قناة الوصول العشوائي في الاتصالات RACH

تُعد “RACH” القناة المستخدمة للوصول الأولي إلى النظام، كما تختلف وظيفة “RACH” اعتماداً على تقنية النظام، وينطبق مصطلح “RACH” على “cdmaOne” و”GSM” و”UMTS” و”TETRA” و”CDMA2000 LTE” وأنظمة الاتصالات الأخرى، كما يتم استخدام قناة “RACH” بواسطة الهاتف المحمول للحصول على الوصول إلى شبكة “GSM”.

ما هي قناة الوصول العشوائي RACH

قناة الوصول العشوائي “RACH”: هي قناة مشتركة تستخدمها المطاريف اللاسلكية للوصول إلى الشبكة المتنقلة “TDMA” أو “FDMA“، والشبكة القائمة على “CDMA” لإعداد المكالمة وإرسال البيانات المتدفقة، وكلما أراد الهاتف المحمول إجراء “MO” وهي قنوات مشتركة مستخدمة في أنظمة الاتصالات اللاسلكية للسماح للأجهزة المحمولة بإعداد المكالمة، كما تتعامل أيضاً مع نقل البيانات المتدفقة ويتم استخدامها بشكل شائع بواسطة هواتف “GSM” المحمولة للإرسال عبر الشبكات الخلوية.

• “MO” هي اختصار لـ “Mobile-Originate”.

• “RACH” هي اختصار لـ “Random-Access-Channel”.

• “CDMA” هي اختصار لـ “Code-Division-Multiple-Access”.

• “UMTS” هي اختصار لـ “Universal-Mobile-Telecommunications-System”.

• “GSM” هي اختصار لـ “Global-System-for-Mobile”.

• “TETRA” هي اختصار لـ “Terrestrial-Trunked-Radio”.

• “LTE” هي اختصار لـ “Long-Term-Evolution”.

• “FDMA” هي اختصار لـ “Frequency-Division-Multiple-Access”.

• “TDMA” هي اختصار لـ “Time-Division-Multiple-Access”.

أساسيات قناة الوصول العشوائي RACH

يتم استخدام هذه القناة “RACH” بواسطة “Mobile” للوصول إلى شبكة “GSM” أثناء وقت إعداد المكالمة، كما يتم استخدام رشقة الوصول لتعيين معلومات “RACH”، حيث كلما أراد الهاتف المحمول إجراء “MO” فإنّه يقوم بجدولة “RACH”، وهناك احتمال أن يقوم جهازي نقال أو أكثر بالإرسال في نفس الوقت وأن تصطدم عمليات الإرسال الخاصة بهم في الوسط ولن يتم منحهم إمكانية الوصول إلى الشبكة.

كما لم يتم تعريف عدد الهواتف المحمولة المرسلة في فتحة زمنية واحدة “RACH” في معيار “GSM” وفي حالة حدوث تصادم، ينتظر الهاتف المحمول فترة زمنية عشوائية ويرسل “RACH” مرة أخرى ووقت الانتظار هذا عشوائي أيضاً، كما يستخدم “RACH” بنية الإطار متعدد الإطارات “GSM51” في الوصلة الصاعدة لنقل المعلومات.

وفي الغالب يتم استخدام “TS1” ولكن في مناطق خلايا “GSM” عالية السعة يتم استخدام “TS2″ و”TS4″ و”TS6” لمغادرة “RACH TS0″، كما تعمل الأنظمة المتنقلة بكفاءة بمجرد معرفة الأجهزة المحمولة بالمحطة الأساسية وتكوينها للإرسال والاستقبال في حالات محددة بدقة، كما  هناك وقت بين اللحظة التي يكتشف فيها الجهاز المحمول إشارات بث المحطة الأساسية وبدء العمليات العادية، ويتم استخدام هذا الوقت لتنفيذ إجراء الوصول العشوائي الذي يتم تحديده عادةً في ثلاث خطوات:

• يرسل الجهاز المحمول إشارة عشوائية أولية في قناة خاصة تسمى قناة الوصول العشوائي المادي “PRACH”، وتم تصميم هذه الإشارة للسماح للمحطة الأساسية بقياس إزاحة توقيت الجهاز، وستستجيب المحطة الأساسية بطلب للأجهزة المحمولة المكتشفة لإرسال رسالة قصيرة بإزاحة توقيت محددة.

• سيكرر الجهاز المحمول جزءاً من استجابة المحطة الأساسية ويقدم معرفها المؤقت، كما يمكن استخدام هذه الرسالة لنقل “البيانات المبكرة”، كما تستخدم المحطة الأساسية هذه الرسالة لاكتشاف التصادمات إذا أرسل أكثر من جهاز نفس الإشارة العشوائية في نفس مورد راديو “PRACH”.

• يمكن للجهاز المحمول أخيراً إرسال رسالة أطول لشرح سبب طلب الوصول وقد تستخدم الشبكة هذه الرسالة لمصادقة الجهاز، ومعرفة المزيد حول إمكانياته وتهيئته للعمليات العادية ويتم استخدام إجراء قناة الوصول العشوائي “RACH” في نظام اتصال لاسلكي بحيث يمكن توصيل الجهاز المحمول بالشبكة والتواصل بكفاءة.

لا يعرف هاتفان يحاولان الوصول إلى شبكة في محطة أساسية محددة في نفس الوقت محاولة كل منهما الآخر، وهذه هي اللحظة الوحيدة التي تعمل فيها الهواتف المحمولة بطريقة غير منسقة ويمكن أن تتعارض مع بعضها البعض، ولهذا السبب تم اختراع قناة “RACH” لتجنب الاصطدامات المدمرة أثناء نقل البيانات.

و”RACH” هي النقطة الافتراضية للتصادم وتستخدم الهواتف رموزاً محددة للغاية ويوفر البروتوكول آلية لحل التصادم، وبمجرد حل الوصول تستخدم المحطة الأساسية نظاماً صارماً لتخصيص موارد الإرسال غير الخلافية لكل هاتف.

إنّ إجراء مثل “CSMA / CD” للإيثرنت مع كشف التصادم في كل خطوة إرسال مفردة سيكون ببساطة مكلفاً للغاية بالنسبة للإرسال اللاسلكي، كما يرتبط إجراء تجنب الاصطدام في “WLAN” ويخدم نفس الغرض لكنّها بسيطة بالمقارنة.

ولا يوجد سوى عدد قليل من الأجهزة في الشبكة المحلية، حيث يمكن توصيل “BTS” بمئات أو آلاف الأجهزة في نفس الوقت، وباستخدام “mMTC” يمكن أن يكون هناك ملايين الأجهزة لكل خلية ممّا يجعل الوصول المتزامن تحدياً حقيقياً.

• “CSMA / CD” هي اختصار لـ “Carrier-sense-multiple-access-collision-detection”.

• “BTS” هي اختصار لـ “Base-Transceiver-Station”.

• “WLAN” هي اختصار لـ “Wireless-Local-Area-Network”.

• “mMTC” هي اختصار لـ “Massive-Machine-Type-Communications”.

آلية عمل قناة الوصول العشوائي RACH

من أجل المزامنة مع الشبكة يتم استخدام إجراء “RACH”، ولنفترض أنّ “UE” تريد الوصول إلى الشبكة لذلك ستحاول أولاً التوصيل أو المزامنة مع الشبكة، وفي “LTE” يتم توفير قناة منفصلة “PRACH” للوصول الأولي إلى الشبكة، كما يمكن إجراء “RACH” في:

1- الوصول الأولي

• تحاول “UE” الوصول إلى الشبكة في حالة خمول “RRC”.

• أثناء إجراء إعادة توصيل “RRC”.

• أتناء التسليم.

ملاحظة:“RRC” هي اختصار لـ “Radio-Resource-Control” و”UE” هي اختصار لـ “user-equipment”.

2- عند فقدان تزامن الوصلة الصاعدة

• يعني ذلك أنّ الشبكة لم تستقبل أي شيء من تجهيزات المستعمل في الوصلة الصاعدة من مدة معينة.

• عندما لا يكون لدى “UE” أي موارد “PUCCH” متاحة لطلب الجدولة “SR”.

• عندما يلزم تقدم التوقيت لغرض تحديد الموقع في حالة التوصيل “RRC” لتجهيزات المستعمل.

• لبدء الإجراء سترسل الطبقات السفلية “UE” طلب وصول عشوائي أي طلب “RACH” بعد تلقي طلب من “UE RRC”.

• تستقبل تجهيزات المستعمل الكثير من المعلومات من “eNodeB” في معلومات النظام “SIB2”.

ملاحظة:“PUCCH” هي اختصار لـ “Physical-Uplink-Shared-Channel” و”SR” هي اختصار لـ “Scheduling-request”.

3- من فهرس تكوين PRACH

يوجد تعيين في جدول المواصفات “36211 5.7.1-2” يمكن من خلاله لـ “UE” العثور على الإطارات الفرعية المتاحة، حيث يمكنها إرسال “RACH”.

4- من إزاحة التردد PRACH

يتم تلقي هذه القيمة في “SIB2” بواسطة “UE”، وهي تتحكم في مورد التردد الذي يمكن أن تستخدمه تجهيزات المستعمل لـ “RACH Req”.

كيفية تتصرف eNodeB بعد تلقي طلب الوصول العشوائي

1- تخصيص “RNTI” المؤقت والمعرف المؤقت لشبكة الراديو

بعد تلقي طلب “RACH”يخصص “eNodeB” هوية مؤقتة لجهاز “UE” والتي تصبح دائمة بعد إجراء “RACH” الناجح، كما تسمى الهوية الدائمة باسم “CRNTI”، كما يتم إرسال “TC-RNTI” هذا إلى تجهيزات المستعمل كجزء من استجابة “RACH” والتي ستُستخدم لمزيد من الاتصالات بين تجهيزات المستعمل والشبكة.

• “CRNTI” هي اختصار لـ “Cell RNTI”.

2- تقدم التوقيت

• بعد تلقي طلب “RACH” تحسب الطبقة المادية “eNodeB PHY” تقدم التوقيت الذي يُرسل إلى تجهيزات المستعمل كجزء من رسالة الاستجابة.

• بعد رسالة استجابة الوصول العشوائي لا يرسل “eNodeB” القيمة المطلقة للتوقيت المسبق وسوف ترسل قيمة ستستخدمها تجهيزات المستعمل؛ لضبط قيمة مقدمات التوقيت المخزنة بالفعل.

3- تخصيص موارد الوصلة الصاعدة “UL GRANT”

• ستوفر “eNodeB” المعلومات المطلوبة في رسالة استجابة الوصول العشوائي “RAR” لتستخدم “UE” لإرسال “MSG3” أي طلب توصيل “RRC”.

• “UL Grant” عبارة عن رسالة “20 بت” بها محتويات من “MSB” إلى “LSB”.

• “Hopping Flag” وهذه “1 بت” من المعلومات التي تحكم ما إذا كان التنقل بين التردد ممكّنًا أم لا، وإذا كانت قيمة البت 1 وكان تخصيص فدرة الموارد من النوع 0، ينبغي أن تقوم تجهيزات المستعمل بقفزات تردد “PUSCH”.

ملاحظة:“RAR” هي اختصار لـ “random-access-response” و”MSG” هي اختصار لـ “Message”.

ملاحظة:“MSB” هي اختصار لـ “most-significant-bit” و”LSB” هي اختصار لـ “Least-significant-bit”.