0 引言

    隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術的快速發(fā)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(lián)網(wǎng)業(yè)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(lián)網(wǎng)(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(lián)網(wǎng)所引入蜂窩系統(tǒng)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(yōu)點^[4-8]。NB-IoT作為蜂窩系統(tǒng)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(yè)務需求，其在LTE的基礎上對協(xié)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(xiàn)用戶設備(User Equipment，UE)初始接入網(wǎng)絡和上行同步的隨機接入過程也包含在內(nèi)^[9-10]。在NB-IoT系統(tǒng)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(xiàn)初始接入和上行同步。然而，由于NB-IoT這一技術所面向的業(yè)務需求，以至于隨機接入過程的發(fā)起頻率是非常低的。因此，為NB-IoT設計一個支持其業(yè)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(shù)據(jù)到達情況下由PDCCH order觸發(fā)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(tǒng)中觸發(fā)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(tài)下的初始接入過程；(2)RRC連接重建過程；(3)RRC連接狀態(tài)下，接收下行數(shù)據(jù)時(上行失步)；(4)RRC連接狀態(tài)下，發(fā)送上行數(shù)據(jù)時(上行失步或者觸發(fā)調(diào)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(fā)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(fā)送隨機接入前導(消息1)；(2)UE接收網(wǎng)絡端發(fā)送的隨機接入響應(消息2)；(3)UE發(fā)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(yōu)化，下面將針對NB-IoT優(yōu)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(fā)送

    在NB-IoT系統(tǒng)中，UE發(fā)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(jù)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(shù)，其中配置參數(shù)通過系統(tǒng)信息塊中的SIB2-NB下發(fā)給UE，并提供在nprach-ParametersList中，主要包括[16]：PRACH重復次數(shù)(由參數(shù)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(shù))和PRACH頻域資源(包含子載波偏置量：nprach-SubcarrierOffset、子載波個數(shù)：nprach-NumSubcarriers等參數(shù))以及用于前導(preamble)重復傳輸?shù)膬蓚€參數(shù)，即：發(fā)送preamble的最大次數(shù)(maxNumPreambleAttemptCE)、每個preamble的最大嘗試次數(shù)(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(shù)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(fā)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(jù)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(shù)。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(xiàn)場試驗和部署中，一些UE實現(xiàn)可能不支持Multi-tone，但是在調(diào)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(fā)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(wǎng)絡對上行鏈路傳輸?shù)恼{(diào)度。為此，在PRACH資源的頻域資源中引入了參數(shù)：nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart，其參數(shù)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(jié)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(fā)送其隨機接入前導碼。但是，在R13 NB-IoT中，UE通?？偸遣捎肧ingle-tone方式來傳輸preamble，也就算說nprach-SubcarrierMSG3-RangeStart參數(shù)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(jù)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(fā)送具有與所選前導組相應的前導傳輸所需的重復次數(shù)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(fā)送出去，則不管測量間隙是否可能發(fā)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(jiān)視用于由式(1)定義的隨機接入無線網(wǎng)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(shù)有關，其分為兩種情況：

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

    (2)當NPRACH重復次數(shù)小于64時，此時的RAR窗口應在最后一個preamble重復傳輸?shù)慕Y(jié)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(fā)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(shù)與LTE一樣，但是需要指出的是，NB-IoT UE為了滿足其業(yè)務需要，對PDU的組成參數(shù)中的退避標識(BI)所對應的退避參數(shù)值進行了大幅度的增加，其參數(shù)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(jiān)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(fā)送的不一致或者在RAR窗口內(nèi)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(shù)器引入了一個新的參數(shù)，即：PREAMBLE_TRANSMISSIN_COUNTER_CE，并且該計數(shù)器在較低的覆蓋等級達到其允許發(fā)送preamble的最大次數(shù)之后，UE仍沒有接收到RAR或接收到的RAPID與發(fā)送的不一致時，UE將會跳到下一個更高的覆蓋等級，則根據(jù)當前覆蓋等級的允許發(fā)送preamble的最大次數(shù)對其相應的計數(shù)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(shù)的參數(shù)PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER將作為一個總的計數(shù)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(fā)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(tài)和連接狀態(tài)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(tài)^[17]，即RRC-SUSPENDED。當UE在RRC-SUSPENDED狀態(tài)進行數(shù)據(jù)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(tài)的Resume ID發(fā)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(shù)據(jù)的控制平面優(yōu)化方案，而在此優(yōu)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(yè)務數(shù)據(jù)，因此新增加了一個數(shù)據(jù)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(xiàn)流程基本一致。不同的是，當NB-IoT UE發(fā)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(diào)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(shù)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(jié)果分析

    協(xié)議測試的實現(xiàn)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(xié)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(jù)標準中規(guī)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(jié)果來判斷隨機接入過程測試的結(jié)果是否正確。首先通過圖5(a)中函數(shù)f_RRM_NBIoT_UE_config(’06021104’O)和f_RRM_ReceiveReply(’-06021104’O)的結(jié)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(shù)使得NB-IoT UE初始化，確保其進入狀態(tài)2A-NB，并根據(jù)RSRP進行相應的覆蓋等級配置以及根據(jù)配置的覆蓋等級對NPRACH資源進行配置，然后根據(jù)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(shù)f_R-RM_RandomAccessResponseSuccess()和圖5(b)中函數(shù)f_RRM_RandomAccessContentionResolution()中l(wèi)og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(jù)中l(wèi)og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(fā)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(tài)，該測試結(jié)果滿足了協(xié)議測試的一致性要求。

4 結(jié)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(yōu)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(yōu)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。

參考文獻

[1] RAZA U，KULKARNI P，SOORIYABANDARA M.Low power wide area networks：An overview[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2017，19(2)：855-873.

[2] ANTEUR M，DESLANDES V，THOMAS N，et al.Ultra narrow band technique for low power wide area communications[C].GLOBECOM 2015-2015 IEEE Global Communications Conference.IEEE，2014：1-6.

[3] RICO-ALVARINO A，VAJAPEYAM M，XU H，et al.An overview of 3GPP enhancements on machine to machine communications[J].IEEE Communications Magazine，2016，54(6)：14-21.

[4] 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.

[5] RATASUK R，MANGALVEDHE N，GHOSH A.Overview of LTE enhancements for cellular IoT[C].IEEE，International Symposium on Personal，Indoor，and Mobile Radio Communications.IEEE，2015：2293-2297.

[6] MANGALVEDHE N，RATASUK R，GHOSH A.NB-IoT deployment study for low power wide area cellular IoT[C].IEEE，International Symposium on Personal，Indoor，and Mobile Radio Communications.IEEE，2016：1-6.

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

[8] OH S M，SHIN J S.An efficient small data transmission scheme in the 3GPP NB-IoT system[J].IEEE Communications Letters，2017，21(3)：660-663.

[9] Technical Specification Group Services and System Aspects；Study on architecture enhancements for Cellular Internet of Things；Release 13[R].3GPP TR 23.720，2016.

[10] WANG Y P E，LIN X，ADHIKARY A，et al.A primer on 3GPP narrowband Internet of Things[J].IEEE Communications Magazine，2017，55(3)：117-123.

[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] 戴博，袁弋非，余媛芳.窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)標準與關鍵技術[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[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)；Medium Access Control(MAC) protocol specification；Release 13[S].3GPP TS 36.321 V13.3.0，2016.

[16] Technical Specification Group Radio Access Network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical channels and modulation; Release 13[S].3GPP TS 36.211 V13.3.0，2016.

文獻[17]略