朱國暉, 李 歡

(西安郵電大學 通信與信息工程學院, 陜西 西安 710121)

TD-LTE系統(tǒng)帶寬自適應接納控制算法

朱國暉, 李 歡

(西安郵電大學 通信與信息工程學院, 陜西 西安 710121)

針對現(xiàn)有呼叫接納控制算法受系統(tǒng)可用帶寬限制的問題，在已有帶寬降級算法的基礎上，提出一種基于帶寬自適應技術的算法。綜合考慮TD-LTE系統(tǒng)多業(yè)務環(huán)境下各類業(yè)務實時占用物理資源塊的情況和業(yè)務的優(yōu)先級，通過對系統(tǒng)現(xiàn)有呼叫進行帶寬降級，釋放一部分資源塊，從而接納新呼叫,而當用戶離開，物理資源塊被釋放時，對被降級的用戶進行帶寬恢復，使其占用資源塊達到最大值。分析和仿真結(jié)果表明，在保證已有用戶服務質(zhì)量的基礎上，新算法可減小新呼叫阻塞率和切換呼叫掉話率，緩解系統(tǒng)擁塞。

TD-LTE系統(tǒng)；呼叫接納控制；帶寬自適應；帶寬降級；帶寬恢復

呼叫接納控制(Call Admission Control, CAC)算法[1]的目的是在保證一定服務質(zhì)量(Quality of Service，QoS)和降低阻塞率、掉話率的基礎上，接入盡可能多的用戶。TD-LTE定義了物理資源塊(Physical Resource Block ,PRB)作為空中接口物理資源分配的基本單位，通常用它來描述實際系統(tǒng)中物理資源的分配情況。

基于剩余帶寬的接納控制(Remaining Bandwidth CAC,RBCAC)算法[2]，首先計算用戶占用的PRB，然后根據(jù)當前系統(tǒng)中剩余PRB的情況進行判斷是否接入，而不考慮對系統(tǒng)中的業(yè)務進行降級。

基于帶寬門限的降級呼叫接納控制(Bandwidth Threshold Downgrade CAC, BTDCAC)算法[3]，當系統(tǒng)剩余PRB不足時，把系統(tǒng)中的75%的信道作為自適應信道，對自適應信道中的呼叫進行帶寬降級，使優(yōu)先級高的呼叫接入系統(tǒng)。

本文擬提出一種基于帶寬自適應的呼叫接納控制(Bandwidth Adaptive CAC, BACAC)算法，對BTDCAC算法加以改進。當系統(tǒng)剩余PRB不足時，BACAC算法首先對FTP業(yè)務自身降級，當剩余PRB個數(shù)仍然不足時才對系統(tǒng)已有用戶降級。其次，算法將所有的信道都作為自適應信道進行業(yè)務降級。另外，BACAC算法將增加一個帶寬恢復過程，當系統(tǒng)PRB利用不充分時，對系統(tǒng)中已經(jīng)降級的用戶進行PRB升級，使其占用的PRB個數(shù)增加，從而傳輸速率也增加。

1 CAC算法模型

在TD-LTE系統(tǒng)模型中(圖1)，不考慮呼叫的等待隊列。算法考慮兩種類型的業(yè)務，Video Stream業(yè)務和FTP業(yè)務，Video Stream業(yè)務為保證比特速率(Guaranteed Bit Rate,GBR)業(yè)務，速率為1 Mbps，F(xiàn)TP業(yè)務為非GBR業(yè)務，最大速率為2 Mbps，最小速率為1 Mbps。假定每個用戶設備(User Equipment, UE)都只有一種呼叫業(yè)務。到達小區(qū)中的所有業(yè)務的平均服務時間服從強度為1/μ的負指數(shù)分布。

圖1 接納控制算法系統(tǒng)模型

TD-LTE中接納控制準則主要關注系統(tǒng)是否有足夠的可用PRB分配給UE,以滿足業(yè)務的GBR需求,因為新UE和己激活UE所需求的PRB個數(shù)的總和要少于系統(tǒng)總的PRB個數(shù)，即

(1)

其中K是小區(qū)中已激活UE的個數(shù)，Ni是第i個激活UE占用的PRB個數(shù)，Nnew是新UE為了滿足GBR需求而占用的PRB個數(shù)。如果接納判決成功，則系統(tǒng)中已激活的UE個數(shù)加1，成功接入通信系統(tǒng)，如果接納判決失敗，進行帶寬搶占，則系統(tǒng)中已激活的UE個數(shù)不變。由此可以計算出當前系統(tǒng)中已經(jīng)激活的UE個數(shù)，從而求出系統(tǒng)的阻塞率和掉話率。

2 BACAC算法

BACAC算法包括兩部分，即帶寬降級過程和帶寬恢復過程。系統(tǒng)通過帶寬降級策略使UE占用PRB的個數(shù)減小，從而接納更多的新UE，使新呼叫阻塞率和切換呼叫掉話率降低。系統(tǒng)通過帶寬恢復策略使被降級UE占用PRB的個數(shù)增加，從而增大傳輸速率。

2.1 業(yè)務占用PRB個數(shù)的計算

對系統(tǒng)中的UE進行帶寬降級或帶寬恢復，先要判斷出UE的業(yè)務類型，并對被降級的業(yè)務進行標記，這就需要計算并統(tǒng)計每個業(yè)務i占用的PRB個數(shù)Ni。根據(jù)城市宏蜂窩下的傳播模型[4]，用戶設備i的路徑損耗

Li=128.1 + 37.6 log10Ri,

(2)

其中Ri是用戶設備i與基站之間的距離，單位為km，而Li的單位為dB。

假設UE的發(fā)射功率在動態(tài)范圍內(nèi)變化，那么對于用戶設備i來說，在進行快速功率控制之后，平均每個PRB上的發(fā)射功率

δi=100.1(P0+αLi)，

(3)

其中P0是1個UE的特定發(fā)射功率參數(shù)，α是路徑損耗補償因子，δi的單位為mW。

用戶設備i的信號干擾噪聲比[5]

(4)

其中WPRB是1個PRB的帶寬，N0是熱噪聲功率譜密度，RIoT為噪聲提升量，即干擾與噪聲功率譜密度之和與噪聲功率譜密度之比，ENF是噪聲指數(shù)。

由以上公式可以得到第i個UE占用的PRB個數(shù)Ni的表達式,即

(5)其中ri表示業(yè)務傳輸速率，Video Stream業(yè)務傳輸速率為1 Mbps，F(xiàn)TP業(yè)務傳輸?shù)淖畲笏俾蕿? Mbps，最小速率為1 Mbps。Weff是系統(tǒng)頻譜效率，γeff是信號干擾噪聲比的執(zhí)行效率，η是歸一化的修正因子。根據(jù)文獻[6]，在1×2的天線模式下，若取

Weff=0.72,η=0.68,γeff= 0.2,

則所得結(jié)果與文獻[7]的鏈路級仿真相吻合。

通過式(5)計算得出Ni和Nnew，以此判斷是否接納一個新的UE。

2.2 帶寬降級策略

主要考慮4種呼叫：新呼叫Video Stream業(yè)務，切換呼叫Video Stream業(yè)務，新呼叫FTP業(yè)務，切換呼叫FTP業(yè)務。Video Stream業(yè)務不能被降級，F(xiàn)TP業(yè)務可以被降級，而且只有被降級的業(yè)務才能進行帶寬恢復。

對于FTP業(yè)務，當系統(tǒng)剩余PRB個數(shù)不足時，首先考慮對自身降級，即先將其傳輸速率由2 Mbps降為1 Mbps，使其占用的PRB個數(shù)減半，如果系統(tǒng)剩余PRB個數(shù)仍不足才考慮對系統(tǒng)中已經(jīng)激活的UE進行降級。

關于 LTE中分配和保留優(yōu)先級的概念，以及各類呼叫搶占能力值的計算公式[8],這里不再贅述，而是直接定義p為各類呼叫的搶占能力，其中切換呼叫Video Stream業(yè)務的p值為4，新呼叫Video Stream業(yè)務的p值為3，切換呼叫FTP業(yè)務的p值為2，新呼叫FTP業(yè)務的p值為1。p值越高，代表該類呼叫的搶占能力越強，p值高的呼叫可以搶占p值低的呼叫占用的PRB個數(shù)。

帶寬降級的作用是保證帶寬搶占能力高的業(yè)務能夠順利接入網(wǎng)絡?，F(xiàn)基于文獻[9]的算法給出改進后的帶寬降級策略。

系統(tǒng)中已經(jīng)激活的新呼叫或切換呼叫帶寬降級流程如圖2所示。

圖2 新呼叫或切換呼叫帶寬降級流程

帶寬降級策略的偽代碼可描述如下。

//對p值升序排列

fori=1 ton

forj=iton

ifpi

A=pipi=pjpj=A

end if

end for

end for

//判斷請求接入

fork=1 ton

ifPreq

呼叫請求接入失??；

else if 第k個業(yè)務是非GBR業(yè)務

Δk=對應業(yè)務實際占用PRB個數(shù)- 降低業(yè)務速率后占用的PRB個數(shù);

ifNreq≤Δ1+Δ2+…+Δk+Nleft

請求接入成功；

else

請求接入失??；

end if

else

Δk=0；

ifNreq≤Δ1+Δ2+…+Δk+Nleft

請求接入成功；

else

請求接入失??；

end if

end if

end for

其中Preq為請求呼叫的p值，Nreq為請求呼叫占用的PRB個數(shù)，Nleft為系統(tǒng)獲取網(wǎng)絡剩余的PRB個數(shù)。

帶寬降級過程如圖3所示。假設一個FTP業(yè)務占用的PRB個數(shù)為4，而系統(tǒng)分配給所有FTP業(yè)務的PRB的總個數(shù)為50個，則系統(tǒng)可以容納12個呼叫，即自適應信道數(shù)為12，還剩余2個PRB，這兩個PRB可以接入一個Video Stream業(yè)務或一個對自身降級后的FTP業(yè)務。

當系統(tǒng)中有新的業(yè)務到達時，開始對已經(jīng)激活的UE降級。如圖3所示，當傳輸速率為1 Mbps時，由于對箭頭所指的FTP業(yè)務進行降級，使其占用的PRB個數(shù)由4降為2，速率也由2 Mbps降為1 Mbps，可以釋放2個PRB，這2個PRB正好可以接入一個速率為1 Mbps的業(yè)務，此時系統(tǒng)中業(yè)務個數(shù)增加一個，即可以容納13個呼叫，對應的系統(tǒng)的傳輸速率也增加。以此類推，當所有的FTP業(yè)務都被降級后，系統(tǒng)可以容納25個呼叫，此時，每個業(yè)務的傳輸速率均為1 Mbps。降級過程結(jié)束。

圖3 FTP業(yè)務的帶寬降級過程

2.3 帶寬恢復策略

當UE離開，PRB被釋放時，才會進行帶寬恢復過程。系統(tǒng)只對被降級的FTP業(yè)務進行帶寬恢復，將其傳輸速率由1 Mbps增加到2 Mbps，使其占用的PRB個數(shù)也相應的增加1倍。

以FTP業(yè)務為例，其帶寬恢復過程如圖4所示。被降級后FTP業(yè)務占用的PRB個數(shù)為2，此時，系統(tǒng)中總呼叫數(shù)為25。當系統(tǒng)中有一個業(yè)務離開時，將會釋放2個PRB，此時一個被降級的FTP業(yè)務將會利用這2個PRB進行帶寬恢復，從占用2個PRB增加到占用4個PRB，其傳輸速率也將由1 Mbps上升到2 Mbps。隨著業(yè)務的離開，這個過程將會一直繼續(xù)，恢復過程的最終結(jié)果就是，網(wǎng)絡將會回到起初的每個FTP業(yè)務占用最大PRB個數(shù)，即4個PRB，系統(tǒng)總的信道數(shù)也將恢復為12個，剩余2個PRB。

圖4 FTP業(yè)務的帶寬恢復過程

3 算法仿真及結(jié)果分析

根據(jù)文獻[5,9]的參數(shù)(表1)及指導，建立一個比較簡單的系統(tǒng)級仿真環(huán)境，用以考察基于TD-LTE系統(tǒng)自適應技術的接納控制算法，并與其它接納控制算法進行比較并分析。

在帶寬自適應過程中，假設網(wǎng)絡有N個新呼叫，已激活的新呼叫數(shù)為P，則新呼叫阻塞率為1-P/N；假設網(wǎng)絡有M個切換呼叫，已激活的切換呼叫數(shù)為Q，則切換呼叫掉話率為1-Q/M。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)表

在Matlab仿真平臺上對3種不同策略的呼叫接納控制算法進行了仿真對比。圖5和圖6分別給出了業(yè)務在3種算法下新呼叫阻塞率、切換呼叫掉話率與到達數(shù)之間的仿真情況。

圖5 新呼叫阻塞率

圖6 切換呼叫掉話率

可見，隨著業(yè)務到達數(shù)的增加，3種算法業(yè)務的新呼叫阻塞率和切換呼叫掉話率都呈上升趨勢，但是RBCAC算法的阻塞率和掉話率最高，這是因為RBCAC算法在系統(tǒng)剩余PRB不足的情況下，沒有對系統(tǒng)中的FTP業(yè)務降級，而是直接拒絕新UE。

BACAC算法的阻塞率和掉話率低于BTDCAC算法，一方面是因為在降級策略中，系統(tǒng)首先對FTP業(yè)務自身降級，然后對已經(jīng)激活的UE降級，而BTDCAC算法并沒有對自身降級，這樣雖然保證了業(yè)務以較大的速率接入系統(tǒng)，但是以犧牲系統(tǒng)的PRB個數(shù)為代價，從而使系統(tǒng)中接入的UE數(shù)變少。另一方面，BTDCAC算法中25%的FTP業(yè)務未被降級，這也是造成其阻塞率和掉話率比BACAC算法高的一個原因。

UE到達數(shù)與降級UE數(shù)之間的關系如圖7所示，從中可以看出，當UE到達的個數(shù)低于35時，降級的UE數(shù)為0，說明系統(tǒng)可以接納35個UE。隨著UE到達數(shù)增加，開始對這35個UE中的FTP業(yè)務降級，而且被降級的業(yè)務數(shù)不斷的增加。關系曲線并不是連續(xù)上升的，這是由于每個業(yè)務占用的PRB個數(shù)不完全相同，并不是每個新UE都能通過降級系統(tǒng)中現(xiàn)有的一個FTP業(yè)務而成功接入，有時需要降級兩個或者是更多的FTP業(yè)務才能接入系統(tǒng)。當系統(tǒng)中到達的UE數(shù)為65時，被降級的UE數(shù)將不再增加，這是因為系統(tǒng)中所有可以被降級的UE都已經(jīng)降級了，沒有UE可以被降級。

圖7 降級UE數(shù)

4 結(jié)束語

BACAC算法是BTDCAC算法的一種改進。一方面，新算法首先對自身的業(yè)務降級，再對已有UE的業(yè)務降級，使接入的UE數(shù)增多。另一方面，新算法與BTDCAC算法相比，對系統(tǒng)中所有可以降級的業(yè)務進行降級，更進一步增加了可以接入系統(tǒng)的UE數(shù)。通過仿真可知，新算法明顯降低了系統(tǒng)中新呼叫阻塞率和切換呼叫掉話率，達到了預期的研究目的。

[1] 朱國暉,邵轉(zhuǎn)妮,雷興.無線網(wǎng)絡中非語音業(yè)務降質(zhì)的接納控制算法[J].西安郵電大學學報, 2014,19(1):46-49.

[2] 王曙光.LTE系統(tǒng)中無線接納控制的研究[D].成都:西南交通大學,2011:22-25.

[3] George J, Abdalla N M. Bandwidth adaptation for joint call admission control to support QoS in heterogeneous networks[C]//Proceeding of International Conference on Computing,Electrical and Electronics Engineering. Sudan: Sudan University of Science and Technology,2013: 82-86.

[4] 溫小軍.LTE系統(tǒng)中接納控制的研究[D].北京:北京郵電大學,2010:39-40.

[5] 汪洋.TD-LTE系統(tǒng)中接納控制算法的研究[D].南京: 南京郵電大學,2012：47-49.

[6] Anas M, Rosa C, Calabrese F D, et al. QoS-Aware Single Cell Admission Control for UTRAN LTE UPlink[C]//Proceeding of Vehicular Technology Conference.Aalborg: Aalborg University,2008:2487-2491.

[7] Priyanto B E, Codina H, Rene S, et al. Initial performance evaluation of DFT-spread OFDM based SCFDMA for UTRA LTE uplink[C]//Proceeding of Vehicular Technology Conference.Aalborg: Aalborg University, 2007: 3175-3179.

[8] 3GPP. TS 23.203,3rd Generation Partnershi Project;Technical Specification Group Services and System Aspects;Policy and Charging Control Architecture[S/OL].(2011-12-14)[2014-08-14].http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.203/23203-a50.zip.

[9] 陳起賢.TD-LTE系統(tǒng)接納控制和負載均衡算法研究[D].北京:北京郵電大學,2013:22-23.

[責任編輯:瑞金]

Admission control algorithm based on adaptive bandwidth in TD-LTE system

ZHU Guohui, LI Huan

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

On the basis of the existing bandwidth degradation algorithm, an call admission control algorithm based on adaptive bandwidth technology is proposed to reduce other algorithms’ constraints from available bandwidth. The priority of service and the situation of all kinds of real-time service occupy physical resource blocks in TD-LTE system multiple service environments are considered in this algorithm. Some resource blocks can be released and a new call is allowed after downgrading bandwidth of the existing system calls. When a user leaves, the physical resource blocks are released and the downgraded bandwidth is reused, therefore the occupy resource blocks can reach the maximum value. Analysis and simulation results show that, on the basis of ensuring the QoS of existing users, the proposed algorithm can reduce the new call blocking rate and the handoff call dropping rate and alleviate congestion.

TD-LTE system, call admission control, adaptive bandwidth, bandwidth degradation, bandwidth restoration

2014-09-22

陜西省教育廳科技計劃基金資助項目(07JK377)

朱國暉(1969-)，男，副教授，從事移動互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡路由算法等研究。E-mail:zhgh@xupt.edu.cn 李 歡(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為移動互聯(lián)網(wǎng)。E-mail:416394277@qq.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.006

TN929.5

A

2095-6533(2015)01-0030-05