NB-IoT隨機(jī)接入過程的研究與實(shí)現(xiàn)

曹 政，李小文，周述淇

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.15

曹政，李小文，周述淇.NB-IoT隨機(jī)接入過程的研究與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),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隨機(jī)接入過程的研究與實(shí)現(xiàn)

曹 政，李小文，周述淇

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

隨機(jī)接入過程作為實(shí)現(xiàn)UE和網(wǎng)絡(luò)端建立連接的重要過程，在NB-IoT系統(tǒng)中，它在LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的簡化和修改。通過LTE-A系統(tǒng)和NB-IoT系統(tǒng)協(xié)議入手，對目前僅支持的基于競爭模式的隨機(jī)接入過程進(jìn)行了深入的分析和闡述，同時(shí)，也詳細(xì)地分析NB-IoT中新增的Suspend-Resume過程，并具體介紹了隨機(jī)接入過程的流程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在SDL和TTCN協(xié)仿真平臺(tái)上搭建了SDL功能塊圖，并生成了隨機(jī)接入過程的MSC仿真圖，驗(yàn)證了流程設(shè)計(jì)的正確性。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)；隨機(jī)接入；媒體接入控制；Suspend；Resume

TN929.5

A

1003-3114(2018)01-73-5

2017-11-01

國家科技重大專項(xiàng)(2017ZX03001021-004)資助項(xiàng)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

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是符合低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network,LPWAN)要求的最有前途的技術(shù)之一[1-3]。NB-IoT目標(biāo)是在相對較長的時(shí)間段(即延遲容忍)內(nèi)支持少量數(shù)據(jù)的通信，這是IoT應(yīng)用的關(guān)鍵特征之一。同時(shí)，NB-IoT也是3GPP(3rd Generation Partnership Project)旨在提供具有低能耗、良好覆蓋率等的通信協(xié)議，且在標(biāo)準(zhǔn)R13中提出[4-5]。

與現(xiàn)有的LTE系統(tǒng)相比，NB-IoT作為一種LPWA技術(shù)之一，為了支持智能農(nóng)業(yè)、智能城市、智能家居、智能計(jì)量等諸多低成本、低功耗、大連接、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)[6-8]，其在LTE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對協(xié)議棧各子層所涉及的關(guān)鍵技術(shù)過程均進(jìn)行了相應(yīng)的修改和簡化，其中用于終端(User Equipment，UE)與基站(eNodB)進(jìn)行上行同步的隨機(jī)接入過程也包含在內(nèi)[4,9]。NB-IoT系統(tǒng)與LTE系統(tǒng)均屬于蜂窩系統(tǒng)，因此在NB-IoT系統(tǒng)中所支持的隨機(jī)接入過程目的類似于LTE系統(tǒng)，也是為了UE的初始接入和上行同步。然而，由于NB-IoT系統(tǒng)所面向的業(yè)務(wù)需求不同，以至于其僅有較低的隨機(jī)接入過程發(fā)起頻率。因此，為NB-IoT設(shè)計(jì)一個(gè)支持其業(yè)務(wù)需要的接入過程方案是非常有必要的。

1 隨機(jī)接入過程的應(yīng)用場景

在NB-IoT系統(tǒng)中，由于它不支持PUCCH信道以及切換功能，因此其相比LTE而言，在NB-IoT系統(tǒng)中觸發(fā)隨機(jī)接入的場景被簡化成如下4種：① RRC_IDLE(Radio Resource Control，RRC)狀態(tài)下的初始接入；② RRC連接重建過程；③ RRC_CON狀態(tài)下，上行失步的情況下，下行數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)；④ RRC_CON狀態(tài)下，上行失步或者觸發(fā)調(diào)度請求的情況下，UE發(fā)送上行數(shù)據(jù)時(shí)。由于目前在R13中NB-IoT暫不支持非競爭的隨機(jī)接入過程，因此上述4種觸發(fā)場景都是基于競爭的方式進(jìn)行隨機(jī)接入過程，同時(shí)僅有①是在空閑模式下進(jìn)行隨機(jī)接入過程，而②～③是在連接模式下進(jìn)行隨機(jī)接入過程。

2 隨機(jī)接入過程的4個(gè)步驟

NB-IoT中基于競爭的隨機(jī)接入過程與LTE類似，其仍由4個(gè)步驟組成[4,10]，如圖1所示。

圖1 隨機(jī)接入過程

但是為了支持NB-IoT的特性，隨機(jī)接入的每個(gè)步驟都進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，下面將針對NB-IoT優(yōu)化的隨機(jī)接入過程的每個(gè)步驟進(jìn)行分析[11-16]。

① UE端向eNodB端發(fā)起隨機(jī)接入時(shí)，需要先選擇前導(dǎo)以及NPRACH資源；與LTE系統(tǒng)不同的是，在選擇前導(dǎo)時(shí)，NB-IoT系統(tǒng)中的前導(dǎo)選擇并沒有組A和組B之分，同時(shí)也不需要ZC序列來生成，而是由CP和5個(gè)符號(hào)組成的4個(gè)符號(hào)組成，并且所有符號(hào)組的序列都采用默認(rèn)全1的方式進(jìn)行配置，如圖2所示。

圖2 前導(dǎo)符號(hào)組

同時(shí)，在選擇NPRACH資源時(shí)，由于NB-IoT UE配有3個(gè)不同的覆蓋等級，因此需要根據(jù)不同的覆蓋等級來進(jìn)行NPRACH資源的選擇，其中覆蓋等級的范圍是level0～level2，作用是用于覆蓋不同的范圍，以便提高覆蓋距離。隨機(jī)接入資源選擇的具體流程如圖3所示。

圖3 隨機(jī)接入PRACH資源和前導(dǎo)的選擇

由圖3可知，NB-IoT系統(tǒng)中需要判斷是否支持multi-tone傳輸，它是一種傳輸方式，用于隨機(jī)接入過程中傳輸Msg3，由圖2所示的隨機(jī)接入PRACH資源和前導(dǎo)的選擇流程不同于LTE，圖中所示的Multi-tone是一種在隨機(jī)過程中的傳輸Msg3的一種傳輸方式。

② 當(dāng)NB-IoT UE發(fā)送完前導(dǎo)后，則UE中的媒體接入控制(Media Access Control，MAC)會(huì)開啟隨機(jī)接入響應(yīng)(Random Access Response，RAR)窗口用于監(jiān)聽由網(wǎng)絡(luò)端組裝的RAR PDU，其中RAR如圖4所示，其中包括用于與網(wǎng)絡(luò)端時(shí)間同步的timing advance命令、用于上行資源分配的上行授權(quán)(與LTE系統(tǒng)的MAC RAR PDU不同，NB-IoT系統(tǒng)中僅有15 bits)以及用于加擾Msg3和競爭解決的臨時(shí)C-RNTI。

圖4 NB-IoT UE隨機(jī)接入響應(yīng)PDU結(jié)構(gòu)圖

NB-IoT系統(tǒng)為了支持重復(fù)傳輸特性，因此RAR窗口不同于LTE系統(tǒng)，NB-IoT系統(tǒng)中的RAR窗口則以PDCCH周期來計(jì)算，并結(jié)合NPRACH的重復(fù)次數(shù)來決定RAR窗口在UE端MAC子層開啟的位置，如果NPRACH重復(fù)次數(shù)大于或等于64，則RAR窗口的開啟位置則是在最后一個(gè)preamble重復(fù)傳輸?shù)慕Y(jié)束位置加上41個(gè)子幀開啟，否則是在最后一個(gè)preamble重復(fù)傳輸?shù)慕Y(jié)束位置4個(gè)子幀開啟。

③ UE端接收來自網(wǎng)絡(luò)端的隨機(jī)接入響應(yīng)判斷成功后，則UE端發(fā)送用Temporary C-RNTI加擾的Msg3消息，發(fā)起Msg3消息后，UE端則開啟競爭解決定時(shí)器，等待接收來自網(wǎng)絡(luò)端的競爭解決。此過程用于RRC連接建立請求，因此存在HARQ重傳過程。在NB-IoT系統(tǒng)中，為了減少信令開銷，因此在RRC-IDLE狀態(tài)和RRC-CON狀態(tài)之間切換新增了Suspend-Resume過程以及一個(gè)新的RRC狀態(tài)，即RRC-SUSPENDED，如果從該狀態(tài)進(jìn)入RRC-CON狀態(tài)，則直接通過Msg3消息攜帶該NB-IoT UE保存的Resume ID發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)端，達(dá)到減少信令開銷的作用。

④ 當(dāng)UE端發(fā)起Msg3消息后，則馬上開啟競爭解決定時(shí)器，以便在該定時(shí)器內(nèi)收到網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起的競爭解決，該定時(shí)器采用的是PDCCH周期作為其長度，而不是LTE系統(tǒng)中的子幀。競爭解決消息與LTE系統(tǒng)一樣，是一個(gè)為了解決沖突問題的過程，如果收到的競爭解決消息與UE端的競爭解決ID相匹配，則認(rèn)為隨機(jī)接入成功，否則在NB-IoT系統(tǒng)中中會(huì)認(rèn)為隨機(jī)接入未成功完成。

3 隨機(jī)接入過程的SDL和TTCN協(xié)仿真實(shí)現(xiàn)

協(xié)議測試的實(shí)現(xiàn)方式可有多種，而說明和描述語言 (Specification and Description Language，SDL)和樹表結(jié)合表示法 (Tree and Tabular Combined Notation，TTCN)這2種規(guī)范描述、測試語言已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的有效性驗(yàn)證和協(xié)議一致性測試中。

其中SDL和TTCN協(xié)仿真對系統(tǒng)的以流程圖的方式進(jìn)行描述以及直觀明了地驗(yàn)證流程的正確性而成為一種對標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證的有效方式。本文中采用的是SDL and TTCN Suite 6.3協(xié)仿真為測試平臺(tái)，通過在平臺(tái)中調(diào)用C函數(shù)對NB-IoT系統(tǒng)中UE端設(shè)計(jì)的隨機(jī)接入過程流程進(jìn)行正確性的驗(yàn)證，其在SDL平臺(tái)所搭建的MAC子層SDL功能塊圖如圖5所示。

圖5 MAC子層SDL功能塊圖

由于SDL將應(yīng)用領(lǐng)域分為SDL系統(tǒng)和環(huán)境兩部分，因此圖5中所示MAC_PRO為被測系統(tǒng)MAC子層，而把與MAC子層有交互的RRC子層、RLC子層、物理層作為環(huán)境，而它們之間則都是通過原語交互進(jìn)行通信[17]。又由上述第2節(jié)的步驟③可得知，在NB-IoT系統(tǒng)中新增加了Suspend-Resume過程，而當(dāng)UE被尋呼時(shí)或當(dāng)新數(shù)據(jù)到達(dá)上行鏈路緩沖器時(shí)，處于被掛起(suspended)狀態(tài)的UE需直接通過隨機(jī)接入過程中的Msg3進(jìn)行連接的恢復(fù)，因此在NB-IoT中加上Suspend-Resume過程的隨機(jī)接入過程可得出如圖6所示。

圖6中的To suspend the RRC Connection，是由于某些觸發(fā)因素，使得eNB決定將RRC連接進(jìn)行掛起，例如：NB-IoT UE的靜止定時(shí)器超時(shí)，因此eNB直接通過釋放RRC連接將NB-IoT UE進(jìn)行掛起。同時(shí)，eNB還可以通過發(fā)送拒絕消息的方式將UE掛起，拒絕消息用于拒絕RRC連接建立或RRC連接恢復(fù)。上述兩種掛起方式都會(huì)存儲(chǔ)接入層上下文、掛起信令無線承載和數(shù)據(jù)信令承載，并進(jìn)入IDLE態(tài)。

在圖6中的To resume the RRC Connection則是Suspend的反操作，如上述描述可得知，NB-IoT UE如果需恢復(fù)RRC Connection，則可直接通過發(fā)送隨機(jī)接入過程的Msg3(RRCConnectionResume_Request)進(jìn)行恢復(fù)，但在Msg3中需攜帶恢復(fù)ID、恢復(fù)原因以及認(rèn)證令牌(shortResumeMAC-I)發(fā)送給eNB，不過eNB可以由于某些原因拒絕NB-IoT UE的恢復(fù)操作。因此，本文則以圖6作為仿真流程，對NB-IoT UE進(jìn)行連接釋放的掛起方式進(jìn)行了原語的設(shè)計(jì)，在SDL測試平臺(tái)上進(jìn)行仿真，同時(shí)生成了隨機(jī)接入過程的消息序列圖 (Message Sequence Chart，MSC)仿真圖，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 添加Suspend-Resume過程的隨機(jī)接入過程流程

圖7 隨機(jī)接入過程MSC仿真圖

本文通過將C代碼嵌在SDL圖中，結(jié)合流程圖對MAC子層的部分功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，SDL環(huán)境則由TTCN進(jìn)行模擬，并對發(fā)向系統(tǒng)的原語進(jìn)行賦值，同時(shí)對其模擬的環(huán)境部分所收到來自系統(tǒng)的原語進(jìn)行校驗(yàn)。本文僅針對釋放RRC連接將NB-IoT UE進(jìn)行掛起，并且沒有新設(shè)RRC_Suspended狀態(tài)，而是把該狀態(tài)歸納為IDLE態(tài)。當(dāng)UE想恢復(fù)RRC連接時(shí)，則RRC子層通過CMAC_CCCH_RESUME_INFO_REQ_NB原語發(fā)送給MAC子層，并通過原語CMAC_CCCH_RESUME_INFO_IND_NB進(jìn)行恢復(fù)的確認(rèn)，而這兩條原語則通過不同的信令I(lǐng)D與UE初始接入發(fā)起的隨機(jī)接入過程的Msg3和Msg4進(jìn)行區(qū)分。

4 結(jié)束語

簡單地介紹了新興技術(shù)NB-IoT，考慮到隨機(jī)接入過程在UE端和網(wǎng)絡(luò)端之間建立連接的重要性以及在NB-IoT系統(tǒng)中變化，因此對變化后的基于競爭模式的隨機(jī)接入過程進(jìn)行了分析，并搭建了SDL功能塊圖，同時(shí)對新增加的Suspend-Resume過程的隨機(jī)接入過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后生成了隨機(jī)接入過程的MSC仿真圖。通過對基于SDL實(shí)現(xiàn)NB-IoT系統(tǒng)競爭模式的隨機(jī)接入進(jìn)行分析與實(shí)現(xiàn)，為NB-IoT的進(jìn)一步部署和發(fā)展提供了一定的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

[1] Boisguene R,Tseng S C,Huang C W,et al.A Survey on NB-IoT Downlink Scheduling: Issues and Potential Solutions[C]∥ Wireless Communications and Mobile Computing Conference.IEEE,2017:547-551.

[2] Ratasuk R,Vejlgaard B,Mangalvedhe N,et al.NB-IoT system for M2M communication[C]∥ Wireless Communications and Networking Conference.IEEE,2016:428-432.

[3] Raza U,Kulkarni P,Sooriyabandara M.Low Power Wide Area Networks: An Overview[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2017:1-18.

[4] Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specification; Release 13[S].3GPP TS 36.321 V13,2016.

[5] Zayas A D,Merino P.The 3GPP NB-IoT System Architecture for the Internet of Things[C]∥ IEEE International Conference on Communications Workshops.IEEE,2017:277-282.

[6] Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Cellular System Support for Ultra-low Complexity and Low Throughput Internet of Things (CIoT); Release 13[S].3GPP TR 45.820,2016.

[7] Gozalvez J.New 3GPP Standard for IoT [Mobile Radio][J].IEEE Vehicular Technology Magazine，2016,11(1):14-20.

[8] Beyene Y D,Jantti R,Tirkkonen O,et al.NB-IoT Technology Overview and Experience from Cloud-RAN Implementation[J].IEEE Wireless Communications,2017,24(3):26-32.

[9] Wang Y P E,Lin X,Adhikary A,et al.A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J].IEEE Communications Magazine,2016:1-8.

[10] Ericsson.Narrowband IoT- Random Access Design[R].RAN1 #83,R1-157424,Anaheim,US,2016.

[11] Ratasuk R,Mangalvedhe N,Zhang Y,et al.Overview of Narrowband IoT in LTE Rel-13[C]∥ IEEE Conference on Standards for Communications and Networking.IEEE,2016:1-7.

[12] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (EUTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); Overall description; Release 13[S].3GPP TS 36.300 V13.4.0,2016.

[13] 張涵嫣,孫貴芳,皮定杰.LTE-A系統(tǒng)隨機(jī)接入過程的實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):98-101.

[14] Ericsson. Narrowband IoT - Random Access Design[R].RAN1 #83,R1-157424,Anaheim,US,2016.

[15] Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation; Release 13[S].3GPP TS 36.211 V13,2016.

[16] Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification; Release 13[S].3GPP TS 36.331 V13.3.0,2016.

[17] 李小文，李貴勇，陳賢亮.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、信令及實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2003.

曹政(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向：LTE-A Pro高層協(xié)議棧；

李小文(1955—)，男，教授，研究員，主要研究方向：LTE-A系統(tǒng)協(xié)議棧開發(fā)；

周述淇(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：LTE-A Pro高層協(xié)議棧。