NB-IoT随机接入过程搜索空间转换的研究

NB-IoT随机接入过程搜索空间转换的研究

曹祥风

(中兴通讯股份有限公司江苏南京210012)

【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180kHz，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。

【关键字】NB-IoT，物联网，随机接入，搜索空间

【正文】

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）CSSforRA，随机接入RAR消息接收；3）CSSforPaging，寻呼接收。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CSSforPaging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CSSforRA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CSSforRA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CSSforRA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ULGrant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CSSforRA搜索空间放置DCIN1。UE在CR冲突检测定时器超时前，仍然使用CSSforRA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NPUSCHformat2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CSSforRA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DCIN0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CSSforRA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Msg4ACK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MsgACK消息，基站会重复发送Msg4消息，基站会在CSSforRA空间放置NPDCCHDCIN1，而UE此时已经转换到USS空间，无法按CSS空间去盲检NPDCCHDCIN1，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3GPP36.213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Msg4ACK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：，如果CSS和USS空间转换时间点超过kb，那么在剩余的不完整的空间中是否还可以放置NPDCCHDCI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NPDCCHDCIN0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。

【结束语】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。

参考资料:

[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]3GPPTS36.213“PhysicalLayerProcedures"[S].2017