NB-IoT随机接入过程的分析与实现随机接入过程的分析与实现
随机接入过程作为实现UE初始接入和上行同步的重要过程，在NB-IoT中，它在LTE系统的基础上对其进行了相
应的简化和修改。通过与LTE系统中的随机接入过程进行对比，对NB-IoT中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，并搭建了基于TTCN-3的一致性测试平台，验证了随机接入过程与标准的一致性。
0 引言引言
随着物联网通信技术的快速发展，催生了低功耗广域(Low Power Wide Area，LPWA)技术的兴起。LPWA技术主要面向低
功耗、广覆盖、远距离、低带宽的物联网业务，其种类繁多，其中具有代表性的技术主要包括基于非授权频谱的LoRa(Long
Rang，LoRa)、Sigfox和基于授权频谱的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)
[1-3]
。
NB-IoT是3GPP(3rd Generation Partnership Project，3GPP)为支持超低复杂性和低吞吐量物联网所引入蜂窝系统的一种
LPWA蜂窝解决方案，其具有低成本、低功耗、大连接、广覆盖等优点
[4-8]
。NB-IoT作为蜂窝系统中的一种新兴的无线接入技
术，为了满足时延不敏感、无最低速率要求、传输间隔大和传输频率低的业务需求，其在LTE的基础上对协议栈的各子层以及
各子层的关键技术过程均进行了相应的简化，而其中用于实现用户设备(User Equipment，UE)初始接入网络和上行同步的随
机接入过程也包含在内
[9-10]
。在NB-IoT系统中，使用随机接入的目的与LTE类似，同样是当UE建立无线链路时用于实现初始
接入和上行同步。然而，由于NB-IoT这一技术所面向的业务需求，以至于随机接入过程的发起频率是非常低的。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随机接入过程的应用场景
在NB-IoT中，与LTE类似，UE同样是在空闲模式和连接模式下进行随机接入过程，但是NB-IoT在R13(Release 13)中仅支
持基于竞争的随机接入以及在下行数据到达情况下由PDCCH order触发的随机接入
[11]
。除此之外，它还不支持PUCCH信道
以及切换功能，因此在NB-IoT系统中触发随机接入的相关应用场景也被简化成如下4种
[12-13]
：(1)无线资源控制(Radio
Resource Control，RRC)空闲状态下的初始接入过程；(2)RRC连接重建过程；(3)RRC连接状态下，接收下行数据时(上行失
步)；(4)RRC连接状态下，发送上行数据时(上行失步或者触发调度请求时)。
在上述应用场景中，仅只有第1种场景是在空闲模式下进行随机接入过程，余下的3种场景都是在连接模式下进行随机接入
过程，并且4种场景触发的随机接入都是基于竞争的方式。
2 随机接入过程的四个步骤随机接入过程的四个步骤
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
[14-15]
：(1)UE发送随机接入前导(消息1)；(2)UE接收网
络端发送的随机接入响应(消息2)；(3)UE发送Msg3(消息3)；(4)竞争解决(消息4)。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详细的分析。
2.1 随机接入随机接入PRACH资源和前导的选择与发送资源和前导的选择与发送
在NB-IoT系统中，UE发送随机接入前导之前需先确定PRACH资源。而PRACH资源的选择可分为两种：一种是由基站
(eNB)明确指示的PRACH资源；另一种是由UE所选择的PRACH资源。而由UE选择的PRACH资源不同于LTE，NB-IoT UE是
根据其相应的覆盖等级而进行PRACH资源的选择，其中NB-IoT一共定义了3个覆盖等级，分别为level 0、level 1、level 2，并
且每个覆盖等级配有相对应的PRACH资源配置参数，其中配置参数通过系统信息块中的SIB2-NB下发给UE，并提供在
nprach-ParametersList中，主要包括[16]：PRACH重复次数(由参数numRepetitionsPerPreambleAttempt确定)、PRACH时域
资源(包含周期：nprach-Periodicity、起始子帧位置：nprach-StartTime等参数)和PRACH频域资源(包含子载波偏置量：
nprach-SubcarrierOffset、子载波个数：nprach-NumSubcarriers等参数)以及用于前导(preamble)重复传输的两个参数，即：
发送preamble的最大次数(maxNumPreambleAttemptCE)、每个preamble的最大尝试次数
(numRepetitionsPerPreamblePreambleAttempt)，同时UE所处覆盖等级是基于下行链路测量(例如：参考信号接收功率
(RSRP))以及其门限参数而进行判决的。
确定PRACH资源之后，进行随机接入前导的选择，而前导的选择与确定PRACH资源一样，同样也可分为eNB明确指示和
UE选择。eNB明确指示的前导与LTE不同，由于NB-IoT目前在R13中不支持非竞争模式的随机接入，因此只有在上述提到的
场景3的情况下由PDCCH order触发随机接入才会明确指示前导。如果前导是由eNB所指示的，则UE根据PDCCH order中携
带基站所指定的子载波序号(ra-PreambleIndex)以及当前覆盖等级的基站指定的PRACH资源来设定前导。即前导被设为
nprach-SubcarrierOffset+(ra-PreambleIndex modulo nprach-NumSubcarriers)，其中nprach-SubcarrierOffset和nprach-
NumSubcarriers是当前覆盖等级的基站指定的PRACH资源的参数。而由UE选择的前导也不同于LTE，在NB-IoT中的随机接
入前导序列将没有组A和组B之分，并且不需要Zadoff-Chu序列来生成，而是由5个符号组成，并且含有4个由5个符号所组成
的Symbol Groups，同时全部符号组的序列都采用默认全1的方式进行配置，因此选择的preamble时先选择符号组，然后在符
号组中选择preamble，并且选择的preamble都将是为1的序列符号。随机接入资源选择的具体流程如图1所示。
weixin_38606019
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