5G NR 定时提前：从协议信令到算法实现 （1）

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本文作者: wingsofsilence 

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本文内容参考自最新版5G NR协议（update to 2018 3GPP # 92 meeting）。

与定时提前相关的协议章节：

3GPP TS38.211, Chapter 4.3.1, Uplink-downlink timing relation 
3GPP TS38.213, Chapter 4.2, Transmission timing adjustments
3GPP TS38.321, Chapter 6.2.1, MAC header for DL-SCH, UL-SCH and MCH
* 3GPP TS38.321, Chapter 6.2.2, MAC header for Random Access Response
* 3GPP TS38.321, Chapter 6.2.3, MAC payload for Random Access Response

3GPP TS38.321, Chapter 6.1.3.4, Timing Advance Command MAC CE  

(* Timing Advance Command in Random Access Response)

第一部分：定时提前的定义

        定时提前（Timing Advance, TA），用于UE上行传输，指UE根据相应指令提前相应时间发出数据包。 定时提前命令（Timing Advance Command，TAC）, TRP（Transmit-Receive Point, 5G对于基站的新叫法） 通过发送TAC给UE，告知UE定时提前的时间大小。

        上行下行的发送时间关系参见下图（Ref: 3GPP TS 38.211 Chapter 4.3.1）。N_TA 是UE在TAC中解析出来的测量量，N_TA, offset是根据不同的频段、子载波间隔而变化的定值，具体数值参考 3GPP TS38.133 Chapter 7.1。

        在 LTE-A 的 Release 11 版本中，因为载波聚合， UE支持的不同载波（包括一个主载波，其余为辅载波），允许具有不同的 TA值，引入定时提前组（Timing Advance Group, TAG）的概念。
        一个TAG可以包括一个或多个服务小区，具有相同的TA数值。如果TAG中包含主小区（Pcell），则称之为主定时提前组；如果只包含辅小区，则称为辅定时提前组（sTAG）。在Rel 11 中，受限于射频，载波聚合最多允许两个下行载波。所以，最多只有两个TAG。

        5G中沿用了TAG的概念。

第二部分：定时提前的必要性

        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，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，避免小区内干扰，TRP要求来自同一子帧但不同频域资源的不同UE的信号到达TRP的时间基本上是对齐的。TRP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TRP的时间都落在CP之内。
        在UE侧看来， TA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）。TRP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TRP的时间。对于离TRP较远的UE，由于有较大的传输延迟，就要比离TRP较近的UE提前发送上行数据。

（参考：   chapter 20.1 ）

        上图中的(a)中指出了不进行上行定时提前所造成的影响。

        从图中的(b)可以看出，TRP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TA值，即TA值是UE级的配置。需要注意的是， 定时提前量是两倍的传输时间量。在有些地方中也被称为RTT（round trip time）， 即往返时间。

        在没有TAG之前，上行载波聚合只能在所有载波的TA值相同时才可以进行。 中继在不同的频段内会引入不同的时延。另外一种典型场景是，为了拥有高吞吐量，一个宏小区（覆盖范围广的地方） 和一个其他频段的小小区（small cell）进行载波聚合。两个小区的天线位置不同，因此TA值差异较大，如下图所示。因此不同的载波需要用到不同的TA。

        其中，根据载波的TA值，UE可以获悉通过该载波发送上行信道需要的时间提前量，以使通过该载波发送的上行信道到达TRP的时间与其设定时间一致，从而完成UE的上行传输时间同步，进而UE可以被TRP调度进行上行传输。实际应用中，根据载波的TA值不同可以将载波分成不同的定时提前组，每一个TAG内的载波的TA值相同。

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