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NB-IoT随机接入流程

  • 在Rel-13版本中,NB-IOT系统不支持切换和载波聚合,也不支持UE上报测量的定位, NB-IOT系统中需要使用随机接入过l程的场景
  • Rel-13版本中,全部采用基于竞争的随机接入方式

NB-IOT的基于竞争的随机接入流程与传统LTE流程一致,包含4步

基于竞争的随机接入Type1-MSG1

Msg1,是UE选择发送preamble码字的NPRACH时频资源,确定发射功率,
向eNB发送preamble码字。
在LTE系统的Msg1过程中,终端需要选择Preamble码字,并选择PRACH时频
物理来发送Preamble码。而在NB-IOT系统中,NPRACH仅通过时频资源进行
区分,不再支持码分。NB-IOT的NPRACH采用3.75K的子载波间隔,为single-
tone模式,并默认跳频。

NPRACH参数:

NPRACH资源选择:

在NB-IOT中,NPRACH配置相应的repetitions。NPRACH的repetitions支持{1, 2, 4, 8,16, 32,64, 128},eNB最多可以配置其中3个Repetition times,用来支持最多3种CELs(CEL编号为0、1、2,CEL0为最近的覆盖等级)。即NPRACH的时频资源是与CEL相关的。不同CEL的RSRP门限通过广播下发,终端根据RSRP门限来确定自己的CEL,从而选择相应的NPRACH资源发起随机接入。
NB-IOT系统的上行支持single-tone和multi-tone两种方式(即单频点和多频点),两种方
式的NPRACH资源不同,因此终端还需根据其是否支持multi-tone选择相应的NPRACH资源来发起随机接入。换言之,PRACH资源的选择结果就能反映该终端是否支持multi-tone。

RAR响应窗口:

. Preamble重复的最后子帧在加3子帧开始
. 随机接入响应窗口单位是PDCCH周期

RAR超时处理:
终端发送Msg1后没有收到自己的RAR响应消息,会再次在该CEL上发起随机接入。在该
CEL上发起的随机接入次数达到一定值后,终端将尝试在高一级CEL上发起随机接入。在
各个CEL上尝试的次数总数有门限控制。也就是说,同一CEL上发起的随机接入次数有以
上限,所有CELs上总的随机接入次数有一上限。
如果没有收到RAR或者该RAR与自己的NPRACH不相符,则重新发起的NPRACH与RAR结束之间的定时间隔应不小于12ms;
CRT超时处理:
如果Msg4的竞争解决失败,那么在该CEL上再次发起随机接入,在该CEL上可以尝试的最大随机接入次数为所有CELs总的随机接入次门限。如果UE位于CEL0,该CEL上的随机接入次数计数用于NPRACH的power ramping计算。

基于竞争的随机接入Type1-MSG2

eNB在收到Msg1后在特定的时间窗内发送RAR(Msg2)。发送窗大小与覆盖相
关,由SIB指示,大小为{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10}*PDCCH搜索空间周期的倍数,但最
大不能超过10.24s。发送窗的起始位置定义如下:
• PRACH结束后不需要插入UL GAP时,PRACH结束子帧与发送窗起始子帧之间应间隔3ms;
• 如果NPRACH传输完成后正好需要插入一个UP GAP,那么应该在UL GAP结束之后开始RAR窗。
NB-IOT的Msg2支持基于NPDCCH调度的RAR传输,NPDCCH由RA-RNTI加扰,在
type2 CSS中下发。在Msg2的调度DCI中指示Msg2的repetitions times。

Msg2的RAR内容包含:TA调整量,Temp C-RNTI,Msg3的UL grant(包括传输
initial Msg3的PUSCH的repetitions times)。
Msg2的RAR对应的RA-RNTI计算为:RA-RNTI=1+floor(SFN/4)(SFN是NPRACH
起始子帧所在的无线帧号)。MAC PDU中的RAPID指示NPRACH频域subcarrier
ID信息。一个Msg2中可以包含多个时间相同而频域不同的NPRACH的RAR相应结果,以提高接入能力。

Msg2的UL GRANT内容包含:
•上行子载波间隔:3.75KHz or 15KHz
•上行频域信息:同DCI N0中的UL grant
•MCS/TBS:TBS=88bit,用3 bit来表示MCS
– 000:pi/2 BPSK for ST and QPSK for MT, N_RU=4
– 001:pi/4 QPSK for ST and QPSK for MT, N_RU=3
– 010:pi/4 QPSK for ST and QPSK for MT, N_RU=1
– Others are reserved
•调度时延:k 0 取值范围为{12, 16, 32, 64}
•Msg3的重复次数:取值范围同DCI N0中的repetition number

基于竞争的随机接入Type1-MSG3

Msg3中携带CCCH信令和DVI/PHR,Msg3承载的PUSCH的扰码由Temp C-RNTI生
成。Msg3中携带CCCH根据场景不同而不同:
•初始接入:RRCConnectionRequest
•RRC重建:RRCConnectionReestablishmentRequest
•RRC恢复:RRCConnectionResumeRequest

Msg3资源:

终端收到Msg2后,在Msg2授权的NPUSCH资源上发送Msg3。Msg2消息传
输结束到Msg3消息传输开始的时间间隔需要>=12ms。NB-IOT的Msg3是可以支
持multi-tone或者single-tone传输的,UE通过选择的NPRACH Resource隐含指示
其是否支持multi-tone。但当NPRACH的重复次数为{32, 64, 128}时,Msg3不支
持multi-tone。
指示Msg3重传的NPDCCH的搜索空间与Msg2对应的NPDCCH的搜索空间相
同,即指示Msg3首次传输资源和Msg3重传资源的NPDCCH的搜索空间相同。
传输initial Msg3的PUSCH的repetitions times在MAC RAR(Msg2)的UL grant中指
示。Msg3重传的repetitions times在对应的NPDCCH DCI中指示。

Msg3内容:

不论是CP模式还是UP模式,Msg3的大小都是88bit。
Msg3会用4bit来上报Data volume(DVI,含义类似BSR),用于后续上行调度的
资源计算。Data volume包括用户数据(含SMS)、通过用户面或者控制面传输
的NAS信令。Msg3中还会用2bit来上报PHR。
Msg3可以包含RRC消息和MAC CE;在NB-IoT中msg3中的DVI/PHR(简称为DPR)
是MAC CE,但没有独立的LCID,msg3中的DPR和CCCH公共一个UL SCH LCID
(00000)。
Msg3重传的PDCCH使用Temp C-RNTI加扰,在Type2 CSS中下发。

基于竞争的随机接入Type1-MSG4

Msg4中包含CCCH信令和竞争解决MAC CE(UE Contention Resolution Identity
MAC Control Element)。Msg4包含的CCCH信令根据场景不同而不同:
•初始接入:RRCConnection
•RRC重建:RRCConnectionReestablishment
•RRC恢复:RRCConnectionResume

Msg4对应的NPDCCH 的搜索空间与Msg2对应的NPDCCH的搜索空间相同,都是
CSS搜索空间,其由Temp C-RNTI加扰。Msg4的调度 DCI中指示Msg4的
repetitions times。
Msg4中携带竞争解决ID(竞争解决ID为Msg3中CCCH SDU的前48 first)。UE在
发送Msg3之后即启动竞争解决定时器。竞争解决定时器大小由SIB指示,大小
为{1, 2, 3, 4, 8, 16, 32, 64}*PDCCH搜索空间周期,但最大不能超过10.24s。
如果竞争解决定时器超时,或者Msg4中的竞争解决ID不是自己的,那么竞争
解决失败。如果竞争解决成功,那么Temp C-RNTI成为C-RNTI。

基于竞争的随机接入Type2

基于竞争的随机接入过程,包括上行数据到达和PDCCH order触发的随机接入:
• 上行数据到达:随机接入过程由UE的MAC层发起。UE有上行业务需求而没有上行资源
时,通过带C-RINTI的随机接入过程来申请上行资源(Rel-13的NB-IOT系统不支持SR上
报)。
• PDCCH order触发:下行数据达到而上行失步时的随机接入过程,由eNB下发的PDCCH order发起。PDCCH order在UE的USS空间中下发。PDCCH order的DCI中指示了UE初始发起随机接入的覆盖等级、UE使用的subcarrier ID.

基于竞争的随机接入Type2-MSG0

Msg0仅针对PDCCH order发起的随机接入过程。eNB下发PDCCH order,可以指
示UE使用的NPRACH subcarrier ID,同时指示UE从PDCCH order指示的覆盖等级
开始发起随机接入。如果PDCCH order指示的subcarrier ID=0,即表示由UE随机
选择NPRACH子载波。

基于竞争的随机接入Type2-MSG1

对于上行数据达到的随机接入过程,UE的处理同Type类型的随机接入。
对于PDCCH order触发的随机接入过程,如果PDCCH order指示的subcarrier ID=0,则UE从
PDCCH order指定的覆盖等级开始,按照Type1的方式选择PRACH资源发送preamble码字;
如果PDCCH order指示的subcarrier ID不为0,则UE从PDCCH order指定的覆盖等级开始,
在所在覆盖等级上根据nprach-SubcarrierOffset + (ra-PreambleIndex modulo nprach-
NumSubcarriers)确定NPRACH的子载波来发送preamble码字,其中,nprach-
SubcarrierOffset为所在覆盖等级的NPRACH资源起始子载波,ra-PreambleIndex为PDCCH
order指示的subcarrier ID,nprach-NumSubcarriers为所在覆盖等级的NPRACH子载波个数。
PDCCH order触发的随机接入过程中,Msg1开始与Msg0结束之间的定时间隔应不小于
8ms。

基于竞争的随机接入Type2-MSG2

Type2类型的随机接入MSG2与Type1类型相同

基于竞争的随机接入Type2-MSG3

UE在Msg3中携带含已经分配的C-RNTI的MAC CE,剩余资源可用于上行数据传输、上报
shortBSR(如果有BSR)。Msg3重传的PDCCH使用Temp C-RNTI加扰,在Type2 CSS中下发。

基于竞争的随机接入Type2-竞争解决

Msg3之后即可用于正常的数据调度。其PDCCH用Msg3中的C-RNTI加扰,在Type2 CSS空间中下发,可调度上行(上行数据到达)或者调度下行(PDCCH order触发)。UE收到C-
RNTI加扰的PDCCH,即认为竞争解决,此后继续使用C-RNTI,丢弃Msg2中分配的Temp C-RNTI。
竞争解决后,转入USS空间下发PDCCH。