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NB—IoT随机接入过程搜索空间转换

作者:曹祥风 来源:电子技术与软件工程 论文栏目:计算机论文     更新时间:2019-02-11   浏览

曹祥风

摘要:NB-IoT是一种基于蜂窝的窄带物联网技术,主要应用于低吞吐量、能够容忍较大时延以及低移动性场景,如智能停车、智能家居、智慧城市等应用。NBIoT信道带宽为18 0kHz,在如此低的信道带宽要支持众多接入用户,一方面单个终端以极低频次接入,另一方面基站要面对数万个终端的随机接入,本文对NBIoT物理层随机接入过程中搜索空间转换一些关键技术进行探讨。

【关键词】NB-IoT 物联网 随机接入 搜索空间

1 NB-IoT定義

NB-IoT是一种窄带物联网技术,NBIoT定义了三种搜索空间:

(1) USS,连接态UE专用信道接收;

(2) CSS for RA,随机接入RAR消息接收;

(3) CSS for Paging,寻呼接收。

2 NB-IoT随机接入过程搜索空间转换

CSS为公共搜索空间,对一个基站下所有UE适用,而USS为UE专用搜索空间,仅对特定UE在进入连接态后适用。3GPP协议规定UE只需要监控一种搜索空间即可,不需要同时监控二种搜索空间。

UE在空闲态时,按设定的DRX周期,用CSS for Paging搜索空间去检测下行寻呼指示,若没有收到寻呼指示则进入睡眠状态。若UE接收到基站发给自己的寻呼指示或者UE在空闲态有上行数据要发送时,UE需要发起随机接入请求,UE用CSS for RA搜索空间去检测基站的随机接入响应信息,在随机接入成功后,UE将进入连接态并用USS搜索空间去接收和发送上下行用户数据。在随机接入过程中涉及到css和USS的转换时机,如果基站和UE两者转换时机不一致,就会出现问题,在本文后面会详细进行介绍。

在NB-IoT中随机接入过程的主要作用与LTE类似,获取上行同步,空闲态有数据要发送时与网络建立RRC连接,进入RRC连接态后若SR定时器超时未等到上行授权时发起随机接入申请授权发送上行数据。

终端开机后从系统消息SIB2中获取PRACH信道配置和资源以及CSS for RA搜索空间参数( Rmax、StartSF-CSS-RA、Offset-RA)。UE处于空闲态时,如果有上行数据要发送,UE根据下行参考信号RSRP测量值确定CE接入等级,选择相应的PRACH资源。UE发送Premble后,在RA响应窗长范围内使用CSS for RA搜索空间来检测基站是否发送RAR消息。若检测到RAR,UE使用RAR中分配的UL Grant资源,在NPUSCH上发送Msg3,接着启动CR冲突检测定时器去监控基站的Msg4消息。基站收到Msg3消息后,如果多个UE接入不存在冲突,那么构建Msg4消息,在Msg4消息包含冲突解决标识字段,基站仍然在CSS for RA搜索空间放置DCINl。UE在CR冲突检测定时器超时前,仍然使用CSS for RA搜索空间盲检NPDCCH,在解出Msg4消息后,判断冲突解决标识字段和本UE在Msg3中标识一致,认为随机接入成功。UE在NPUSCH format2上行信道发送ACK消息给基站,UE转入RRC连接态。UE后续对下行控制信道NPDCCH的盲检将从CSS公共搜索空间转为USS专用搜索空间。

在基站侧,收到UE对Msg4的ACK确认后,也从CSS for RA搜索空间转换到USS专用空间,两端搜索空间同时切换,保持步调一致。基站在USS专用空间的NPDCCH上通过DCI NO给UE的Msg5提供上行授权。基站收到Msg5消息后,接着进行鉴权、加密完保、安全协商、PDP默认承载建立等NAS过程。若基站侧由于信道质量差导致Msg4的NPDSCH解码失败,那么基站和UE将仍然保持在CSS for RA搜索空间继续随机接入重新接入过程。

在随机接入过程中涉及基站和UE两端搜索空间的转换时机,基站和UE的搜索空间如果出现不一致,后续信息交互就无法继续。UE发送Msg4 ACK后,UE从css公共搜索空间转换到uss专用空间。若上行信道质量此时恶化,基站并没有收到Msg ACK消息,基站会重复发送Msg4消息,基站会在CSSfor RA空间放置NPDCCH DCI Nl,而UE此时已经转换到USS空间,无法按CSS空间去盲检NPDCCH DCI Nl,基站和UE搜索空间不一致,导致Msg4重发失败,进而随机接入失败。

如何克服这个问题?这里探讨2种方案。虽然3 GPP3 6.213协议上没有要求UE同时监控两种搜索空间,但是UE可以实现同时监控两种搜索空间,虽然一定程度上增加了UE实现复杂度,但是提高了接入流程效率。另外,UE还可以根据当前信道质量适当采取一定策略增加Msg4 ACK发送功率,提高基站正确检测概率,在这个时刻可能在基站侧会引起短暂的远近效应(即影响其他UE的上行检测),用比较小的重传代价换取一次终端成功接入。

另外一个需要考虑的是搜索空间改变后从哪个时刻点开始生效。根据3GPP36.211协议,USS搜索空间的起始子帧k=kb要满足条件(lOnf+「ns/2」)modT=αaffset, 如果CSS和USS空间转换时间点超过kh,那么在T=Rmax G剩余的不完整的空间中是否还可以放置NPDCCH DCI数据呢?如果基站和UE实现不一致,UE就会错过接收基站下发NPDCCHDCI NO上行授权的时机,最终也会导致随机接入失败。为了解决这个问题,3GPP提案对此做了完善,当搜索空间进行重配置后,为了简化实现,UE不需要监控不完整的搜索空间,新的USS搜索空间在45ms处理延时后生效。这样,从标准协议层面解决了搜索空间切换时机问题。

3 结语

本文对NB-IoT的随机接入过程和搜索空间概念进行了介绍。接下来探讨搜索空间转换过程中基站和终端的转换时机,并提出了2种优化策略。通过本文的介绍,可以使读者的NB-IoT随机接入过程的搜索空间转换有一个比较深入的认识。

参考文献

[1]曹政.NB-IoT随机接入过程的研究与实现[J].无线电通信技术,2018 (01).

[2]陈发堂.NB-IoT随机接入过程的分析与实现[J].电子技术应用,2018 (02)

[3] 3GPP TS 36. 213 ”Physical LayerProcedures”[S].2017.

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