NBIOT系統(tǒng)的初始隨機(jī)接入過程設(shè)計分析

李靜

摘要：近年來，NBIOT系統(tǒng)以其獨(dú)有的技術(shù)特性優(yōu)勢作為4G技術(shù)向窄帶5G技術(shù)后續(xù)演進(jìn)的一個重要應(yīng)用實(shí)踐已成為大家的研究熱點(diǎn)，與該系統(tǒng)相關(guān)的隨機(jī)接入技術(shù)也越來越多地被關(guān)注分析。本文基于NBIOT系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)差異，從已相對成熟的LTE系統(tǒng)的隨機(jī)接入過程分析出發(fā)，分析設(shè)計NBIOT系統(tǒng)隨機(jī)接入過程。

關(guān)鍵詞：LTE；NBIOT

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0245-02

1 引言

初始隨機(jī)接入過程是UE與網(wǎng)絡(luò)側(cè)真正建立聯(lián)系的最關(guān)鍵一步，在小區(qū)搜索過程結(jié)束之后，UE不僅可以獲取與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的時間及頻率同步，同時還獲知了網(wǎng)絡(luò)側(cè)小區(qū)ID信息。但是此時對UE和網(wǎng)絡(luò)側(cè)而言，兩者僅僅是建立了相對簡單的單向通信，即此時UE可以獲取網(wǎng)絡(luò)側(cè)群發(fā)的公共系統(tǒng)信息， UE并不能和網(wǎng)絡(luò)側(cè)建立真正的交互雙向通信，而這正需要通過初始隨機(jī)接入過程實(shí)現(xiàn)完成的功能。

2 NBIOT系統(tǒng)覆蓋等級

為簡化交互控制機(jī)制，NBIOT系統(tǒng)不同于常規(guī)LTE系統(tǒng)，沒有設(shè)計動態(tài)鏈路自適應(yīng)機(jī)制，同時相對LTE系統(tǒng)，NBIOT系統(tǒng)覆蓋范圍要大很多，在整個小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，小區(qū)信號強(qiáng)度及信號質(zhì)量會有很大的差異，因此為了適應(yīng)不同的無線信道條件，NB-IOT系統(tǒng)定義了3個覆蓋增強(qiáng)等級（Coverage Enchancement level，CE level）：CE等級0、CE等級1、CE等級2，分別對應(yīng)可對抗不同MCL的信號衰落，以實(shí)現(xiàn)鏈路的一種半動態(tài)自適應(yīng)。其中，CE等級0對應(yīng)信號較好的正常覆蓋；CE等級1對應(yīng)相對較弱覆蓋；CE等級2對應(yīng)信道條件最差的情況，此時信號覆蓋可能是十分的差。

3 NPRACH信道/Preamble

NBIOT系統(tǒng)上行傳輸主要通過NPRACH信道與NPUSCH信道，其中NPRACH信道主要功能為上行隨機(jī)接入，是Preamble發(fā)送載體。在頻域上，區(qū)別于LTE系統(tǒng)固定使用6個Prb載波，每個NPRACH信道使用跳頻單載波組傳輸，子載波間隔僅僅支持3.75khz；時域上，區(qū)別于LTE系統(tǒng)可支持4/5種不同格式的Preamble序列，NBIOT系統(tǒng)僅支持兩種不同格式的Preamble序列[1] [2]。

NBIOT系統(tǒng)以Preamble為單位在NPRACH信道重復(fù)發(fā)送。每個Preamble占用時間長度為8ms，由4個Symbol Group構(gòu)成，每個symbol Group由5個Symbol的sequence和1個CP組成。其中1個Symbol Group占據(jù)一個載波，不同的Symbol Group之間采用跳頻方式發(fā)送，不同Symbol Group之間的跳頻關(guān)系在相關(guān)協(xié)議中給出了明確的約束。

4 初始隨機(jī)接入過程分析

對于NBIOT系統(tǒng)初始隨機(jī)接入而言，其整個過程包含4個步驟[3] [4]。

4.1 基于NPRACH發(fā)送Preamble

初始隨機(jī)接入過程的第一步就是UE發(fā)送random access preamble。通過發(fā)送Preamble，首先告知網(wǎng)絡(luò)側(cè)有一個UE隨機(jī)接入請求，使網(wǎng)絡(luò)側(cè)做好評估接入可行性準(zhǔn)備，同時使得網(wǎng)絡(luò)側(cè)利用該已知序列估計其與UE之間的傳輸時延，以便網(wǎng)絡(luò)側(cè)校準(zhǔn)uplink timing并將校準(zhǔn)信息通過TA告知UE。

4.1.1 選擇Preamble index

NBIOT系統(tǒng)由于采用固定的preamble序列，因此隨機(jī)接入過程中不包含“選擇preamble index”，而在LTE系統(tǒng)中通過選擇不同preamble group組隱式帶入一定的先驗信息，以便網(wǎng)絡(luò)側(cè)在RAR中給Msg3分配適當(dāng)?shù)纳闲匈Y源的功能，NBIOT系統(tǒng)終端通過評估自己相應(yīng)的覆蓋等級，選擇相應(yīng)的隨機(jī)接入?yún)?shù)發(fā)送preamble，從而使網(wǎng)絡(luò)側(cè)隱式的獲知UE所處的覆蓋等級等交互關(guān)鍵相關(guān)信息。

4.1.2 選擇NPRACH資源

基于SIB2中所攜帶的prach-ConfigIndex、PRACH Mask Index信息timing限制，LTE系統(tǒng)UE會確定包含PRACH資源的可用時頻資源集合，但NBIOT系統(tǒng)在此方面由于覆蓋等級、跳頻以及重復(fù)發(fā)送等機(jī)制顯得相對復(fù)雜，相對LTE系統(tǒng)而言，其受來自SIB2的較多參數(shù)控制。

4.1.3 RA-RNTI確定

與LTE系統(tǒng)一樣preamble的時頻位置決定了RA-RNTI的值（RA-RNTI=1 + t_id+10*f_id），但具體計算細(xì)節(jié)還是存在差異，NBIOT系統(tǒng)對應(yīng)的RA-RNTI=1 + floor（SFN_id/4）+256*carrer_id。

4.1.4 確定目標(biāo)接收功率

NBIOT系統(tǒng)Preamble發(fā)送功率控制機(jī)制類似于LTE系統(tǒng)，但是由于其會存在不同的覆蓋等級，因此會對應(yīng)不同的覆蓋等級選擇不同的初始計算參數(shù)。

4.2 RAR接收

發(fā)送Preamble后，UE便開始在RAR時間窗內(nèi)監(jiān)聽NPDCCH，接收承載于NPDSCH上的RAR，以等待接收來自基站的授權(quán)響應(yīng)，RAR會給響應(yīng)UE帶來后續(xù)傳輸所需要的TA、BI、上行授權(quán)資源、TC-RNTI等信息。如果在此RAR時間窗內(nèi)沒有檢測到RAR對應(yīng)的NPDCCH或者解析的PDSCH中不包含該UE發(fā)送的Preamble，則認(rèn)為此次隨機(jī)接入過程失敗，如果終端隨機(jī)接入嘗試次數(shù)小于最大嘗試次數(shù)（來自SIB2），則重新進(jìn)行一次隨機(jī)接入嘗試，否則認(rèn)為隨機(jī)接入失敗。當(dāng)UE成功地接收到一個RAR，則認(rèn)為成功接收了RAR，此時UE就可以停止監(jiān)聽RAR了。RAR接收控制流程如下圖所示。

4.3 MSG3消息發(fā)送

在初始隨機(jī)接入過程中，MSG3對應(yīng)消息RRC Connection Request ，NBIOT系統(tǒng)中該消息在MSG2中分配的UL Grant資源上發(fā)送，具體承載于NPUSCH信道，對應(yīng)于使用TC-RNTI加擾的DCI0。初始隨機(jī)接入過程中，RRC Connection Request消息會攜帶連接建立原因、UE_ID、DVI等信息給高層，以申請上行資源。MSG3消息發(fā)送控制流程如下圖所示。

4.4 競爭解決

在UE成功發(fā)送了Msg3后，從網(wǎng)絡(luò)側(cè)角度來看，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會監(jiān)聽對應(yīng)的NPUSCH，并基于NPUSCH中的信息與當(dāng)時所處的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行競爭判決，若某UE競爭勝出，則會在對應(yīng)的時刻發(fā)送TC-RNTI加擾的NPDCCH，同時會在NPDSCH中攜帶該勝出UE的身份信息。從網(wǎng)絡(luò)側(cè)角度來看，在UE發(fā)送了Msg3后，UE會啟動一個來自SIB2配置的競爭解決定時器（ContentionResolutionTimer）。在該timer超時或停止之前，UE會一直監(jiān)聽NPDCCH， 若監(jiān)聽到TC-RNTI加擾的NPDCCH，則會進(jìn)一步接收并解析該NPDCCH指示的NPDSCH，若NPDSCH中Contention Resolution Identity MAC Control Element的信息與該UE在MSG3發(fā)送上來的身份信息一致，就知道自己接入成功了。如果ContentionResolutionTimer超時，UE會丟棄TC-RNTI并認(rèn)為沖突解決失敗。競爭解決控制流程如下圖所示。

圖3 競爭解決控制流程

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 36.331 V14.2.2.Radio Resource Control[S].2017，4.

[2] 3GPP TS 36.211 V15.3.0.Physical channels and modulation[S].2018，9.

[3] 3GPP TS 36.214 V14.2.0.Physical layer Measurements[S].2017，3.

[4] 3GPP TS 36.213 V14.2.0.Physical layer procedures[S].2017，3.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】