(wú)線電波以每秒約 300,000,000 米（即每微秒 300 米）的速度傳播時(shí)，一個(gè)TA步長(zhǎng)表示往返距離（傳播范圍的兩倍）變化約1,100米。這意味著終端和基站之間的范圍每改變550米，TA 值就會(huì)發(fā)生變化。63 × 550米的限制是設(shè)備距基站的最大距離 35 公里，也是小區(qū)覆蓋距離的上限。

持續(xù)調(diào)整的TA值可以避免相鄰時(shí)隙中其他用戶的干擾，從而最大限度地減少數(shù)據(jù)丟失并維持業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量QoS。

從根本上來(lái)說(shuō)，使用定時(shí)提前TA的原因是如果不用它，那么在UE收到基站的下行信息后準(zhǔn)備發(fā)送上行信息時(shí)候，如果這些信息要穿過空口到達(dá)基站，那么當(dāng)上行信息到達(dá)基站時(shí)就與其發(fā)送時(shí)間點(diǎn)不同了，這由上下行總共需要的時(shí)長(zhǎng)所致。而由于小區(qū)內(nèi)眾多的UE隨機(jī)分布在覆蓋區(qū)內(nèi)的不同位置，它們與天線的相隔距離各異，而各自發(fā)送的信息到達(dá)基站的時(shí)間也就不同，也就不可避免地造成干擾。

更進(jìn)一步說(shuō)，基站期待的是所有UE來(lái)自相同子幀的的上行信號(hào)能夠在容忍范圍內(nèi)盡可能同步到達(dá)。只要落在循環(huán)前綴CP之內(nèi)就能正確接收。因?yàn)椴煌腢E要進(jìn)行不同的TA調(diào)整以期所有的UE的在同一個(gè)子幀的信號(hào)到達(dá)基站都是對(duì)齊的。

在5G的3GPP規(guī)范中也對(duì)TA有了一些約定。首先，3GPP針對(duì)基礎(chǔ)部分定義的5G的時(shí)間單位如下：

所以?Tc?= 1 / (480kHz · 4096) = 0.509 ns?

那么在38211中定義的根本信息如下：

接著這個(gè)公式中的各個(gè)變量和常量的來(lái)源如下，其中n-TimingAdvanceOffset這個(gè)參數(shù)可以在RRC IE組servingCellConfigCommon或者ServingCellConfigCommonSIB里提供。而如果這個(gè)參數(shù)沒有配給UE的話，F(xiàn)R1中NTA,offset的取值設(shè)定為25600，對(duì)于FR2，這個(gè)值固定為13792，這些不需要通知UE，是協(xié)議中UE和網(wǎng)側(cè)約定的。更詳細(xì)的處理邏輯參見38.213 ch4.2和ch4.3節(jié)：

所以，上面設(shè)計(jì)的這個(gè)TA提前量用于UE在對(duì)應(yīng)的下行幀開始之前發(fā)送上行的提前量。靠近天線的UE的傳播延遲較小，因此需要較小的TA調(diào)整。而當(dāng)UE向遠(yuǎn)離天線的方向移動(dòng)時(shí)，其傳播延遲會(huì)越來(lái)越大。TA考慮是一個(gè)來(lái)回的傳播延遲。根據(jù)下面搜到的這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的圖來(lái)看，也因此要考慮的傳播延遲是2*tprop，也就是上下行都要考慮。而從UE側(cè)來(lái)看，UE初始發(fā)射定時(shí)控制要求的參考點(diǎn)應(yīng)為參考小區(qū)的下行定時(shí)減去(NTA+NTA,offset·Tc)，即TA值。下行鏈路定時(shí)被定義為從參考小區(qū)接收到相應(yīng)下行鏈路幀的第一條檢測(cè)到的路徑（在時(shí)間上）的時(shí)間。從網(wǎng)側(cè)來(lái)看，上行鏈路無(wú)線幀和相應(yīng)的下行鏈路無(wú)線幀之間的時(shí)間差是toffset，對(duì)于附著在其上的所有UE來(lái)說(shuō)是相同的。傳播延遲已經(jīng)在UE側(cè)由TA補(bǔ)償。

or

TA的計(jì)算公式在上圖中已經(jīng)有所描述，我們將這幾段協(xié)議文本匯總?cè)缦拢?/p>

更為精煉一些的內(nèi)容如下：

計(jì)算TA生效時(shí)間輸入?yún)?shù)是上下行最小SCS。其中NT,1是所接受的corresponding PDSCH的符號(hào)數(shù)（N1），而NT,2是UE在相應(yīng)的PUSCH上發(fā)送的symbol的個(gè)數(shù)（N2），NTA,max即為MAC CE中TA Command的最大TA值，而Tsf是個(gè)常量1ms（sf為subframe），N1和N2的定義可參考文章：5G PDSCH處理時(shí)間：N1--隨手記2023（15）5G PUSCH準(zhǔn)備時(shí)間約定：N2--隨手記2023（16）

所輸出的參數(shù)舉例如下：

前面也提到過，網(wǎng)絡(luò)通知UE的TA Command的MAC CE指令最早在msg2中出現(xiàn)，在msg3的時(shí)候執(zhí)行。RAR所使用的MAC CE格式如下：

而正常數(shù)傳起見的用于update的TAC格式如下：

這些在文章5G中的MAC CE小結(jié)和隨手記2024（4）3GPP中關(guān)于MAC CE生效過程delay的約定舉例也有所涉及，可供大家參考。關(guān)于從R17開始由于NTN引入導(dǎo)致的TA方面的一些變化如下：

這兩個(gè)參數(shù)在38.213的ch4.2有描述，這里結(jié)合RRC相關(guān)配置的參數(shù)映射匯總一下：

本文所參考的3GPP規(guī)范文檔列表如下：
38.214 ch5.338.211?ch4.3 ，ch7.4.1.1
38.213 ch4.238.321 ch5.1，ch6.138.133 ch7.338.331 ch6.3.2