趙季紅，韓海芳，曲 樺

（1.西安郵電大學通信與信息工程學院 西安710061；2.西安交通大學電子與信息工程學院 西安710049）

1 引言

3 GPP組織協(xié)議TS 36.300中指出：無線接納控制是對新的無線承載請求進行判決以決定是否接納[1]。隨著通信技術的發(fā)展，用戶對業(yè)務質量的要求越來越高，同時，對服務質量也越加敏感。用戶希望能夠隨時隨地快捷地接入網(wǎng)絡中，并且享受低時延、高速率、無縫切換等優(yōu)質服務，這就要求移動通信系統(tǒng)提供相應的服務質量保障[2]。但是，移動通信系統(tǒng)的無線資源是有限的，如果接入過多用戶會導致用戶服務質量降低，所以合理的呼叫接納控制方法是解決有限的無線資源與用戶高服務質量要求這對矛盾的關鍵。目前，接納控制的主要策略有完全共享策略、完全區(qū)分策略、自適應帶寬預留方案和固定帶寬預留方案[3]。這些策略能在一定程度上降低新用戶的呼損率和切換用戶的掉話率，但是不能完全滿足用戶對通信質量的需求。

隨著無線通信技術的發(fā)展，LTE-Advanced（以下簡稱LTE-A）系統(tǒng)引入了載波聚合（carrier aggregation，CA）、多用戶MIMO（multi-input multi-output）、多點協(xié)同傳輸（coordinated multi point transmission，CoMP）和中繼站（relay node，RN）等新技術，其中中繼站的引入不僅能夠擴展網(wǎng)絡覆蓋，還能提高網(wǎng)絡容量且中繼站通常使位于小區(qū)邊緣的用戶受益[4]。中繼站的引入使得LTE-A系統(tǒng)演變?yōu)長TE-A中繼系統(tǒng)，其接納控制方法是固定帶寬預留方案。該方案的特點是為切換業(yè)務預留部分資源，新呼叫和切換呼叫競爭使用共享資源，預留資源僅供切換呼叫使用，但是當新用戶到達率較高時，容易造成新用戶阻塞率的增加，并且在實際的通信系統(tǒng)中，用戶是隨機產(chǎn)生的，有可能在某一地區(qū)產(chǎn)生大量的用戶，而該部分的系統(tǒng)資源不夠用戶使用，這樣會導致系統(tǒng)的接納率下降[5]。為了規(guī)避此種現(xiàn)象，降低新用戶的阻塞率，本文在LTE-A中繼系統(tǒng)中對固定帶寬預留方案進行改進，提出了LTE-A中繼系統(tǒng)基于資源共享的呼叫接納控制方法。在該方法中，用戶通過小區(qū)內某一站點請求接入系統(tǒng)，如果該站點內的新用戶和切換用戶共享資源已經(jīng)被使用完，切換用戶可以使用該站點為切換用戶預留的資源接入系統(tǒng)，而新用戶則可以通過該站點所在小區(qū)內的站點間資源共享成功后接入系統(tǒng)。這種改進方法不僅降低了新用戶的阻塞率和切換用戶的掉話率，而且提高了系統(tǒng)的資源利用率。

2 算法描述

2.1 系統(tǒng)模型

本文中的系統(tǒng)模型如圖1所示。

每個小區(qū)有7個站點，包括1個eNB和6個中繼站。eNB位于小區(qū)的中心，6個中繼站均勻放在距離小區(qū)中心（eNB）2/3半徑處的圓上，eNB和中繼站都采用全向天線。由于中繼站的發(fā)射功率小于eNB的發(fā)射功率，所以中繼站的覆蓋范圍小于eNB的覆蓋范圍，用戶根據(jù)接收到的各個站點的信干噪比選擇通過eNB接入系統(tǒng)還是通過某一中繼站接入系統(tǒng)。eNB承擔系統(tǒng)40%的負荷，各個中繼站承擔系統(tǒng)10%的負荷。

圖1 系統(tǒng)模型

2.2 算法描述

[2]中已經(jīng)指出，接納控制需要處理兩種類型的用戶發(fā)起的連接請求，一種是新用戶發(fā)起的連接請求，另一種是切換用戶發(fā)起的連接請求。其中新用戶發(fā)起的連接請求是由當前小區(qū)中的用戶發(fā)起的連接，切換用戶的連接請求是由其他小區(qū)中的移動用戶發(fā)起的，這屬于用戶因移動性需要切換到當前小區(qū)中的連接請求。因此，在研究接納控制算法時，系統(tǒng)用戶請求只包括新用戶和切換用戶的連接請求。又因為通話中斷比呼叫阻塞更讓人難以接受，所以在呼叫接納控制中切換呼叫要比新呼叫具有更高的優(yōu)先級別[6]。本算法的判決依據(jù)是當前系統(tǒng)負荷狀態(tài)，不采用預測機制，即不考慮如果準入該用戶請求是否會導致系統(tǒng)負荷過高。WCDMA的商用經(jīng)驗已經(jīng)證明追求精確的預測機制只能帶來復雜度提高和更多的臨界點異常，在最終效果上不會比不預測的效果更好[7]。

本文中，首先為各個站點設置了兩類門限，一類是拒絕門限，另一類是新用戶有償接入門限。拒絕門限是站點所有業(yè)務都拒絕接入的門限，是站點最大業(yè)務量的95%；新用戶有償接入門限實際上是站點為切換用戶預留的帶寬資源門限，是站點最大業(yè)務量的80%。對于每個站點而言，新用戶有償接入門限小于拒絕門限。中繼站的拒絕門限是中繼站最大業(yè)務量的95%，中繼站的新用戶有償接入門限是中繼站最大業(yè)務量的80%；eNB的拒絕門限是eNB最大業(yè)務量的95%，eNB的新用戶有償接入門限是eNB最大業(yè)務量的80%。

LTE-A中繼系統(tǒng)基于資源共享的接納控制算法流程如圖2所示。

圖2 基于資源共享的接納控制算法

針對圖2所示的接納控制算法流程，若用戶通過小區(qū)內某一站點請求接入系統(tǒng)，先要經(jīng)過以下判斷：

·如果該站點負荷大于或等于拒絕門限，則不論是新用戶還是切換用戶都不得接入系統(tǒng)；

·如果該站點負荷小于新用戶有償接入門限，不論是新用戶還是切換用戶，都可以接入系統(tǒng)；

·如果該站點負荷大于或等于新用戶有償接入門限而小于拒絕門限，切換用戶被接納，新用戶則需要進行等待，等到該站點與其所在小區(qū)內的其他站點之間資源共享成功，并為新用戶讓出足夠資源后才可接入系統(tǒng)，否則新用戶被拒絕。

所述站點間資源共享過程如下。

目標站點是與請求站點進行資源共享的站點，目標用戶是本來通過請求站點接入系統(tǒng)的用戶轉為通過目標站點接入系統(tǒng)的用戶。

資源共享條件如下：

其中，Lr表示請求站點的當前負荷，Lr（A）表示請求站點的新用戶有償接入門限，Lr（B）表示請求站點的拒絕門限，式（1）表示新用戶請求接入站點的當前負荷介于該站點的新用戶有償接入門限和拒絕接入門限之間。SINRt表示通過請求站點已經(jīng)接入系統(tǒng)的用戶接收到的目標站點的信干噪比，LSINR表示選擇的目標用戶接入系統(tǒng)的信干噪比門限值，式（2）表示選擇的目標用戶接收到的目標站點信干噪比滿足其接入系統(tǒng)閾值。Lt表示目標站點的當前負荷，Lt（B）表示目標站點的拒絕門限，式（3）表示目標站點的當前負荷小于目標站點的拒絕門限。

如果新用戶A通過eNB請求接入系統(tǒng)，而此時eNB的負荷滿足式（1），即此時eNB的負荷剛好介于eNB的新用戶有償接入門限和拒絕門限之間。系統(tǒng)檢測已經(jīng)通過eNB接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）。

首先，如果通過eNB已接入系統(tǒng)的用戶不滿足式（2），拒絕接納用戶A。

其次，如果通過eNB已接入系統(tǒng)的用戶滿足式（2），但是eNB周圍的中繼站都不滿足式（3），拒絕接納用戶A。

最后，如果通過eNB接入系統(tǒng)的用戶i接收到中繼站j的信干噪比滿足式（2），且中繼站j滿足式（3），用戶i是選擇的目標用戶，中繼站j是目標站點，系統(tǒng)把用戶i從通過eNB接入系統(tǒng)轉為通過中繼站j接入系統(tǒng)，資源共享成功，從而實現(xiàn)了eNB和中繼站之間的資源共享。

如果對于用戶i，有多個中繼站同時滿足式（2），選擇用戶i接收到的最大信干噪比的那個中繼站為目標站點。檢測eNB的負荷信息，如果eNB負荷低于eNB的新用戶有償接入門限，則接納用戶A，同時停止判斷已通過eNB接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）的檢測過程；如果eNB負荷仍然高于eNB的新用戶有償接入門限，則繼續(xù)把通過eNB接入系統(tǒng)的滿足式（2）的用戶轉為通過滿足式（3）的站點接入系統(tǒng)，直到eNB的負荷低于eNB的新用戶有償接入門限；如果通過eNB接入系統(tǒng)的目標用戶都被轉為通過其目標站點接入系統(tǒng)后，eNB的負荷仍然高于eNB的新用戶有償接入門限，則拒絕接納用戶A。雖然用戶A被拒絕，但是在一定程度上降低了eNB的負荷。

如果新用戶A請求通過中繼站i接入系統(tǒng)，而此時中繼站i的負荷滿足式（1），即此時中繼站i的負荷剛好介于中繼站的新用戶有償接入門限和拒絕門限之間。系統(tǒng)檢測已經(jīng)通過中繼站i接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）。

首先，如果通過中繼站i已接入系統(tǒng)的用戶不滿足式（2），則拒絕接納用戶A。

其次，如果通過中繼站i已接入系統(tǒng)的用戶滿足式（2），但是與中繼站i相鄰的兩個中繼站和eNB都不滿足式（3），則拒絕接納用戶A。

最后，如果通過中繼站i接入系統(tǒng)的用戶j接收到站點k（此時的站點是與中繼站i相鄰的兩個中繼站和eNB中的某一個）的信干噪比滿足式（2）且站點k滿足式（3），用戶j是選擇的目標用戶，站點k是選擇的目標站點。系統(tǒng)把用戶j從通過中繼站i接入系統(tǒng)轉為通過站點k接入系統(tǒng)，資源共享成功。如果站點k是中繼站，實現(xiàn)了中繼站和中繼站之間的資源共享；如果站點k是eNB，實現(xiàn)了中繼站和eNB之間的資源共享。如果對于用戶j，有多個站點同時滿足式（2），選擇用戶j接收到的最大信干噪比的那個站點為目標站點。檢測中繼站i的負荷信息，如果中繼站i的負荷低于中繼站的新用戶有償接入門限，則接納用戶A，同時停止判斷已通過中繼站i接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）的檢測過程；如果中繼站i的負荷仍然高于中繼站的新用戶有償接入門限，則繼續(xù)把通過中繼站i接入系統(tǒng)的滿足式（2）的用戶轉為通過滿足式（3）的站點接入系統(tǒng)，直到中繼站i的負荷低于中繼站的新用戶有償接入門限；如果通過中繼站i接入系統(tǒng)的目標用戶都被轉為通過其目標站點接入系統(tǒng)后，中繼站i的負荷仍然高于中繼站的新用戶有償接入門限，則拒絕接納該用戶A。雖然用戶A被拒絕，但是在一定程度上降低了中繼站i的負荷。

3 仿真與性能分析

在本文中，對1 000個用戶進行仿真，用戶在小區(qū)內隨機分布。新用戶和切換用戶的比例是4∶1，新用戶和切換用戶均服從泊松分布，但是各自的到達率不同，每個用戶的服務過程服從負指數(shù)分布，服務速率是1/300，平均服務時長是300 s。每個小區(qū)的信道資源是20，在LTE-A系統(tǒng)中，切換用戶的保護信道數(shù)是2。根據(jù)新用戶和切換用戶各自不同的到達率，分別對LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預留方案、LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預留方案和改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的資源利用率、呼損率和掉話率進行仿真對比如圖3～圖5所示。

圖4 新用戶的阻塞率

圖5 切換用戶的掉話率

從圖3可以看出，在用戶到達率相同的情況下，本文提出的改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方法的資源利用率最高，其原因是在一個小區(qū)內的信道資源對各個站點進行初始化分配后，一個小區(qū)內負荷較輕的站點可以通過資源共享接納負荷較重的站點下的接納請求。

從圖4可以看出，LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預留方案的阻塞率最高，LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預留方案的阻塞率次之，改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的阻塞率最低。這是因為中繼站的引入使得LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預留方案的邊緣用戶能夠接收到更好的信號質量，提高了用戶接入系統(tǒng)的概率，降低了新用戶的阻塞率，因此LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預留方案的阻塞率低于LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預留方案的阻塞率；改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案在新用戶請求接入站點的負荷達到新用戶有償接入門限時，不是拒絕新用戶，而是通過該站點與該站點所在小區(qū)內其他站點之間的資源共享，使通過該站點已接入系統(tǒng)的用戶切換到通過小區(qū)內的共享站點接入系統(tǒng)，為新用戶騰出資源，提高了系統(tǒng)的資源利用率，降低了新用戶的阻塞率，所以改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的阻塞率最低。

從圖5可以看出，LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預留方案的掉話率最高，LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預留方案的掉話率次之，改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的掉話率最低。這是因為中繼站的引入拉近了LTE-A中繼系統(tǒng)邊緣用戶與接入站點之間的距離，提高了用戶接入系統(tǒng)的概率，降低了切換用戶的掉話率，因此LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預留方案的掉話率低于LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預留方案的掉話率；改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案中，由于已接入系統(tǒng)的用戶需要切換到本小區(qū)內目標站點為新用戶讓出資源，實現(xiàn)了小區(qū)內7個站點之間的負荷均衡，提高了系統(tǒng)的資源利用率，所以改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的掉話率最低。

4 結束語

本文提出了一種LTE-A中繼系統(tǒng)基于資源共享的呼叫接納控制方法，該方法根據(jù)接入站點的當前負荷以及用戶是新用戶還是切換用戶采取不同的接納控制方法。之后將該方法與LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預留方案和LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預留方案進行了仿真比較，比較結果顯示改進的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方法提高了資源利用率，降低了新用戶的阻塞率和切換用戶的掉話率，在一定程度上實現(xiàn)了eNB和中繼站、中繼站和中繼站、中繼站和eNB之間的資源共享。

參考文獻

1 熊歡.LTE-Advanced基于資源利用率的接納控制跨層設計.現(xiàn)代電子技術，2012(9):52～56

2 王曙光.LTE系統(tǒng)中無線接納控制的研究.西南交通大學碩士學位論文，2011

3 Qian Y，Tipper D，Medhi D.A nonstationary analysis of bandwidth access control schemes for heterogeneous traffic in B-ISDN.Proceedings of INFOCOM’96,San Francisco,CA,USA,1996:730～737

4 Yaver A,Kolmas D,Lachowski J.Resource utilization with relays in LTE-Advanced networks.Proceedings of the 24th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering,Niagara Falls,Ontario,Canada,2011:360～365

5 汪洋.TD-LTE系統(tǒng)中接納控制算法的研究.南京郵電大學碩士學位論文，2012

6 龔文斌，甘仲民.無線系統(tǒng)中的最佳預留保護信道數(shù).應用科學學報，2003（4）：427～430

7 薛飛霞.3G+LTE呼叫接納控制算法研究.南京郵電大學碩士學位論文，2009