主頁(yè)（http://www.130131.com）：技術(shù)篇:LTE的上行同步過程

本文將介紹LTE的上行同步過程，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)Timing Advance Command；

（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（orthogonal multiple access），即來自同一小區(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�交性，避免小區(qū)內(nèi)（intra-cell）干擾，eNodeB要求來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)間基本上是對(duì)齊的。eNodeB只要在循環(huán)前綴（Cyclic Prefix）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自同一子幀的不同UE的信號(hào)到達(dá)eNodeB的時(shí)間都落在循環(huán)前綴范圍之內(nèi)。

為了保持使用不同循環(huán)移位的上行參考信號(hào)之間的正交性，也要求接收到的上行參考信號(hào)必須是時(shí)間對(duì)齊的，這也是需要使用上行同步，以保證同一小區(qū)的不同UE的上行傳輸在時(shí)間上對(duì)齊的原因。

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（Uplink Timing Advance）的機(jī)制。

在UE側(cè)看來，timing advance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（negative offset）。eNodeB通過適當(dāng)?shù)乜刂泼總�(gè)UE的偏移，可以控制來自不同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18-1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18-1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有各自不同的上行 timing advance，也即上行 timing advance是UE級(jí)的配置。

處于上行失步（OUT_OF_SYNC）狀態(tài)的UE，還是可以接收下行數(shù)據(jù)的，但是不能發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

前面介紹了為什么需要做上行 timing advance，接下來我們來介紹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)Timing Advance Command給UE。

eNodeB通過兩種方式給UE發(fā)送Timing Advance Command

（1）在隨機(jī)接入過程中，eNodeB通過測(cè)量接收到的preamble來確定timing advance值，并通過RAR的Timing Advance Command字段（共11比特，對(duì)應(yīng)TA

索引值的范圍是0~1282）發(fā)送給UE。

上行同步的粒度為

（0.52μs）。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NTA = TA´16（單位為

）。

上行timing的不確定性正比于小區(qū)半徑，每1 km有大約6.7μs的傳輸延遲（6.7μs / km），LTE中小區(qū)最大半徑為100 km，故最大傳輸延遲接近0.67 ms。上行同步的粒度為

（0.52μs），故

的最大值約為(0.67 * 1000)/0.52 ≈1288。（

的最大值為1282，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)過程為“初始上行同步過程”。

（2）在RRC_CONNECTED態(tài)，eNodeB需要維護(hù)timing advance信息。

雖然在隨機(jī)接入過程中，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的上行傳輸來確定每個(gè)UE的timing advance值。因此，只要UE有上行傳輸，eNodeB就可以用來估計(jì)timing advance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timing advance。

如果某個(gè)特定UE需要校正，則eNodeB會(huì)發(fā)送一個(gè)Timing Advance Command給該UE，要求其調(diào)整上行傳輸timing。該Timing Advance Command是通過Timing Advance Command MAC control element發(fā)送給UE的。

Timing Advance Command MAC control element由LCID值為11101（見36.321的Table 6.2.1-1）的MAC PDU subheader指示，且其結(jié)構(gòu)如下（R表示預(yù)留比特，設(shè)為0）：

Figure 6.1.3.5-1: Timing AdvanceCommand MAC control element

可以看出，Timing Advance Command字段共6比特，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timing advance調(diào)整值

，當(dāng)UE收到新的Timing Advance Command而得到后

，會(huì)計(jì)算出最新的timing advance調(diào)整值

（單位為

）。

我稱這個(gè)過程為“上行同步更新過程”。

如果UE在子幀n收到Timing Advance Command，則UE會(huì)從子幀n+6開始應(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，則UE將完全發(fā)送子幀n的內(nèi)容，而不發(fā)送子幀n+1中重疊的部分。

UE收到Timing Advance Command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。

從前面的介紹可以看出，在Rel-10中，PCell和SCell共用一條Timing Advance Command。在載波聚合中，UE可能需要往多個(gè)小區(qū)（或稱為component carrier）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-band CA）可能不同，每個(gè)小區(qū)都需要給該UE發(fā)送各自的Timing Advance Command。但是這種類型的部署并不常見，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timing advance command。

前面已經(jīng)介紹過，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沒有收到Timing Advance Command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。

接下來，我們介紹UE在MAC層如何判斷上行同步/失步：

eNodeB會(huì)通過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SystemInformationBlockType2的timeAlignmentTimerCommon字段來配置的小區(qū)特定級(jí)別的timer；eNodeB通過MAC-MainConfig的timeAlignmentTimerDedicated字段來配置UE特定級(jí)別的timer。

如果UE配置了UE特定的timer，則UE使用該timer值，否則UE使用小區(qū)特定的timer值。

當(dāng)UE收到Timing Advance Command（來自RAR或Timing Advance Command MAC control element），UE會(huì)啟動(dòng)或重啟該timer。如果該timer超時(shí)，則認(rèn)為上行失步，UE會(huì)清空HARQ buffer，通知RRC層釋放PUCCH/SRS，并清空任何配置的DL assignment和UL grant。

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)?ldquo;不同步”：非同步Handover。

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。

（1）由于UE必須在timeAlignmentTimer超時(shí)之前接收到Timing Advance Command，否則會(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�預(yù)留一些時(shí)間給傳輸延遲和UE編解碼等）給UE發(fā)送Timing Advance Command，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Timing Advance Command（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。

（2）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Timing Advance Command。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)Timing Advance Command MAC control element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Timing Advance Command的子幀（而不是收到對(duì)應(yīng)ACK的子幀）。

（3）從上面的介紹可以看出， UE在子幀n收到Timing Advance Command后，會(huì)從子幀n+6才開始應(yīng)用該timing調(diào)整值。也就是說，eNodeB在子幀n發(fā)送了某個(gè)UE的Timing Advance Command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。

（4）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，eNodeB可能在n + 6子幀后的某段時(shí)間內(nèi)，是不會(huì)發(fā)送Timing Advance Command的。當(dāng)測(cè)量完畢后，eNodeB在之后的某個(gè)子幀將Timing Advance Command MAC control element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（例如：物理層會(huì)根據(jù)UL信號(hào)來計(jì)算SINR（也用于估算TA° 值），如果算出的SINR值過低，物理層就會(huì)認(rèn)為UL°失步），如果上行不同步，應(yīng)告知MAC層。