LTE上行定时技术

1、上行定时提前(Uplink Timing Advance )本文将介绍LTE中的上行同步过程。主要涉及：1 )为何需要上行同 步；2 ) eNodeB如何测量上行定时提前量并下发Timing Advance Command ； 3 ) eNodeB和UE如何判断上行失步(eNodeB侧只会做一 些原理性的介绍，不同厂家的实现可能不同)。上行传输的一个重要特征是不同UE在时频上正交多址接入(orthogonal multiple access)，即来自同一小区的不同UE的上行传输 之间互不干扰。为了保证上行传输的正交性，避免小区内(intra-cell )干扰,eNodeB 要求来自同一子帧但不

2、同频域资源(不同的RB )的不同UE的信号到达 eNodeB的时间基本上是对齐的。eNodeB只要在CP( Cyclic Prefix )范 围内接收到UE所发送的上行数据，就能够正确地解码上行数据，因此上 行同步要求来自同一子帧的不同UE的信号到达eNodeB的时间都落在CP 之内。为了保证接收侧(eNodeB侧)的时间同步，LTE提出了上行定时提 前(Uplink Timing Advance )的机制。在 UE 侧看来， timing advance 本质上是接收到下行子帧的起始时间 与传输上行子帧的时间之间的一个负偏移(negative offset )。eNodeB 通过适当地控制每

3、个UE的偏移，可以控制来自不同UE的上行信号到达 eNodeB的时间。对于离eNodeB较远的UE，由于有较大的传输延迟， 就要比离 eNodeB 较近的 UE 提前发送上行数据。DL &yfnbol limir art sNBU1 Eransmilted symbol liming:(b)QL sytHtel nmirg gg rb如吹 净1 U 2砒咻 2DL &yfnbol limir art sNBU1 Eransmilted symbol liming:(b)QL sytHtel nmirg gg rb如吹 净1 U 2砒咻 2召尺轧0帕r丹. snixl props阿m delav

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5、rti图 1：上行传输的 timing 对齐图1的(a)中指出了不进行上行定时提前所造成的影响。从图1的(b)中可以看出，eNodeB侧的上行子帧和下行子帧的timing 是相同的，而 UE 侧的上行子帧和下行子帧的 timing 之间有偏移。同时可以看出：不同UE有各自不同的uplink timing advance，也即 unlink timing advance 是 UE 级的配置。前面介绍了为什么需要做uplink timing advance，接下来我们来介绍 eNodeB如何测量上行信号以得到每个UE的上行定时提前量以及如何下 发 Timing Advance Command 给

6、UE。eNodeB 通过两种方式给 UE 发送 Timing Advance Command：1在随机接入过程,eNodeB通过测量接收到preamble来确定timing advance 值，并通过 RAR 的 Timing Advance Command 字段(共 11 bit， 对应TA索引值的范围是01282 )发送给UE。图 2：MAC RAR上行同步的粒度为16厂（0.52圈）。对于随机接入而言，丁:值乘以 16厂，就得到相对于当前上行timing所需的实际调整值 丫二二兀16 （单位为厂）。关于厂，见36.211的第4章。上行timing的不确定性正比于小区半径，每1 km有大约

7、6.7ps的传 输延迟（6.7ps / km ），LTE中小区最大半径为100 km，故最大传输延 迟接近0.67 ms。上行同步的粒度为16厂（0.52囲），故丁:的最大值约 为（0.67 * 1000）/0.52 =1288。（ 的最大值为1282，应该是更精确的 计算，但计算方法就是这样的，当然还要将解码时间考虑在内）我称这个过程为“初始上行同步过程”。2 ）在 RRC_CONNECTED 态，eNodeB 需要维护 timing advance 信 息。虽然在随机接入过程中， UE 与 eNodeB 取得了上行同步，但上行信 号到达 eNodeB 的 timing 可能会随着时间发生变

8、化：高速移动中的UE ,例如运行中的高铁上的UE ,其与eNodeB的 传输延迟会不断变化；当前传输路径消失,切换到新的的传输路径。例如在建筑物密集的城市,走到建筑的转角时,这种情况就很可能发生；UE 的晶振偏移,长时间的偏移累积可能导致上行定时出错；由于 UE 移动而导致的多普勒频移等。因此，UE需要不断地更新其上行定时提前量，以保持上行同步。LTE中, eNodeB 使用一种闭环机制来调整上行定时提前量。eNodeB 基于测量对应 UE 的上行传输来确定每个 UE 的 timing advance 值。因此，只要 UE 有上行传输， eNodeB 就可以用来估计 timing advanc

9、e 值。理论上， UE 发送的任何信号（SRS/DMRS/CQI/ACK/NACK/PUSCH 等）都可用于测量 timing advance。如果某个特定UE需要校正则eNodeB会发送一个Timing Advance Command给该UE ,要求其调整上行传输timing。该Timing Advance Command 是通过 Timing Advance Command MAC control element发 送给 UE 的。Timing Advance Command MAC control element 由 LCID 值为 11101（见 36.321 的 Table 6.2.

10、1-1）的 MAC PDU subhead 指示，且其结构 如下（R表示预留bit，设为0 ）:RRTiming Advance CommandOct 1Figure 6.1.3.5-1: Timing Advance Command MAC control element图 3:Timing Advance Command MAC control element可以看出，Timing Advance Command字段共6 bit，对应TA索引值一：的范围是063。UE侧会保存最近一次timing advance调整值二匕c,当UE收到新的 Timing Advance Command新的

11、Timing Advance Command而得到丄一：后，会计算出最新的timingadvance调整值:广心兀-31戸16 （单位为气）。我称这个过程为“上行同步更新过程”。如果UE在子帧n收到Timing Advance Command，则UE会从子帧n + 6 开始应用该 timing 调整值。如果UE在子帧n和子帧n + 1发送的PUCCH/PUSCH/SRS由于 timing调整的原因出现重叠，则UE将完全发送子帧n的内容，而不发送 子帧 n + 1 中重叠的部分。UE 收到 Timing Advance Command 后，会调整 PCell 的 PUCCH/PUSCH/SRS

12、的上行发送时间。而 SCell 的 PUSCH/SRS（ SCell 不发送PUCCH ）的上行发送时间调整量与PCell相同。（见36.213的4.2.3 节）从上面的介绍可以看出，PCell和SCell共用一条Timing Advance Command 在载波聚合中， UE 可能需要往多个小区（或称为 component carrier ）发送上行数据，在理论上，由于不同小区的物理位置（inter-band CA ）可能不同，每个小区都需要给该UE发送各自的Timing Advance Commando但是这种类型的部署并不常见，载波聚合的小区通常物理位置上相近且同步，因此为了简化LTE

13、的设计，所有聚合的小区共用一条timing advance commando前面已经介绍过，上行定时提前的调整量是相对于接收到的下行子帧 的 timing 的，因此在 UE 没有收到 Timing Advance Command 的时候， UE需要跟踪下行timing的变化，以便自动调整上行传输的timingo（详 见 36.133 的 7.1.2 节）接下来，我们介绍UE在MAC层如何判断上行同步/失步（详见36.321 的 5.2 节）：eNodeB会通过RRC信令给UE配置一个timer （在MAC层，称为 timeAlignmentTimer） ,UE使用该timier在MAC层确定上

14、行是否同步。需要注意的是：该timer有Cell-specific级别和UE-specific级别之 分。eNodeB 通过 SystemInformationBlockType；的 timeAlignmentTimerCommo字段来配置的 Cell-specific 级别的 timer ； eNodeB 通过 MAC-MainConfig的 timeAlignmentTimerDedicate字段 来配置 UE-specific 级别的 timero如果UE配置了 UE-specific的timer，则UE使用该timer值，否则 UE 使用 Cell-specific 的 timer 值

15、。当 UE 收到 Timing Advance Command 来自 RAR 或 Timing Advance Command MAC control element ）, UE 会启动或重启该 timer。如果该 timer超时，则认为上行失步，UE会清空HARQ buffer，通知RRC层 释放PUCCH/SRS，并清空任何配置的DL assignment和UL grant。当该 timer 在运行时， UE 认为上行是同步的；而当该 timer 没有运 行，即上行失步时， UE 在上行只能发送 preamble。还有一种情况下， UE 认为上行同步状态由“同步”变为“不同步”：非同步 H

16、andover。最后，我们介绍 eNodeB 是如何处理 UE 的上行同步呢？由于不同的 厂商实现方式可能不同，这里只介绍一些可借鉴的做法。（1）由于UE必须在timeAlignmentTimer超时之前接收到Timing Advance Command，否则会认为上行失步。所以eNodeB需要保证在该 timer 时间范围内（通常要比该 timer 小，因为要预留一些时间给传输延 迟和 UE 编解码等）给 UE 发送 Timing Advance Command ，以便 UE 更 新上行定时并重启该timer。所以eNodeB必须保存最近一次成功地给该 UE发送了 Timing Advanc

17、e Command （即eNodeB收到了对应下行传输 的ACK ）的子帧号，以便计算该时间范围。（ 2）从（ 1）中可以看出，在 eNodeB 侧在 MAC 层也应该为每个 UE 维护一个类似timeAlignmentTime啲timer，以保证在该timer超时之 前给 UE 发送 Timing Advance Command。 eNodeB 何时启动/重启该 timer呢？个人认为可以在UE随机接入成功中后启动，并在收到对应 Timing Advance Command MAC control element的 ACK/NACK 后重启。 注意timer的起始位置应该从最近一次成功地给该

18、UE发送了 Timing Advance Command 的子帧（而不是收到对应 ACK 的子帧）。（3 ）从上面的介绍可以看出，UE在子帧n收到Timing Advance Command后，会从子帧n + 6才开始应用该timing调整值。也就是说， eNodeB 在子帧 n 发送了某个 UE 的 Timing Advance Command 之后，在 子帧n + 6之前（不包括n + 6子帧）的时间内，是不会去测量该UE的上 行 timing 的。（4 ）在子帧n + 6之后，eNodeB可能需要测量多个上行timing瞬时 值以作平均处理，以便得到最终的调整量，也就是说，eNodeB可能在n + 6子帧后的某段时间内，是不会发送Timing Advance Command的。当测 量完毕后， eNodeB 在之后的某个子帧将 Timing AdvanceCommand MAC control element 发给 UE。（5 ）eNodeB在物理层（L1层）应该也会判断UE在上行是否同步（具 体如何判断我也不清楚，有位读者介绍过该厂家的实现机制，供大家参考： 物理层会根据UL信号来计算sinr（也用于估算TA值），如果算出的sinr 值过低，