LTE：上行定时提前（一）

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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。

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0~1282）发送给UE。

图2：MAC RAR

      上行同步的粒度为（0.52 ms）。对于随机接入而言，值乘以，就得到相对于当前上行timing所需的实际调整值（单位为）。关于，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6.7μs的传输延迟（6.7μs / 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（0.52 ms），故的最大值约为(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 advance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 6.2.1-1）的MAC PDU subhead指示，且其结构如下（R表示预留bit，设为0）：

图3：Timing Advance Command MAC control element

      可以看出，Timing Advance Command字段共6 bit，对应TA索引值的范围是0~63。

      UE侧会保存最近一次timing advance调整值，当UE收到新的Timing Advance Command而得到后，会计算出最新的timing advance调整值（单位为）。

      我称这个过程为“上行同步更新过程”。

最后

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