0 引言

    隨著物聯網通信技術的快速發展，催生了低功耗廣域(Low Power Wide Area，LPWA)技術的興起。LPWA技術主要面向低功耗、廣覆蓋、遠距離、低帶寬的物聯網業務，其種類繁多，其中具有代表性的技術主要包括基于非授權頻譜的LoRa(Long Rang，LoRa)、Sigfox和基于授權頻譜的窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)^[1-3]。

    NB-IoT是3GPP(3rd Generation Partnership Project，3GPP)為支持超低復雜性和低吞吐量物聯網所引入蜂窩系統的一種LPWA蜂窩解決方案，其具有低成本、低功耗、大連接、廣覆蓋等優點^[4-8]。NB-IoT作為蜂窩系統中的一種新興的無線接入技術，為了滿足時延不敏感、無最低速率要求、傳輸間隔大和傳輸頻率低的業務需求，其在LTE的基礎上對協議棧的各子層以及各子層的關鍵技術過程均進行了相應的簡化，而其中用于實現用戶設備(User Equipment，UE)初始接入網絡和上行同步的隨機接入過程也包含在內^[9-10]。在NB-IoT系統中，使用隨機接入的目的與LTE類似，同樣是當UE建立無線鏈路時用于實現初始接入和上行同步。然而，由于NB-IoT這一技術所面向的業務需求，以至于隨機接入過程的發起頻率是非常低的。因此，為NB-IoT設計一個支持其業務需要的接入過程方案是非常有必要的。

1 隨機接入過程的應用場景

    在NB-IoT中，與LTE類似，UE同樣是在空閑模式和連接模式下進行隨機接入過程，但是NB-IoT在R13(Release 13)中僅支持基于競爭的隨機接入以及在下行數據到達情況下由PDCCH order觸發的隨機接入^[11]。除此之外，它還不支持PUCCH信道以及切換功能，因此在NB-IoT系統中觸發隨機接入的相關應用場景也被簡化成如下4種^[12-13]：(1)無線資源控制(Radio Resource Control，RRC)空閑狀態下的初始接入過程；(2)RRC連接重建過程；(3)RRC連接狀態下，接收下行數據時(上行失步)；(4)RRC連接狀態下，發送上行數據時(上行失步或者觸發調度請求時)。

    在上述應用場景中，僅只有第1種場景是在空閑模式下進行隨機接入過程，余下的3種場景都是在連接模式下進行隨機接入過程，并且4種場景觸發的隨機接入都是基于競爭的方式。

2 隨機接入過程的四個步驟

    NB-IoT中基于競爭的隨機接入過程與LTE類似，其仍由4個步驟組成^[14-15]：(1)UE發送隨機接入前導(消息1)；(2)UE接收網絡端發送的隨機接入響應(消息2)；(3)UE發送Msg3(消息3)；(4)競爭解決(消息4)。但是為了支持NB-IoT的特性，隨機接入的每個步驟都進行相應的優化，下面將針對NB-IoT優化的隨機接入過程的每個步驟進行詳細的分析。

2.1 隨機接入PRACH資源和前導的選擇與發送

    在NB-IoT系統中，UE發送隨機接入前導之前需先確定PRACH資源。而PRACH資源的選擇可分為兩種：一種是由基站(eNB)明確指示的PRACH資源；另一種是由UE所選擇的PRACH資源。而由UE選擇的PRACH資源不同于LTE，NB-IoT UE是根據其相應的覆蓋等級而進行PRACH資源的選擇，其中NB-IoT一共定義了3個覆蓋等級，分別為level 0、level 1、level 2，并且每個覆蓋等級配有相對應的PRACH資源配置參數，其中配置參數通過系統信息塊中的SIB2-NB下發給UE，并提供在nprach-ParametersList中，主要包括[16]：PRACH重復次數(由參數numRepetitionsPerPreambleAttempt確定)、PRACH時域資源(包含周期：nprach-Periodicity、起始子幀位置：nprach-StartTime等參數)和PRACH頻域資源(包含子載波偏置量：nprach-SubcarrierOffset、子載波個數：nprach-NumSubcarriers等參數)以及用于前導(preamble)重復傳輸的兩個參數，即：發送preamble的最大次數(maxNumPreambleAttemptCE)、每個preamble的最大嘗試次數(numRepetitionsPerPreamblePreambleAttempt)，同時UE所處覆蓋等級是基于下行鏈路測量(例如：參考信號接收功率(RSRP))以及其門限參數而進行判決的。

    確定PRACH資源之后，進行隨機接入前導的選擇，而前導的選擇與確定PRACH資源一樣，同樣也可分為eNB明確指示和UE選擇。eNB明確指示的前導與LTE不同，由于NB-IoT目前在R13中不支持非競爭模式的隨機接入，因此只有在上述提到的場景3的情況下由PDCCH order觸發隨機接入才會明確指示前導。如果前導是由eNB所指示的，則UE根據PDCCH order中攜帶基站所指定的子載波序號(ra-PreambleIndex)以及當前覆蓋等級的基站指定的PRACH資源來設定前導。即前導被設為nprach-SubcarrierOffset+(ra-PreambleIndex modulo nprach-NumSubcarriers)，其中nprach-SubcarrierOffset和nprach-NumSubcarriers是當前覆蓋等級的基站指定的PRACH資源的參數。而由UE選擇的前導也不同于LTE，在NB-IoT中的隨機接入前導序列將沒有組A和組B之分，并且不需要Zadoff-Chu序列來生成，而是由5個符號組成，并且含有4個由5個符號所組成的Symbol Groups，同時全部符號組的序列都采用默認全1的方式進行配置，因此選擇的preamble時先選擇符號組，然后在符號組中選擇preamble，并且選擇的preamble都將是為1的序列符號。隨機接入資源選擇的具體流程如圖1所示。

    圖1所示的隨機接入PRACH資源和前導的選擇流程不同于LTE，圖中所示的Multi-tone是一種在隨機過程中的傳輸Msg3(消息3)的一種傳輸方式，在NB-IoT的上行中，它可分為兩種傳輸方式，即：Single-tone和Multi-tone。不過，在早期NB-IoT現場試驗和部署中，一些UE實現可能不支持Multi-tone，但是在調度上行鏈路傳輸之前，eNB應該知道NB-IoT UE是否支持Multi-tone傳輸方式。因此，UE應在隨機接入消息1中通過發送preamble所占用的子載波索引來通知eNB指示其對Multi-tone的支持，以便于促進在Msg3中網絡對上行鏈路傳輸的調度。為此，在PRACH資源的頻域資源中引入了參數：nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart，其參數取值為0、1/3、2/3、1，并通過公式：nprach-Subcarrier-Offset+(nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart·nprachNum-Subcarriers)所計算的結果可以將頻域中的NPRACH子載波劃分為兩個非重疊集合，UE可以選擇兩個集合中的一個集合來發送其隨機接入前導碼。但是，在R13 NB-IoT中，UE通常總是采用Single-tone方式來傳輸preamble，也就算說nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart參數的取值總是為1，表示在傳輸Msg3時不支持Multi-tone。

    NB-IoT UE選擇PRACH資源和前導后，需進行目標前導傳輸功率(PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER)的設置，而其設置也不同于LTE。首先基于LTE計算目標前導傳輸功率的公式得出LET的目標前導傳輸功率的值，對于NB-IoT UE而言，在該公式中DELTA_PREAMBLE的取值為0；然后根據UE的覆蓋等級的不同而進行設置，當覆蓋等級為0時，目標前導傳輸功率設置為：PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER-10*log10(numRepetitionPerPreambleAtte-mpt)，而當覆蓋等級為1和2時，PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER設置為相應的最大UE輸出功率。當設置完PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER后，則使用所選覆蓋等級相應的已選PRACH資源、相應的RA-RATI、前導索引或NB-IoT子載波索引以及PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER去發送具有與所選前導組相應的前導傳輸所需的重復次數的前導。

2.2 隨機接入響應

    同樣，在NB-IoT中，一旦隨機接入前導發送出去，則不管測量間隙是否可能發生，UE中的媒體接入控制(Media Access Control，MAC)實體都將會在開啟用于接收隨機接入響應(Random Access Response，RAR)的RAR窗口中監視用于由式(1)定義的隨機接入無線網絡臨時標識符(RA-RNTI)標識的RAR的PDCCH。由于NB-IoT中的特定上行鏈路傳輸方案，為了支持重復傳輸特性，其RAR窗口開啟的位置將不同于LTE，則它與NPRACH重復次數有關，其分為兩種情況：

    (1)當NPRACH重復次數大于或等于64時，RAR窗口應在最后一個preamble重復傳輸的結束位置加上41個子幀開啟，如圖2所示。

    (2)當NPRACH重復次數小于64時，此時的RAR窗口應在最后一個preamble重復傳輸的結束位置加上4個子幀開啟，如圖3所示。

    在NB-IoT中，對圖2、圖3中的RAR窗口長度也進行了擴展，它并沒有采用LTE中的10 ms的RAR窗口，而是使用PDCCH周期(PDCCH period，PP)作為RAR窗口的長度單位，其取值不變，同樣RAR窗口最小定義為2(本文將窗口設為2個PP)，最大為10。同時新定義了RA-RNTI，其公式定義如下：

式中，SFN_id是指定的PRACH的第一個無線幀的索引，其也與preamble發送的第一個無線幀的索引相對應。NB-IoT中，隨機接入響應所接收到的MAC PDU的組成參數與LTE一樣，但是需要指出的是，NB-IoT UE為了滿足其業務需要，對PDU的組成參數中的退避標識(BI)所對應的退避參數值進行了大幅度的增加，其參數值最大值為524 288 ms，即用于重復傳輸preamble的延遲時間。同時由于UE使用都是相同的preamble，并且隨機接入前導組的每個子載波對應一個隨機接入前導，因此用于判斷隨機接入是否成功的隨機接入前導標識(RAPID)只需對應于前導開始子載波索引，當RAPID與開始子載波索引相一致時，則認為隨機接入響應接收成功，并停止監視PDCCH。隨機接入響應的接收流程如圖4所示。

    如圖4中所示，當收到的RAPID與其發送的不一致或者在RAR窗口內沒有收到RAR時，則UE將進行preamble重復傳輸，但是在NB-IoT中，由于UE具有3個覆蓋等級，因此對每個覆蓋等級相對應的preamble重復傳輸計數器引入了一個新的參數，即：PREAMBLE_TRANSMISSIN_COUNTER_CE，并且該計數器在較低的覆蓋等級達到其允許發送preamble的最大次數之后，UE仍沒有接收到RAR或接收到的RAPID與發送的不一致時，UE將會跳到下一個更高的覆蓋等級，則根據當前覆蓋等級的允許發送preamble的最大次數對其相應的計數器進行判斷。如果當前覆蓋等級是最高覆蓋等級，則停留在當前覆蓋等級，并從PRACH資源重新嘗試前導碼傳輸。同時LTE中用于計數的參數PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER將作為一個總的計數器，用于判斷NB-IoT中的隨機接入過程是否成功，當其達到最大值時，NB-IoT UE直接認為隨機接入未成功完成。

2.3 消息3的發送

    在NB-IoT中，Msg3同樣用于RRC連接建立請求，但為了減少UE與eNB在空閑狀態和連接狀態之間切換的信令開銷，則新增了Suspend-Resume過程以及一個新的RRC狀態^[17]，即RRC-SUSPENDED。當UE在RRC-SUSPENDED狀態進行數據傳輸時，需通過隨機接入過程中的Msg3攜帶用于進入連接狀態的Resume ID發送給eNB。因此在NB-IoT中的Msg3需要有足夠的空間大小來容納長度為40 bit的Resume ID，則將Msg3的傳輸塊大小擴展至88 bit。同時，由于NB-IoT中新增加了用來傳輸少量數據的控制平面優化方案，而在此優化方案中，隨機接入競爭解決之后UE可直接在消息5上傳輸業務數據，因此新增加了一個數據量和功率余量報告，通過在Msg3中以MAC控制元素的形式上報給eNB，以便eNB能夠合理地分配資源給UE。

2.4 競爭解決

    NB-IoT中，競爭解決與LTE一樣，同樣是一個為了解決沖突問題的過程，兩者具體實現流程基本一致。不同的是，當NB-IoT UE發送Msg3后，需開啟競爭解決定時器，而此時的競爭解決定時器與RAR窗口類似，它也并沒有采用以子幀為長度單位，而是采用PDCCH周期作為其長度單位。同時，它的取值也進行了相應的調整，最小定義的長度為1個PP，最大定義為64個PP。如果在競爭解決定時器未超時的情況下，并且Msg3中包含C-RNTI MAC控制元素，則認為隨機接入過程成功完成，但是值得注意的是，為了在anchor載波上更有效地利用其無線資源，在NB-IoT中需先判斷是否配有non-anchor載波。因此當配有non-anchor載波時，在anchor載波上包含在PDCCH的上行授權和下行分配僅對non-anchor載波有效。如果競爭解決不成功，并且PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER全局計數器達到最大值時，則在NB-IoT中會認為隨機接入未成功完成。

3 隨機接入過程的測試和結果分析

    協議測試的實現方式可有多種，其中TTCN-3測試語言被廣泛地應用于標準的有效性驗證和協議一致性測試中，它是一種可適用于多種測試場景的標準化測試語言。本文就NB-IoT的隨機接入過程搭建了基于TTCN-3的一致性測試平臺，并對其進行了一致性測試，同時生成了其仿真圖，如圖5所示。

    本測試根據標準中規定的NB-IoT隨機接入的一致性測試流程，最后通過TTCN-3平臺的主控log分析模塊輸出的結果來判斷隨機接入過程測試的結果是否正確。首先通過圖5(a)中函數f_RRM_NBIoT_UE_config(’06021104’O)和f_RRM_ReceiveReply(’-06021104’O)的結果來判斷NB-IoT UE和基站是否能夠正常通信。在驗證了通信之后，則通過f_NBIoT_UE_Initial_RandomAccess()函數使得NB-IoT UE初始化，確保其進入狀態2A-NB，并根據RSRP進行相應的覆蓋等級配置以及根據配置的覆蓋等級對NPRACH資源進行配置，然后根據隨機接入的4個步驟對其進行了驗證。同時，判斷隨機接入響應和競爭解決是否成功，其分別通過圖5(a)中函數f_R-RM_RandomAccessResponseSuccess()和圖5(b)中函數f_RRM_RandomAccessContentionResolution()中log輸出的success和failure判斷是否成功；當隨機接入響應接收成功后，根據中log輸出的T300可知定時器T300已開啟，該定時器取值為2 500 ms；NB-IoT UE發起Msg3后并立即開啟T300，如圖5(b)所示。如果在T300未超時的情況下接收到了競爭解決，則關閉該定時器，并在主控log輸出f_RRM_NBIoT_RandomAccess_sucess()，則表明隨機接入過程成功完成，接著NB-IoT UE進入連接狀態，該測試結果滿足了協議測試的一致性要求。

4 結束語

    本文簡單介紹了基于授權頻譜的NB-IoT，考慮到隨機接入對于UE的初始接入與上行同步的重要性以及其在NB-IoT中進行了相應的優化，同時目前在R13的中NB-IoT僅支持基于競爭模式的隨機接入過程，因此對其優化后的基于競爭模式的隨機接入過程的4個步驟進行了詳細的分析，并對其搭建了基于TTCN-3的一致性測試平臺以及進行了一致性測試。

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文獻[17]略