LTE网络中TA的概念及距离计算

在GSM网络中，1TA表征的距离大约在550m，那么在LTE网络中TA命令对应距离是如何计算?

（在LTE网络中有一个最基本的时间单元:Ts,无线帧长（=307200*Ts)、时隙长度(=15360*Ts)、循环前缀长度(=144*Ts或者512*Ts)都是通过TS定义的。那么Ts值是多少呢？下面等式明确给出了Ts的定义。

Ts =1/（15000*2048) 单位是：秒

计算结果大约时间为32.6纳秒。规范中定义了Ts公式，Ts的含义如下。

LTE系统中OFDM符号生成所采用的FFT SIZE为2048（以20MHZ带宽为例），采样频率为15kHz，那么20M带宽的采样率=15kHz*2048=3.072MHz,这样Ts可以理解为OFDM符号的采样周期，即一个OFDM符号的周期为Ts=1/15000*2048 ）

* 首先，TA表征的是UE与天线端口之间的距离。

1Ts对应的时间提前量距离等于：(3*10^8*1/(15000*2048))/2=4.89m。含义就是距离=传播速度（光速）*1Ts/2(上下行路径和）。TA命令值对应的距离都是参照1Ts来计算的。

* 在随机接入过程中：

eNodeB测量到上行PRACH前导序列，在RAR（随机接入响应）的MAC payload中携带11bit 信息，TA的范围在0～1282之间，根据RAR（随机接入响应）中TA值，UE调整上行发射时间

Nta=TA*16Ts，值恒为正。

例如：TA=1，那么Nta=1*16Ts,表征的距离为16*4.89m=78.12m，同时可以计算得到在初始接入阶段，UE与网络的最大接入距离=1282*78.12m=100.156km。

* 在业务进行中：

周期性的TA命令在Mac层的信息为6bit，即TA的范围在0～63之间。

TA命令表征Nta的调整量。Nta_新 = Nta_旧 +（TA-31）*16，时间提前量值可能为正或负。

例如：TA=30，那么Nta_新 = Nta_旧 +（30-31）*16Ts，距离等于-1*16*4.89m=-78.12m 根据公式可以算出最小的TA距离为-31*16*4.89m=-2.42Km，最大TA距离为32*16*4.89m=2.5Km。

参考文献：3GPP 36.213-4.2.3

1. What is TA

UE从网络侧接收TA命令，调整上行PUCCH/PUSCH/SRS的发射时间，目的是为了消除UE之间不同的传输时延，使得不同UE的上行信号到达eNodeB的时间对齐，保证上行正交性，降低小区内干扰。

TA: Timing Advance, 定时提前，一般用于UE上行传输，指为了将UE上行包在希望的时间到达eNB，预估由于距离引起的射频传输时延，提前相应时间发出数据包。

TAC: Timing Advance Command，定时提前命令，eNB通过发送TAC给UE，告知UE定时提前的时间大小。

2. Why need TA

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(a)中指出了不进行上行定时提前所造成的影响。

从图1(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uplinktiming advance，也即unlink timing advance是UE级的配置。

3. How measure TA

eNodeB通过测量UE的上行传输来确定每个UE的timingadvance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timingadvance。

在随机接入过程中，eNodeB通过测量接收到的preamble来确定timing advance 值。

4. When send TA

上行同步的粒度为16Ts（0.52 ms）。关于Ts，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Ts（0.52 ms），故TA的最大值约为(0.67 * 1000)/0.52 ≈1288。（TA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）eNodeB通过两种方式给UE发送TimingAdvance Command：

1. 在随机接入过程，通过RAR的Timing Advance Command字段发送给UE

这中情况下，eNodeB通过测量接收到的preamble来确定timing advance值，RAR 的Timing Advance Command字段共11 bit，对应TA索引值的范围是0~1282。

图2 MAC RARfeild

对于随机接入而言，TA值乘以16Ts，就得到相对于当前上行timing所需的实际调整值NTA=TA*16（单位为Ts）。

我称这个过程为“初始上行同步过程”。

2. 在RRC_CONNECTED态，通过TAC MACCE发送TA给UE

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timingadvance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timingadvance。

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 controlelement由LCID值为11101（见36.321的）的MAC PDU subhead指示，且其结构如下（R表示预留bit，设为0）：

图3：TimingAdvance Command MAC control element

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

UE侧会保存最近一次timing advance调整值NTA,old，当UE收到新的Timing Advance Command而得到TA后，会计算出最新的timing advance调整值

NTA,new = NTA,old + (TA-31) * 16 （单位为Ts）。

我称这个过程为“上行同步更新过程”。

5. Related paramters

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SystemInformationBlockType2的timeAlignmentTimerCommon字段来配置的

Cell-specific级别的timer；eNodeB通过MAC-MainConfig的timeAlignmentTimerDedicated字段来配置UE-specific级别的timer。

6. UE behavior

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 Command。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的设计，所有聚合的小区共用一条timing advance command。

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timing。（详见36.133的7.1.2节）

7. Out of sync

UE在MAC层如何判断上行同步/失步（详见36.321的5.2节）：

eNB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SystemInformationBlockType2的timeAlignmentTimerCommon字段来配置的

Cell-specific级别的timer；eNodeB通过MAC-MainConfig的timeAlignmentTimerDedicated字段来配置UE-specific级别的timer。

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。

当UE收到Timing Advance Command（来自RAR或Timing Advance Command MAC controlelement），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Handover。8. eNB implementation

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 Advance 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timeAlignmentTimer的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 controlelement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 Advance Command 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，物理层就会认为UL 失步），如果不同步，应告知MAC层。