LTE上行定時(shí)技術(shù)

上行定時(shí)提前〔UplinkTimingAdvance〕本文將介紹LTE中的上行同步過(guò)程。主要涉及：1〕為何需要上行同步；2〕eNodeB如何測(cè)量上行定時(shí)提前量并下發(fā)TimingAdvanceCommand；3〕eNodeB和UE如何判斷上行失步〔eNodeB側(cè)只會(huì)做一些原理性的介紹，不同廠家的實(shí)現(xiàn)可能不同〕。上行傳輸?shù)囊粋€(gè)重要特征是不同UE在時(shí)頻上正交多址接入〔orthogonalmultipleaccess〕，即來(lái)自同一小區(qū)的不同UE的上行傳輸之間互不干擾。為了保證上行傳輸?shù)恼恍裕乐剐^(qū)內(nèi)〔intra-cell〕干擾，eNodeB要求來(lái)自同一子幀但不同頻域資源〔不同的RB〕的不同UE的信號(hào)到達(dá)eNodeB的時(shí)間根本上是對(duì)齊的。eNodeB只要在CP〔CyclicPrefix〕范圍內(nèi)接收到UE所發(fā)送的上行數(shù)據(jù)，就能夠正確地解碼上行數(shù)據(jù)，因此上行同步要求來(lái)自同一子幀的不同UE的信號(hào)到達(dá)eNodeB的時(shí)間都落在CP之內(nèi)。為了保證接收側(cè)〔eNodeB側(cè)〕的時(shí)間同步，LTE提出了上行定時(shí)提前〔UplinkTimingAdvance〕的機(jī)制。在UE側(cè)看來(lái)，timingadvance本質(zhì)上是接收到下行子幀的起始時(shí)間與傳輸上行子幀的時(shí)間之間的一個(gè)負(fù)偏移〔negativeoffset〕。eNodeB通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂泼總€(gè)UE的偏移，可以控制來(lái)自不同UE的上行信號(hào)到達(dá)eNodeB的時(shí)間。對(duì)于離eNodeB較遠(yuǎn)的UE，由于有較大的傳輸延遲，就要比離eNodeB較近的UE提前發(fā)送上行數(shù)據(jù)。圖1：上行傳輸?shù)膖iming對(duì)齊圖1的(a)中指出了不進(jìn)行上行定時(shí)提前所造成的影響。從圖1的(b)中可以看出，eNodeB側(cè)的上行子幀和下行子幀的timing是相同的，而UE側(cè)的上行子幀和下行子幀的timing之間有偏移。同時(shí)可以看出：不同UE有各自不同的uplinktimingadvance，也即unlinktimingadvance是UE級(jí)的配置。前面介紹了為什么需要做uplinktimingadvance，接下來(lái)我們來(lái)介紹eNodeB如何測(cè)量上行信號(hào)以得到每個(gè)UE的上行定時(shí)提前量以及如何下發(fā)TimingAdvanceCommand給UE。

eNodeB通過(guò)兩種方式給UE發(fā)送TimingAdvanceCommand：

1〕在隨機(jī)接入過(guò)程，eNodeB通過(guò)測(cè)量接收到preamble來(lái)確定timingadvance值，并通過(guò)RAR的TimingAdvanceCommand字段〔共11bit，對(duì)應(yīng)TA索引值的范圍是0~1282〕發(fā)送給UE。圖2：MACRAR上行同步的粒度為〔0.52s〕。對(duì)于隨機(jī)接入而言，值乘以，就得到相對(duì)于當(dāng)前上行timing所需的實(shí)際調(diào)整值〔單位為〕。關(guān)于，見(jiàn)36.211的第4章。上行timing的不確定性正比于小區(qū)半徑，每1km有大約6.7μs的傳輸延遲〔6.7μs/km〕，LTE中小區(qū)最大半徑為100km，故最大傳輸延遲接近0.67ms。上行同步的粒度為〔0.52s〕，故的最大值約為(0.67*1000)/0.52≈1288?！驳淖畲笾禐?282，應(yīng)該是更精確的計(jì)算，但計(jì)算方法就是這樣的，當(dāng)然還要將解碼時(shí)間考慮在內(nèi)〕我稱這個(gè)過(guò)程為“初始上行同步過(guò)程〞。

2〕在RRC_CONNECTED態(tài)，eNodeB需要維護(hù)timingadvance信息。雖然在隨機(jī)接入過(guò)程中，UE與eNodeB取得了上行同步，但上行信號(hào)到達(dá)eNodeB的timing可能會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化：高速移動(dòng)中的UE，例如運(yùn)行中的高鐵上的UE，其與eNodeB的傳輸延遲會(huì)不斷變化；當(dāng)前傳輸路徑消失，切換到新的的傳輸路徑。例如在建筑物密集的城市，走到建筑的轉(zhuǎn)角時(shí)，這種情況就很可能發(fā)生；UE的晶振偏移，長(zhǎng)時(shí)間的偏移累積可能導(dǎo)致上行定時(shí)出錯(cuò)；由于UE移動(dòng)而導(dǎo)致的多普勒頻移等。因此，UE需要不斷地更新其上行定時(shí)提前量，以保持上行同步。LTE中，eNodeB使用一種閉環(huán)機(jī)制來(lái)調(diào)整上行定時(shí)提前量。

eNodeB基于測(cè)量對(duì)應(yīng)UE的上行傳輸來(lái)確定每個(gè)UE的timingadvance值。因此，只要UE有上行傳輸，eNodeB就可以用來(lái)估計(jì)timingadvance值。理論上，UE發(fā)送的任何信號(hào)〔SRS/DMRS/CQI/ACK/NACK/PUSCH等〕都可用于測(cè)量timingadvance。如果某個(gè)特定UE需要校正，那么eNodeB會(huì)發(fā)送一個(gè)Timing

AdvanceCommand給該UE，要求其調(diào)整上行傳輸timing。該Timing

AdvanceCommand是通過(guò)Timing

AdvanceCommand

MACcontrolelement發(fā)送給UE的。

Timing

AdvanceCommand

MACcontrolelement由LCID值為11101〔見(jiàn)36.321的〕的MACPDUsubhead指示，且其結(jié)構(gòu)如下〔R表示預(yù)留bit，設(shè)為0〕：圖3：TimingAdvanceCommandMACcontrolelement可以看出，TimingAdvanceCommand字段共6bit，對(duì)應(yīng)TA索引值的范圍是0~63。

UE側(cè)會(huì)保存最近一次timingadvance調(diào)整值，當(dāng)UE收到新的TimingAdvanceCommand而得到后，會(huì)計(jì)算出最新的timingadvance調(diào)整值〔單位為〕。我稱這個(gè)過(guò)程為“上行同步更新過(guò)程〞。如果UE在子幀n收到TimingAdvanceCommand，那么UE會(huì)從子幀n+6開(kāi)始應(yīng)用該timing調(diào)整值。如果UE在子幀n和子幀n+1發(fā)送的PUCCH/PUSCH/SRS由于timing調(diào)整的原因出現(xiàn)重疊，那么UE將完全發(fā)送子幀n的內(nèi)容，而不發(fā)送子幀n+1中重疊的局部。

UE收到TimingAdvanceCommand后，會(huì)調(diào)整PCell的PUCCH/PUSCH/SRS的上行發(fā)送時(shí)間。而SCell的PUSCH/SRS〔SCell不發(fā)送PUCCH〕的上行發(fā)送時(shí)間調(diào)整量與PCell相同。〔見(jiàn)36.213的節(jié)〕從上面的介紹可以看出，PCell和SCell共用一條TimingAdvanceCommand在載波聚合中，UE可能需要往多個(gè)小區(qū)〔或稱為componentcarrier〕發(fā)送上行數(shù)據(jù)，在理論上，由于不同小區(qū)的物理位置〔inter-bandCA〕可能不同，每個(gè)小區(qū)都需要給該UE發(fā)送各自的TimingAdvanceCommand。但是這種類型的部署并不常見(jiàn)，載波聚合的小區(qū)通常物理位置上相近且同步，因此為了簡(jiǎn)化LTE的設(shè)計(jì)，所有聚合的小區(qū)共用一條timingadvancecommand。前面已經(jīng)介紹過(guò)，上行定時(shí)提前的調(diào)整量是相對(duì)于接收到的下行子幀的timing的，因此在UE沒(méi)有收到TimingAdvanceCommand的時(shí)候，UE需要跟蹤下行timing的變化，以便自動(dòng)調(diào)整上行傳輸?shù)膖iming?！苍斠?jiàn)36.133的節(jié)〕接下來(lái)，我們介紹UE在MAC層如何判斷上行同步/失步〔詳見(jiàn)36.321的5.2節(jié)〕：

eNodeB會(huì)通過(guò)RRC信令給UE配置一個(gè)timer〔在MAC層，稱為timeAlignmentTimer〕，UE使用該timier在MAC層確定上行是否同步。需要注意的是：該timer有Cell-specific級(jí)別和UE-specific級(jí)別之分。eNodeB通過(guò)SystemInformationBlockType2的timeAlignmentTimerCommon字段來(lái)配置的Cell-specific級(jí)別的timer；eNodeB通過(guò)MAC-MainConfig的timeAlignmentTimerDedicated字段來(lái)配置UE-specific級(jí)別的timer。如果UE配置了UE-specific的timer，那么UE使用該timer值，否那么UE使用Cell-specific的timer值。當(dāng)UE收到TimingAdvanceCommand〔來(lái)自RAR或TimingAdvanceCommandMACcontrolelement〕，UE會(huì)啟動(dòng)或重啟該timer。如果該timer超時(shí)，那么認(rèn)為上行失步，UE會(huì)清空HARQbuffer，通知RRC層釋放PUCCH/SRS，并清空任何配置的DLassignment和ULgrant。當(dāng)該timer在運(yùn)行時(shí)，UE認(rèn)為上行是同步的；而當(dāng)該timer沒(méi)有運(yùn)行，即上行失步時(shí)，UE在上行只能發(fā)送preamble。還有一種情況下，UE認(rèn)為上行同步狀態(tài)由“同步〞變?yōu)椤安煌建暎悍峭紿andover。最后，我們介紹eNodeB是如何處理UE的上行同步呢？由于不同的廠商實(shí)現(xiàn)方式可能不同，這里只介紹一些可借鑒的做法?！?〕由于UE必須在timeAlignmentTimer超時(shí)之前接收到TimingAdvanceCommand，否那么會(huì)認(rèn)為上行失步。所以eNodeB需要保證在該timer時(shí)間范圍內(nèi)〔通常要比該timer小，因?yàn)橐A(yù)留一些時(shí)間給傳輸延遲和UE編解碼等〕給UE發(fā)送TimingAdvanceCommand，以便UE更新上行定時(shí)并重啟該timer。所以eNodeB必須保存最近一次成功地給該UE發(fā)送了TimingAdvanceCommand〔即eNodeB收到了對(duì)應(yīng)下行傳輸?shù)腁CK〕的子幀號(hào)，以便計(jì)算該時(shí)間范圍?！?〕從〔1〕中可以看出，在eNodeB側(cè)在MAC層也應(yīng)該為每個(gè)UE維護(hù)一個(gè)類似timeAlignmentTimer的timer，以保證在該timer超時(shí)之前給UE發(fā)送TimingAdvanceCommand。eNodeB何時(shí)啟動(dòng)/重啟該timer呢？個(gè)人認(rèn)為可以在UE隨機(jī)接入成功中后啟動(dòng)，并在收到對(duì)應(yīng)TimingAdvanceCommandMACcontrolelement的ACK/NACK后重啟。注意timer的起始位置應(yīng)該從最近一次成功地給該UE發(fā)送了TimingAdvanceCommand的子幀〔而不是收到對(duì)應(yīng)ACK的子幀〕?！?〕從上面的介紹可以看出，UE在子幀n收到TimingAdvanceCommand后，會(huì)從子幀n+6才開(kāi)始應(yīng)用該timing調(diào)整值。也就是說(shuō)，eNodeB在子幀n發(fā)送了某個(gè)UE的TimingAdvanceCommand之后，在子幀n+6之前〔不包括n+6子幀〕的時(shí)間內(nèi)，是不會(huì)去測(cè)量該UE的上行timing的?！?〕在子幀n+6之后，eNodeB可能需要測(cè)量多個(gè)上行timing瞬時(shí)值以作平均處理，以便得到最終的調(diào)整量，也就是說(shuō)，eNodeB可能在n+6子幀后的某段時(shí)間內(nèi)，是不會(huì)發(fā)送TimingAdvanceCommand的。當(dāng)測(cè)量完畢后，eNodeB在之后的某個(gè)子幀將Timing

AdvanceCommand

MACcontrolelement發(fā)給UE。〔5〕eNodeB在物理層〔L1層〕應(yīng)該也會(huì)判斷UE在上行是否同步〔具體如何判斷我也不清楚，有位讀者介紹過(guò)該廠家的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，供大家參考：物理層會(huì)根據(jù)UL信號(hào)來(lái)計(jì)算sinr〔也用于估算TA

值〕，如果算出的sinr值過(guò)低，物理層就會(huì)認(rèn)為UL

失步〕，如果不同步，應(yīng)告知MAC層?！碴P(guān)于物理層的處理，我也不是很清楚，就不在這里獻(xiàn)丑了