NBIOT系统的初始随机接入过程设计分析

李静

摘要：近年来，NBIOT系统以其独有的技术特性优势作为4G技术向窄带5G技术后续演进的一个重要应用实践已成为大家的研究热点，与该系统相关的随机接入技术也越来越多地被关注分析。本文基于NBIOT系统与LTE系统差异，从已相对成熟的LTE系统的随机接入过程分析出发，分析设计NBIOT系统随机接入过程。

关键词：LTE；NBIOT

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0245-02

1 引言

初始随机接入过程是UE与网络侧真正建立联系的最关键一步，在小区搜索过程结束之后，UE不仅可以获取与网络侧的时间及频率同步，同时还获知了网络侧小区ID信息。但是此时对UE和网络侧而言，两者仅仅是建立了相对简单的单向通信，即此时UE可以获取网络侧群发的公共系统信息， UE并不能和网络侧建立真正的交互双向通信，而这正需要通过初始随机接入过程实现完成的功能。

2 NBIOT系统覆盖等级

为简化交互控制机制，NBIOT系统不同于常规LTE系统，没有设计动态链路自适应机制，同时相对LTE系统，NBIOT系统覆盖范围要大很多，在整个小区覆盖范围内，小区信号强度及信号质量会有很大的差异，因此为了适应不同的无线信道条件，NB-IOT系统定义了3个覆盖增强等级（Coverage Enchancement level，CE level）：CE等级0、CE等级1、CE等级2，分别对应可对抗不同MCL的信号衰落，以实现链路的一种半动态自适应。其中，CE等级0对应信号较好的正常覆盖；CE等级1对应相对较弱覆盖；CE等级2对应信道条件最差的情况，此时信号覆盖可能是十分的差。

3 NPRACH信道/Preamble

NBIOT系统上行传输主要通过NPRACH信道与NPUSCH信道，其中NPRACH信道主要功能为上行随机接入，是Preamble发送载体。在频域上，区别于LTE系统固定使用6个Prb载波，每个NPRACH信道使用跳频单载波组传输，子载波间隔仅仅支持3.75khz；时域上，区别于LTE系统可支持4/5种不同格式的Preamble序列，NBIOT系统仅支持两种不同格式的Preamble序列[1] [2]。

NBIOT系统以Preamble为单位在NPRACH信道重复发送。每个Preamble占用时间长度为8ms，由4个Symbol Group构成，每个symbol Group由5个Symbol的sequence和1个CP组成。其中1个Symbol Group占据一个载波，不同的Symbol Group之间采用跳频方式发送，不同Symbol Group之间的跳频关系在相关协议中给出了明确的约束。

4 初始随机接入过程分析

对于NBIOT系统初始随机接入而言，其整个过程包含4个步骤[3] [4]。

4.1 基于NPRACH发送Preamble

初始随机接入过程的第一步就是UE发送random access preamble。通过发送Preamble，首先告知网络侧有一个UE随机接入请求，使网络侧做好评估接入可行性准备，同时使得网络侧利用该已知序列估计其与UE之间的传输时延，以便网络侧校准uplink timing并将校准信息通过TA告知UE。

4.1.1 选择Preamble index

NBIOT系统由于采用固定的preamble序列，因此随机接入过程中不包含“选择preamble index”，而在LTE系统中通过选择不同preamble group组隐式带入一定的先验信息，以便网络侧在RAR中给Msg3分配适当的上行资源的功能，NBIOT系统终端通过评估自己相应的覆盖等级，选择相应的随机接入参数发送preamble，从而使网络侧隐式的获知UE所处的覆盖等级等交互关键相关信息。

4.1.2 选择NPRACH资源

基于SIB2中所携带的prach-ConfigIndex、PRACH Mask Index信息timing限制，LTE系统UE会确定包含PRACH资源的可用时频资源集合，但NBIOT系统在此方面由于覆盖等级、跳频以及重复发送等机制显得相对复杂，相对LTE系统而言，其受来自SIB2的较多参数控制。

4.1.3 RA-RNTI确定

与LTE系统一样preamble的时频位置决定了RA-RNTI的值（RA-RNTI=1 + t_id+10*f_id），但具体计算细节还是存在差异，NBIOT系统对应的RA-RNTI=1 + floor（SFN_id/4）+256*carrer_id。

4.1.4 确定目标接收功率

NBIOT系统Preamble发送功率控制机制类似于LTE系统，但是由于其会存在不同的覆盖等级，因此会对应不同的覆盖等级选择不同的初始计算参数。

4.2 RAR接收

发送Preamble后，UE便开始在RAR时间窗内监听NPDCCH，接收承载于NPDSCH上的RAR，以等待接收来自基站的授权响应，RAR会给响应UE带来后续传输所需要的TA、BI、上行授权资源、TC-RNTI等信息。如果在此RAR时间窗内没有检测到RAR对应的NPDCCH或者解析的PDSCH中不包含该UE发送的Preamble，则认为此次随机接入过程失败，如果终端随机接入尝试次数小于最大尝试次数（来自SIB2），则重新进行一次随机接入尝试，否则认为随机接入失败。当UE成功地接收到一个RAR，则认为成功接收了RAR，此时UE就可以停止监听RAR了。RAR接收控制流程如下图所示。

4.3 MSG3消息发送

在初始随机接入过程中，MSG3对应消息RRC Connection Request ，NBIOT系统中该消息在MSG2中分配的UL Grant资源上发送，具体承载于NPUSCH信道，對应于使用TC-RNTI加扰的DCI0。初始随机接入过程中，RRC Connection Request消息会携带连接建立原因、UE_ID、DVI等信息给高层，以申请上行资源。MSG3消息发送控制流程如下图所示。

4.4 竞争解决

在UE成功发送了Msg3后，从网络侧角度来看，网络侧会监听对应的NPUSCH，并基于NPUSCH中的信息与当时所处的网络状态进行竞争判决，若某UE竞争胜出，则会在对应的时刻发送TC-RNTI加扰的NPDCCH，同时会在NPDSCH中携带该胜出UE的身份信息。从网络侧角度来看，在UE发送了Msg3后，UE会启动一个来自SIB2配置的竞争解决定时器（ContentionResolutionTimer）。在该timer超时或停止之前，UE会一直监听NPDCCH， 若监听到TC-RNTI加扰的NPDCCH，则会进一步接收并解析该NPDCCH指示的NPDSCH，若NPDSCH中Contention Resolution Identity MAC Control Element的信息与该UE在MSG3发送上来的身份信息一致，就知道自己接入成功了。如果ContentionResolutionTimer超时，UE会丢弃TC-RNTI并认为冲突解决失败。竞争解决控制流程如下图所示。

图3 竞争解决控制流程

参考文献：

[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.

【通联编辑：李雅琪】