NB-IoT随机接入过程的研究与实现

曹 政，李小文，周述淇

(重庆邮电大学 重庆市移动通信技术重点实验室，重庆 400065)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.15

曹政，李小文，周述淇.NB-IoT随机接入过程的研究与实现[J].无线电通信技术,2018,44(1):73-77.

[CAO Zheng,LI Xiaowen,ZHOU Shuqi.Research and Implementation of NB-IoT Random Access Process [J].Radio Communications Technology,2018,44(1):73-77.]

NB-IoT随机接入过程的研究与实现

曹 政，李小文，周述淇

(重庆邮电大学 重庆市移动通信技术重点实验室，重庆 400065)

随机接入过程作为实现UE和网络端建立连接的重要过程，在NB-IoT系统中，它在LTE系统的基础上进行了相应的简化和修改。通过LTE-A系统和NB-IoT系统协议入手，对目前仅支持的基于竞争模式的随机接入过程进行了深入的分析和阐述，同时，也详细地分析NB-IoT中新增的Suspend-Resume过程，并具体介绍了随机接入过程的流程设计和实现。在SDL和TTCN协仿真平台上搭建了SDL功能块图，并生成了随机接入过程的MSC仿真图，验证了流程设计的正确性。

窄带物联网；随机接入；媒体接入控制；Suspend；Resume

TN929.5

A

1003-3114(2018)01-73-5

2017-11-01

国家科技重大专项(2017ZX03001021-004)资助项目

ResearchandImplementationofNB-IoTRandomAccessProcess

CAO Zheng,LI Xiaowen,ZHOU Shuqi

(Chongqing Key Lab of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

The random access process is an important process to establish the connection between the UE and the network.In the NB-IoT system,it is simplified and modified on the basis of the LTE system.Based on the LTE-A system and the NB-IoT system protocols,the random access based on competitive mode is analyzed and exposited in detail,and the Suspend-Resume process added in NB-IoT is analyzed thoroughly.The process design and implementation of random access process is introduced specifically.The SDL functional block diagram is built on the SDL and TTCN simulation platform,and the MSC simulation diagram of the random access process is generated to verify the correctness of the process design.

NB-IoT; random access; MAC; Suspend; Resume

0 引言

窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是符合低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)要求的最有前途的技术之一[1-3]。NB-IoT目标是在相对较长的时间段(即延迟容忍)内支持少量数据的通信，这是IoT应用的关键特征之一。同时，NB-IoT也是3GPP(3rd Generation Partnership Project)旨在提供具有低能耗、良好覆盖率等的通信协议，且在标准R13中提出[4-5]。

与现有的LTE系统相比，NB-IoT作为一种LPWA技术之一，为了支持智能农业、智能城市、智能家居、智能计量等诸多低成本、低功耗、大连接、广覆盖的物联网业务[6-8]，其在LTE系统的基础上对协议栈各子层所涉及的关键技术过程均进行了相应的修改和简化，其中用于终端(User Equipment，UE)与基站(eNodB)进行上行同步的随机接入过程也包含在内[4,9]。NB-IoT系统与LTE系统均属于蜂窝系统，因此在NB-IoT系统中所支持的随机接入过程目的类似于LTE系统，也是为了UE的初始接入和上行同步。然而，由于NB-IoT系统所面向的业务需求不同，以至于其仅有较低的随机接入过程发起频率。因此，为NB-IoT设计一个支持其业务需要的接入过程方案是非常有必要的。

1 随机接入过程的应用场景

在NB-IoT系统中，由于它不支持PUCCH信道以及切换功能，因此其相比LTE而言，在NB-IoT系统中触发随机接入的场景被简化成如下4种：① RRC_IDLE(Radio Resource Control，RRC)状态下的初始接入；② RRC连接重建过程；③ RRC_CON状态下，上行失步的情况下，下行数据到达时；④ RRC_CON状态下，上行失步或者触发调度请求的情况下，UE发送上行数据时。由于目前在R13中NB-IoT暂不支持非竞争的随机接入过程，因此上述4种触发场景都是基于竞争的方式进行随机接入过程，同时仅有①是在空闲模式下进行随机接入过程，而②～③是在连接模式下进行随机接入过程。

2 随机接入过程的4个步骤

NB-IoT中基于竞争的随机接入过程与LTE类似，其仍由4个步骤组成[4,10]，如图1所示。

图1 随机接入过程

但是为了支持NB-IoT的特性，随机接入的每个步骤都进行相应的优化，下面将针对NB-IoT优化的随机接入过程的每个步骤进行分析[11-16]。

① UE端向eNodB端发起随机接入时，需要先选择前导以及NPRACH资源；与LTE系统不同的是，在选择前导时，NB-IoT系统中的前导选择并没有组A和组B之分，同时也不需要ZC序列来生成，而是由CP和5个符号组成的4个符号组成，并且所有符号组的序列都采用默认全1的方式进行配置，如图2所示。

图2 前导符号组

同时，在选择NPRACH资源时，由于NB-IoT UE配有3个不同的覆盖等级，因此需要根据不同的覆盖等级来进行NPRACH资源的选择，其中覆盖等级的范围是level0～level2，作用是用于覆盖不同的范围，以便提高覆盖距离。随机接入资源选择的具体流程如图3所示。

图3 随机接入PRACH资源和前导的选择

由图3可知，NB-IoT系统中需要判断是否支持multi-tone传输，它是一种传输方式，用于随机接入过程中传输Msg3，由图2所示的随机接入PRACH资源和前导的选择流程不同于LTE，图中所示的Multi-tone是一种在随机过程中的传输Msg3的一种传输方式。

② 当NB-IoT UE发送完前导后，则UE中的媒体接入控制(Media Access Control，MAC)会开启随机接入响应(Random Access Response，RAR)窗口用于监听由网络端组装的RAR PDU，其中RAR如图4所示，其中包括用于与网络端时间同步的timing advance命令、用于上行资源分配的上行授权(与LTE系统的MAC RAR PDU不同，NB-IoT系统中仅有15 bits)以及用于加扰Msg3和竞争解决的临时C-RNTI。

图4 NB-IoT UE随机接入响应PDU结构图

NB-IoT系统为了支持重复传输特性，因此RAR窗口不同于LTE系统，NB-IoT系统中的RAR窗口则以PDCCH周期来计算，并结合NPRACH的重复次数来决定RAR窗口在UE端MAC子层开启的位置，如果NPRACH重复次数大于或等于64，则RAR窗口的开启位置则是在最后一个preamble重复传输的结束位置加上41个子帧开启，否则是在最后一个preamble重复传输的结束位置4个子帧开启。

③ UE端接收来自网络端的随机接入响应判断成功后，则UE端发送用Temporary C-RNTI加扰的Msg3消息，发起Msg3消息后，UE端则开启竞争解决定时器，等待接收来自网络端的竞争解决。此过程用于RRC连接建立请求，因此存在HARQ重传过程。在NB-IoT系统中，为了减少信令开销，因此在RRC-IDLE状态和RRC-CON状态之间切换新增了Suspend-Resume过程以及一个新的RRC状态，即RRC-SUSPENDED，如果从该状态进入RRC-CON状态，则直接通过Msg3消息携带该NB-IoT UE保存的Resume ID发送给网络端，达到减少信令开销的作用。

④ 当UE端发起Msg3消息后，则马上开启竞争解决定时器，以便在该定时器内收到网络端发起的竞争解决，该定时器采用的是PDCCH周期作为其长度，而不是LTE系统中的子帧。竞争解决消息与LTE系统一样，是一个为了解决冲突问题的过程，如果收到的竞争解决消息与UE端的竞争解决ID相匹配，则认为随机接入成功，否则在NB-IoT系统中中会认为随机接入未成功完成。

3 随机接入过程的SDL和TTCN协仿真实现

协议测试的实现方式可有多种，而说明和描述语言 (Specification and Description Language，SDL)和树表结合表示法 (Tree and Tabular Combined Notation，TTCN)这2种规范描述、测试语言已经被广泛地应用于标准的有效性验证和协议一致性测试中。

其中SDL和TTCN协仿真对系统的以流程图的方式进行描述以及直观明了地验证流程的正确性而成为一种对标准验证的有效方式。本文中采用的是SDL and TTCN Suite 6.3协仿真为测试平台，通过在平台中调用C函数对NB-IoT系统中UE端设计的随机接入过程流程进行正确性的验证，其在SDL平台所搭建的MAC子层SDL功能块图如图5所示。

图5 MAC子层SDL功能块图

由于SDL将应用领域分为SDL系统和环境两部分，因此图5中所示MAC_PRO为被测系统MAC子层，而把与MAC子层有交互的RRC子层、RLC子层、物理层作为环境，而它们之间则都是通过原语交互进行通信[17]。又由上述第2节的步骤③可得知，在NB-IoT系统中新增加了Suspend-Resume过程，而当UE被寻呼时或当新数据到达上行链路缓冲器时，处于被挂起(suspended)状态的UE需直接通过随机接入过程中的Msg3进行连接的恢复，因此在NB-IoT中加上Suspend-Resume过程的随机接入过程可得出如图6所示。

图6中的To suspend the RRC Connection，是由于某些触发因素，使得eNB决定将RRC连接进行挂起，例如：NB-IoT UE的静止定时器超时，因此eNB直接通过释放RRC连接将NB-IoT UE进行挂起。同时，eNB还可以通过发送拒绝消息的方式将UE挂起，拒绝消息用于拒绝RRC连接建立或RRC连接恢复。上述两种挂起方式都会存储接入层上下文、挂起信令无线承载和数据信令承载，并进入IDLE态。

在图6中的To resume the RRC Connection则是Suspend的反操作，如上述描述可得知，NB-IoT UE如果需恢复RRC Connection，则可直接通过发送随机接入过程的Msg3(RRCConnectionResume_Request)进行恢复，但在Msg3中需携带恢复ID、恢复原因以及认证令牌(shortResumeMAC-I)发送给eNB，不过eNB可以由于某些原因拒绝NB-IoT UE的恢复操作。因此，本文则以图6作为仿真流程，对NB-IoT UE进行连接释放的挂起方式进行了原语的设计，在SDL测试平台上进行仿真，同时生成了随机接入过程的消息序列图 (Message Sequence Chart，MSC)仿真图，仿真结果如图7所示。

图6 添加Suspend-Resume过程的随机接入过程流程

图7 随机接入过程MSC仿真图

本文通过将C代码嵌在SDL图中，结合流程图对MAC子层的部分功能进行了实现，SDL环境则由TTCN进行模拟，并对发向系统的原语进行赋值，同时对其模拟的环境部分所收到来自系统的原语进行校验。本文仅针对释放RRC连接将NB-IoT UE进行挂起，并且没有新设RRC_Suspended状态，而是把该状态归纳为IDLE态。当UE想恢复RRC连接时，则RRC子层通过CMAC_CCCH_RESUME_INFO_REQ_NB原语发送给MAC子层，并通过原语CMAC_CCCH_RESUME_INFO_IND_NB进行恢复的确认，而这两条原语则通过不同的信令ID与UE初始接入发起的随机接入过程的Msg3和Msg4进行区分。

4 结束语

简单地介绍了新兴技术NB-IoT，考虑到随机接入过程在UE端和网络端之间建立连接的重要性以及在NB-IoT系统中变化，因此对变化后的基于竞争模式的随机接入过程进行了分析，并搭建了SDL功能块图，同时对新增加的Suspend-Resume过程的随机接入过程进行了设计，最后生成了随机接入过程的MSC仿真图。通过对基于SDL实现NB-IoT系统竞争模式的随机接入进行分析与实现，为NB-IoT的进一步部署和发展提供了一定的实现基础。

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曹政(1992—)，男，硕士研究生，主要研究方向：LTE-A Pro高层协议栈；

李小文(1955—)，男，教授，研究员，主要研究方向：LTE-A系统协议栈开发；

周述淇(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向：LTE-A Pro高层协议栈。