基于NB—IoT的隨機接入技術研究

摘 要：NB-IoT技術中的UE只有少量上下行數據的傳輸，消耗的工作帶寬也更小，現有的隨機接入過程不能很好地適用于NB-IoT上。本文首先對NB-IoT特性進行研究，NB-IoT不要求支持連接態切換功能、定位功能，也不支持PUCCH信道。NB-IoT使用隨機接入過程的應用場景被簡化，同時NB-IoT只支持基于競爭的方式，再對LTE中的隨機接入過程進行研究。最后在LTE中基于競爭的隨機接入過程的基礎上，針對NB-IoT的特性對每個步驟進行必要的優化，使隨機接入過程更適用于NB-IoT網絡，同時使效率更高、消耗的功率更低。

關鍵詞：NB-IoT；隨機接入技術；前導檢測

中圖分類號：TN929.5；TP391.44 文獻標識碼：A文章編號：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

隨著物聯網的興起和無線通信技術的發展，第三代合作伙伴計劃（3GPP）長期演進（LTE）技術的標準化工作在2004年底啟動[1]。而隨機接入技術[2]是LTE系統中的一項關鍵技術，用戶設備（UE）只有通過隨機接入才能和基站取得上行同步，進而進行后續的通信過程。而在LTE-A[3]的版本中，開始專注于諸如智能抄表、水位測量、自動售貨機庫存報告等數據通信。這些用戶設備被稱為MTC UE，由于MTC UE只有少量上下行數據的傳輸，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，如何去配置隨機接入過程變得更加重要。

1 隨機接入過程

LTE中隨機接入過程有兩種[4]：基于競爭的隨機接入過程和基于非競爭的隨機接入過程。LTE中基于競爭的隨機接入過程的4個步驟為：（1）傳輸隨機接入前導（Msg1）；（2）傳輸隨機接入響應（Msg2）；（3）傳輸MAC子層或RRC子層消息（Msg3）；（4）競爭解決（Msg4）。

NB-IoT[5，6]中基于競爭的隨機接入過程依然采用這4個步驟，但是每個步驟針對NB-IoT的特性都進行了必要的優化。

2 基于NB-IoT的隨機接入技術

當使用3GPP LTE中的基于競爭的隨機接入過程時，多個UE可能同時接入網絡，因此可能需要分配負載機制來調度相應的Msg3和Msg4的重傳，在LTE中通過時分復用（TDM）方式來復用不同的UE。而在NB-IoT中，當配置多個NB-IoT運營商時，可以為不同UE配置不同的NB-IoT運營商。

2.1 傳輸隨機接入前導

針對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不同的方式進行配置。為了讓基站能夠在收到前導碼之后獲知UE當前有能力采用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，引入參數nprach_SubcarrierMsg3_RangeStart，通過計算公式：

nprach_SubcarrierOffset+（nprach_SubcarrierMsg3_RangeStart×nprach_NumSubcarriers）

可以得到預留給支持Multi-tone方式傳輸Msg3的UE頻域資源的起始位置。而當配置重復次數大于等于32的覆蓋等級時，不支持Multi-tone方式傳輸Msg3。所以對于這種參數配置，其nprach_SubcarrierMsg3_RangeStart是無效的。

2.2 傳輸隨機接入響應

UE發送前導碼后，需要在特定的時間內接收RAR，但是在NB-IoT中，UE使用的都是相同的前導碼，因此不需要再對前導碼進行區分。在LTE中，給出了以下的RA_RNTI計算公式：

RA_RNTI=1+t_id+10×f_id

其中：t_id為UE發送的前導碼中第一個無線子幀序號；?_id為發送的前導碼中最后一個無線子幀序號。而NB-IoT中引入優化的RA_RNTI計算公式：

其中：t_id為UE發送的前導碼中第一個無線子幀序號；?_id為發送的前導碼中最后一個無線子幀序號；SFN_id為前導碼發送起始無線幀的序號；WMAX取固定值400，對應增強覆蓋情況下最大的RA響應窗長度。

2.3 傳輸MAC子層或RRC子層消息

如果傳輸隨機接入響應資源被分配，則Msg3資源也可以被分配。每個前導碼的Msg3傳輸/重傳的起始子幀可以由Msg2中攜帶的UL來指示。可以基于Msg2傳輸中的索引來確定Msg3的定時傳輸。例如，可以在Msg2消息的起始位置攜帶間隙，當間隙值是g，PDSCH中UL的索引值是i時，Msg3的定時傳輸時間為（g×i）+4。如果網絡支持多個NB-IoT運營商時，也可以選擇不同的時間和不同的NB-IoT運營商，則可以配置多個Msg2的PDSCH間隙來確定Msg3的定時傳輸時間。

2.4 競爭解決

基站收到Msg3后，就要進行競爭解決，并把Msg4發送給UE。為了使UE的等待時間最小化，可以動態地在DCI中指示Msg4傳輸的起始子幀，也可以使用一些隱式機制。如果搜索空間擴展到時域，則可以使用控制信道的起始子幀N-PDCCH來確定Msg4傳輸的起始子幀。如果k×r個子幀內可能有k個候選（其中r是重復數），則可以調度其中N-PDCCH的0到k-1的起始子幀來確定Msg4傳輸的起始子幀，如果i是[0，…，k-1]內的N-PDCCH，也可以將Msg4傳輸的起始子幀定義為（R_PDSCH×i）+k，其中k是最后一個N-PDCCH和第一個PDSCH重復。

3 結 論

本文對LTE基于競爭的隨機接入過程進行研究，并針對NB-IoT的特性對每個步驟進行了必要的優化。在傳輸隨機接入前導中，采用按照不同覆蓋等級進行配置的方式；在傳輸隨機接入響應中，由于不需要再對前導碼進行區分，引入優化的RA_RNTI計算公式對傳輸進行優化；在傳輸MAC子層或RRC子層消息中，通過在Msg2消息的起始位置攜帶間隙，來確定Msg3的定時傳輸時間；在競爭解決中，通過動態地在DCI中指示Msg4傳輸的起始子幀，從而使UE的等待時間最小化。

參考文獻：

[1] 徐景，胡宏林，周婷.3GPP LTE標準化進展 [J].中興通訊技術，2007，13（2）：9-12.

[2] 黃俊偉，王宏偉.LTE終端隨機接入過程的研究與實現 [J].數字通信，2013，40（2）：43-46+58.

[3] 張涵嫣，孫貴芳，皮定杰.LTE-A系統隨機接入過程的實現 [J].無線電通信技術，2016，42（3）：98-101.

[4] 趙先明，朱伏生，朱曉榮.TD-LTE隨機接入過程研究 [J].南京郵電大學學報（自然科學版），2013，33（5）：15-20.

[5] 劉錕，戴博，楊維維.NB-IoT系統物理隨機接入信道設計 [J].中興通訊技術，2017，23（1）：6-9+20.

[6] 蒙文川.NB-IoT物理層設計研究 [J].通信技術，2017，50（12）：2745-2749.

作者簡介：曾麗麗（1993-），女，漢族，安徽合肥人，碩士研究生。研究方向：物聯網數據傳輸。