基于NB—IoT的隨機(jī)接入技術(shù)研究

摘 要：NB-IoT技術(shù)中的UE只有少量上下行數(shù)據(jù)的傳輸，消耗的工作帶寬也更小，現(xiàn)有的隨機(jī)接入過(guò)程不能很好地適用于NB-IoT上。本文首先對(duì)NB-IoT特性進(jìn)行研究，NB-IoT不要求支持連接態(tài)切換功能、定位功能，也不支持PUCCH信道。NB-IoT使用隨機(jī)接入過(guò)程的應(yīng)用場(chǎng)景被簡(jiǎn)化，同時(shí)NB-IoT只支持基于競(jìng)爭(zhēng)的方式，再對(duì)LTE中的隨機(jī)接入過(guò)程進(jìn)行研究。最后在LTE中基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程的基礎(chǔ)上，針對(duì)NB-IoT的特性對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行必要的優(yōu)化，使隨機(jī)接入過(guò)程更適用于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)使效率更高、消耗的功率更低。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；隨機(jī)接入技術(shù)；前導(dǎo)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5；TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2018）01-0176-02

Research of Random Access Technology Based on NB-IoT

ZENG Lili

（Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：In the NB-IoT technology，the UE transmits only a small amount of uplink and downlink data，and consumes less working bandwidth. The existing random access procedure can not be applied to the NB-IoT well. NB-IoT is not required to support the connection state switching function，positioning function，PUCCH channel is not supported，NB-IoT use of random access process scenarios are simplified，while NB-IoT only supports Based on the contention-based approach，the random access procedure in LTE is studied. Based on the contention-based random access procedure in LTE，the necessary optimization for each step is finally performed according to the characteristics of NB-IoT，so that random access The ingress process is more suitable for NB-IoT networks，while making the efficiency even higher and consuming less power.

Keywords：NB-IoT；random access technology；preamble detection

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作在2004年底啟動(dòng)[1]。而隨機(jī)接入技術(shù)[2]是LTE系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，用戶(hù)設(shè)備（UE）只有通過(guò)隨機(jī)接入才能和基站取得上行同步，進(jìn)而進(jìn)行后續(xù)的通信過(guò)程。而在LTE-A[3]的版本中，開(kāi)始專(zhuān)注于諸如智能抄表、水位測(cè)量、自動(dòng)售貨機(jī)庫(kù)存報(bào)告等數(shù)據(jù)通信。這些用戶(hù)設(shè)備被稱(chēng)為MTC UE，由于MTC UE只有少量上下行數(shù)據(jù)的傳輸，為了降低UE的成本和功耗，使得MTC UE的工作帶寬更小，在帶寬更小的情況下，如何去配置隨機(jī)接入過(guò)程變得更加重要。

1 隨機(jī)接入過(guò)程

LTE中隨機(jī)接入過(guò)程有兩種[4]：基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程和基于非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程。LTE中基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程的4個(gè)步驟為：（1）傳輸隨機(jī)接入前導(dǎo)（Msg1）；（2）傳輸隨機(jī)接入響應(yīng)（Msg2）；（3）傳輸MAC子層或RRC子層消息（Msg3）；（4）競(jìng)爭(zhēng)解決（Msg4）。

NB-IoT[5，6]中基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程依然采用這4個(gè)步驟，但是每個(gè)步驟針對(duì)NB-IoT的特性都進(jìn)行了必要的優(yōu)化。

2 基于NB-IoT的隨機(jī)接入技術(shù)

當(dāng)使用3GPP LTE中的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程時(shí)，多個(gè)UE可能同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，因此可能需要分配負(fù)載機(jī)制來(lái)調(diào)度相應(yīng)的Msg3和Msg4的重傳，在LTE中通過(guò)時(shí)分復(fù)用（TDM）方式來(lái)復(fù)用不同的UE。而在NB-IoT中，當(dāng)配置多個(gè)NB-IoT運(yùn)營(yíng)商時(shí)，可以為不同UE配置不同的NB-IoT運(yùn)營(yíng)商。

2.1 傳輸隨機(jī)接入前導(dǎo)

針對(duì)NB-IoT的覆蓋需求，與LTE不同的是，NB-PRACH資源采用按照覆蓋等級(jí)不同的方式進(jìn)行配置。為了讓基站能夠在收到前導(dǎo)碼之后獲知UE當(dāng)前有能力采用Multi-tone方式傳輸Msg3并為了其分配合適資源，在NB-PRACH頻域資源配置中，引入?yún)?shù)nprach_SubcarrierMsg3_RangeStart，通過(guò)計(jì)算公式：

nprach_SubcarrierOffset+（nprach_SubcarrierMsg3_RangeStart×nprach_NumSubcarriers）

可以得到預(yù)留給支持Multi-tone方式傳輸Msg3的UE頻域資源的起始位置。而當(dāng)配置重復(fù)次數(shù)大于等于32的覆蓋等級(jí)時(shí)，不支持Multi-tone方式傳輸Msg3。所以對(duì)于這種參數(shù)配置，其nprach_SubcarrierMsg3_RangeStart是無(wú)效的。

2.2 傳輸隨機(jī)接入響應(yīng)

UE發(fā)送前導(dǎo)碼后，需要在特定的時(shí)間內(nèi)接收RAR，但是在NB-IoT中，UE使用的都是相同的前導(dǎo)碼，因此不需要再對(duì)前導(dǎo)碼進(jìn)行區(qū)分。在LTE中，給出了以下的RA_RNTI計(jì)算公式：

RA_RNTI=1+t_id+10×f_id

其中：t_id為UE發(fā)送的前導(dǎo)碼中第一個(gè)無(wú)線(xiàn)子幀序號(hào)；?_id為發(fā)送的前導(dǎo)碼中最后一個(gè)無(wú)線(xiàn)子幀序號(hào)。而NB-IoT中引入優(yōu)化的RA_RNTI計(jì)算公式：

其中：t_id為UE發(fā)送的前導(dǎo)碼中第一個(gè)無(wú)線(xiàn)子幀序號(hào)；?_id為發(fā)送的前導(dǎo)碼中最后一個(gè)無(wú)線(xiàn)子幀序號(hào)；SFN_id為前導(dǎo)碼發(fā)送起始無(wú)線(xiàn)幀的序號(hào)；WMAX取固定值400，對(duì)應(yīng)增強(qiáng)覆蓋情況下最大的RA響應(yīng)窗長(zhǎng)度。

2.3 傳輸MAC子層或RRC子層消息

如果傳輸隨機(jī)接入響應(yīng)資源被分配，則Msg3資源也可以被分配。每個(gè)前導(dǎo)碼的Msg3傳輸/重傳的起始子幀可以由Msg2中攜帶的UL來(lái)指示?？梢曰贛sg2傳輸中的索引來(lái)確定Msg3的定時(shí)傳輸。例如，可以在Msg2消息的起始位置攜帶間隙，當(dāng)間隙值是g，PDSCH中UL的索引值是i時(shí)，Msg3的定時(shí)傳輸時(shí)間為（g×i）+4。如果網(wǎng)絡(luò)支持多個(gè)NB-IoT運(yùn)營(yíng)商時(shí)，也可以選擇不同的時(shí)間和不同的NB-IoT運(yùn)營(yíng)商，則可以配置多個(gè)Msg2的PDSCH間隙來(lái)確定Msg3的定時(shí)傳輸時(shí)間。

2.4 競(jìng)爭(zhēng)解決

基站收到Msg3后，就要進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)解決，并把Msg4發(fā)送給UE。為了使UE的等待時(shí)間最小化，可以動(dòng)態(tài)地在DCI中指示Msg4傳輸?shù)钠鹗甲訋部梢允褂靡恍╇[式機(jī)制。如果搜索空間擴(kuò)展到時(shí)域，則可以使用控制信道的起始子幀N-PDCCH來(lái)確定Msg4傳輸?shù)钠鹗甲訋?。如果k×r個(gè)子幀內(nèi)可能有k個(gè)候選（其中r是重復(fù)數(shù)），則可以調(diào)度其中N-PDCCH的0到k-1的起始子幀來(lái)確定Msg4傳輸?shù)钠鹗甲訋绻鹖是[0，…，k-1]內(nèi)的N-PDCCH，也可以將Msg4傳輸?shù)钠鹗甲訋x為（R_PDSCH×i）+k，其中k是最后一個(gè)N-PDCCH和第一個(gè)PDSCH重復(fù)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)LTE基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程進(jìn)行研究，并針對(duì)NB-IoT的特性對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行了必要的優(yōu)化。在傳輸隨機(jī)接入前導(dǎo)中，采用按照不同覆蓋等級(jí)進(jìn)行配置的方式；在傳輸隨機(jī)接入響應(yīng)中，由于不需要再對(duì)前導(dǎo)碼進(jìn)行區(qū)分，引入優(yōu)化的RA_RNTI計(jì)算公式對(duì)傳輸進(jìn)行優(yōu)化；在傳輸MAC子層或RRC子層消息中，通過(guò)在Msg2消息的起始位置攜帶間隙，來(lái)確定Msg3的定時(shí)傳輸時(shí)間；在競(jìng)爭(zhēng)解決中，通過(guò)動(dòng)態(tài)地在DCI中指示Msg4傳輸?shù)钠鹗甲訋?，從而使UE的等待時(shí)間最小化。

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作者簡(jiǎn)介：曾麗麗（1993-），女，漢族，安徽合肥人，碩士研究生。研究方向：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。