（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

LTE-Advanced時(shí)隙接入中動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法

段紅光，盧松品，王利飛，王勝，李同會(huì)，譚丹

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

通過(guò)分析LTE-Advanced系統(tǒng)中基于時(shí)隙接入信道控制協(xié)議（SCACP）的隨機(jī)接入模型，提出一種時(shí)隙接入方法中接入幀長(zhǎng)的優(yōu)化算法。利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接入負(fù)載實(shí)現(xiàn)時(shí)隙接入中動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)的選擇，使得優(yōu)化后的接入幀長(zhǎng)更適合當(dāng)前接入負(fù)載，保障了較高的接入成功率，消除了不必要的接入時(shí)延，還在一定程度上減少了前導(dǎo)重傳次數(shù)。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法的有效性和實(shí)用性。

LTE-Advanced；隨機(jī)接入；時(shí)隙接入；動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)

[8]提出上行分組數(shù)據(jù)到達(dá)聚合門(mén)限（packet aggregation threshold）后再連接網(wǎng)絡(luò)，從而降低了接入負(fù)載，但由于上行數(shù)據(jù)需要聚合，會(huì)對(duì)接入設(shè)備造成額外的接入時(shí)延。參考文獻(xiàn)[9]提出一種基于時(shí)隙接入信道控制協(xié)議（slotted accessbased channelaccess controlprotocol，SCACP），均衡網(wǎng)絡(luò)到達(dá)負(fù)載，當(dāng)接入幀長(zhǎng)為128幀時(shí)，設(shè)備接入成功率為95.6%，但該方法主要是保障 H2H用戶服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），忽視了進(jìn)一步降低接入時(shí)延。

本文主要針對(duì)參考文獻(xiàn)[9]提出的SCACP方法的時(shí)延特性進(jìn)行優(yōu)化，提出一種動(dòng)態(tài)接入幀長(zhǎng)選擇算法，減少了接入幀過(guò)長(zhǎng)時(shí)不必要的接入時(shí)延，并且基本上不損失接入成功率，最后仿真驗(yàn)證了所提方案有效可行。

2 系統(tǒng)模型及假設(shè)

2.1 時(shí)隙接入方法

LTE-Advanced（以下簡(jiǎn)稱LTE-A）中基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入需要msg1-前導(dǎo)傳輸、msg2-隨機(jī)接入響應(yīng)、msg3-調(diào)度請(qǐng)求和msg4-競(jìng)爭(zhēng)解決 4條信令過(guò)程[12]，競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備僅在成功完成4條信令過(guò)程后視為接入成功。

參考文獻(xiàn) [9,10]中已對(duì)基于時(shí)隙接入信道控制協(xié)議（SCACP）做了描述，其接入時(shí)序如圖1所示。LTE-A中將每10 ms劃分為1幀 （frame），1幀又分為10個(gè)子幀（subframe），每個(gè)子幀時(shí)間長(zhǎng)度為1 ms。在時(shí)隙接入方法中，系統(tǒng)把可發(fā)起隨機(jī)接入的時(shí)隙視為網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入時(shí)隙（random access slot，RAslot），接入時(shí)隙間隔（TRA）配置為5個(gè)子幀，將若干接入時(shí)隙復(fù)合成為一個(gè)接入幀（access frame），接入設(shè)備從該合成的接入幀中選擇一個(gè)屬于自己的接入時(shí)隙發(fā)起隨機(jī)接入，不能占用其他用戶的接入時(shí)隙。若多個(gè)設(shè)備在同一接入時(shí)隙選擇相同碼字，則將發(fā)生碰撞，應(yīng)執(zhí)行退避后再發(fā)起接入，直到接入成功或到達(dá)最大重傳限制。

圖1 基于時(shí)隙接入信道控制協(xié)議時(shí)序

從圖1可知，時(shí)隙接入方法的接入幀包含L個(gè)RAslot，則接入幀長(zhǎng)度為L(zhǎng)TRA，TRA為相鄰接入時(shí)隙間隔。不同于其他擁塞控制方法，時(shí)隙接入方法是通過(guò)均勻分布到達(dá)負(fù)載到接入幀的各個(gè)接入時(shí)隙，發(fā)生碰撞后應(yīng)在后續(xù)接入幀的對(duì)應(yīng)時(shí)隙重傳，從而防止接入幀內(nèi)負(fù)載過(guò)高，緩解擁塞的產(chǎn)生[9]。

2.2 接入模型分析

考慮小區(qū)內(nèi)存在M個(gè)MTC設(shè)備，到達(dá)概率分布為P（t）。MTC發(fā)送前導(dǎo)后如果在子幀內(nèi)未收到msg2響應(yīng)，則本次接入發(fā)送碰撞是基站前導(dǎo)信號(hào)的處理時(shí)間，WRAR是msg2響應(yīng)窗口長(zhǎng)度，Wbo是設(shè)備均勻退避窗口長(zhǎng)度。設(shè)備重傳所需要時(shí)隙數(shù)目用TW表示：

最后進(jìn)入系統(tǒng)的設(shè)備可能在t=T立即發(fā)送前導(dǎo)信號(hào)或在接入幀內(nèi)剩余（L-1）個(gè)接入時(shí)隙時(shí)發(fā)送前導(dǎo)信號(hào)，t1為首個(gè)設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間，最大重傳次數(shù)為Nptmax，則仿真接入時(shí)隙數(shù)Imax為：

基站對(duì)接收到的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和響應(yīng)，其msg2的響應(yīng)上限為NUL[12]?？紤]基站檢測(cè)概率，因此接入時(shí)隙i第n次前導(dǎo)傳輸成功的設(shè)備數(shù)目可表示為：

其中，NA為前導(dǎo)碼的數(shù)目，M（i,n）表示i接入時(shí)隙第n次傳輸設(shè)備數(shù)目，分為首次傳輸和重傳：

其中，M為仿真設(shè)備的數(shù)目，Ms（i-TW，n-1）為接入時(shí)隙第（n-1）次前導(dǎo)傳輸成功的設(shè)備數(shù)目，M（i）為傳輸前導(dǎo)數(shù)目，

2.3 RACH性能分析

3GPP已在參考文獻(xiàn)[3]中定義了衡量蜂窩網(wǎng)隨機(jī)接入性能的衡量指標(biāo)。本文定義以下指標(biāo)來(lái)衡量所提算法的性能，具體描述如下。

（1）接入成功率

接入成功率表示仿真周期內(nèi)M個(gè)設(shè)備中成功設(shè)備數(shù)目所占百分比。pf是msg3/msg4傳輸失敗的概率[9]，pf=0.1，因?yàn)閙sg3/msg4采用HARQ確保成功率，所以忽略pf對(duì)接入成功率的影響。接入成功率表示為：

其中，Imax為仿真接入時(shí)隙數(shù)。

（2）接入設(shè)備平均接入時(shí)延

設(shè)備接入時(shí)延考慮從數(shù)據(jù)到達(dá)到最后成功接入網(wǎng)絡(luò)所需時(shí)間，則平均接入時(shí)延為成功接入設(shè)備的總時(shí)延與成功接入設(shè)備的比值，接入失敗用戶不包含在內(nèi)。平均接入時(shí)延表示為：

其中，Tmsg是msg3/msg4消息的平均重傳時(shí)間[11]，Tn為第n次前導(dǎo)傳輸成功所需時(shí)間，包含前（n-1）次重傳和第n次傳輸成功的時(shí)間，表示為：

（3）前導(dǎo)傳輸次數(shù)的累積概率分布

前導(dǎo)傳輸次數(shù)的累積概率分布為不超過(guò)m次前導(dǎo)傳輸接入成功的設(shè)備數(shù)目與總接入成功設(shè)備數(shù)目的比值，表示為：

（4）接入時(shí)延的累積概率分布

接入時(shí)延的累積概率分布為不超過(guò)給定時(shí)延的接入成功的設(shè)備數(shù)目與總接入成功設(shè)備數(shù)目的比值，表示為：

3 動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法

3.1 算法實(shí)現(xiàn)

參考文獻(xiàn)[9]中已經(jīng)分析和仿真說(shuō)明了基于時(shí)隙接入信道控制協(xié)議緩解擁塞的有效性，但是其接入幀長(zhǎng)設(shè)置不靈活，導(dǎo)致接入時(shí)延偏高。下面針對(duì)時(shí)隙接入方法提出優(yōu)化，具體步驟如下。

步驟1網(wǎng)絡(luò)負(fù)載監(jiān)測(cè)：預(yù)先定義高/低負(fù)載門(mén)限，基站采用滑動(dòng)窗口內(nèi)監(jiān)視接入負(fù)載，取滑動(dòng)窗口（Ws）為16 RAslot，系統(tǒng)廣播周期為80 ms。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的監(jiān)測(cè)使用參考文獻(xiàn)[13]模型中的負(fù)載估計(jì)方法，其估計(jì)精度已得到驗(yàn)證。

步驟2接入幀長(zhǎng)選擇：當(dāng)負(fù)載超過(guò)預(yù)先定義門(mén)限時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前負(fù)載過(guò)高或過(guò)低，將更新接入幀長(zhǎng)，使負(fù)載處于一個(gè)合理水平。用L表示其接入幀長(zhǎng)，Hthr表示高負(fù)載下限，Lthr表示低負(fù)載上限?？紤]網(wǎng)絡(luò)控制存在滯后性，采用滯后提前量R來(lái)降低過(guò)載時(shí)滯后性調(diào)節(jié)帶來(lái)的不利影響，R可以通過(guò)仿真結(jié)果獲取，這里R=10，修正后動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇如算法1所示。

算法1動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇

輸入前導(dǎo)信息（a,b,c），當(dāng)前接入時(shí)隙i

輸出接入循環(huán)的長(zhǎng)度L

初始化 L=1；Lmax=128；Hthr=120；Lthr=40；R=10

（1）據(jù)前導(dǎo)狀態(tài)信息（a,b,c）估計(jì)當(dāng)前滑動(dòng)窗口內(nèi)接入負(fù)載M′i并預(yù)測(cè)M′i+1；

（2）if i mod Ws=0 then

（3） if M′i+1＞Hthr-R and 2L≤Lmaxthen

（4） return L=2L;

（5） else if M′i+1＜Lthrthen

（6） return L=L/2;

（7） else if Lthr＜M′i+1＜Hthr-R then

（8） return L=L;

（9） end if

（10）end if

3.2 算法性能

動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法實(shí)現(xiàn)步驟已在第 3.1節(jié)做了詳細(xì)描述，為說(shuō)明所提算法的控制效果，圖2對(duì)比了設(shè)備數(shù)目為20 000時(shí)的負(fù)載變化，其中圖2（a）是無(wú)控制算法的效果，圖2（b）是應(yīng)用動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法后的效果。

圖2 動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)算法的負(fù)載變化

可以看出，圖2（a）中負(fù)載峰值達(dá)到200個(gè)/RAslot，已出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)載，而圖2（b）中負(fù)載低于120個(gè)/RAslot且多次超過(guò)門(mén)限時(shí)都得到了有效控制，說(shuō)明所提算法能有效控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，防止過(guò)載現(xiàn)象的發(fā)生。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

本文中使用C++實(shí)現(xiàn)的LTE-SIM無(wú)線仿真平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)模式設(shè)置為FDD模式。本文使用3GPP在TR37.868定義的MTC隨機(jī)接入系統(tǒng)仿真參數(shù)，具體仿真參數(shù)可從參考文獻(xiàn)[3]中獲取。而且，考慮到仿真真實(shí)性，msg3/msg4采用HARQ機(jī)制來(lái)增加傳輸可靠性。參數(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 基本參數(shù)配置

4.2 仿真與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法切實(shí)有效，本文仿真對(duì)比不同接入幀長(zhǎng)和參考文獻(xiàn)[9]算法的性能，采用第2.3節(jié)描述的衡量指標(biāo)來(lái)分析所提算法的性能，具體仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 不同負(fù)載下的接入成功率

圖4 不同負(fù)載下的平均接入時(shí)延

圖5 30 000負(fù)載時(shí)前導(dǎo)傳輸次數(shù)的累積概率分布

圖6 30 000負(fù)載時(shí)接入時(shí)延的累積概率分布

圖3描述了MTC數(shù)量為5 000～30 000時(shí)不同算法的接入成功率情況，所提算法、幀長(zhǎng)L=128和參考文獻(xiàn)[9]算法均高于95%，而L=64的接入成功率在負(fù)載為30 000個(gè)時(shí)已下降到65.7%，可以看出所提算法能有效控制接入負(fù)載，保證接入成功率。圖4顯示了不同算法的平均接入時(shí)延性能，可以看出，所提算法平均接入時(shí)延特性優(yōu)于幀長(zhǎng)L=128和參考文獻(xiàn)[9]算法。高負(fù)載情況（M＞20 000）下，動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)算法比參考文獻(xiàn)[9]算法的平均接入時(shí)延低 0.64 s，但在負(fù)載為30 000個(gè)時(shí)，動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法的平均接入時(shí)延（1.63 s）高于L=64的平均接入時(shí)延（1.31 s），這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法需要更長(zhǎng)的接入幀來(lái)控制接入負(fù)載。說(shuō)明所提算法能智能選擇接入幀長(zhǎng)，減少不必要的退避時(shí)延，對(duì)接入時(shí)延特性提升明顯，圖6中的接入時(shí)延累積概率分布曲線也充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。

圖5是負(fù)載為30 000個(gè)時(shí)前導(dǎo)傳輸?shù)睦鄯e概率分布曲線，可以看出動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)算法均高于其他曲線，說(shuō)明所提算法良好，能在一定程度上減少前導(dǎo)重傳次數(shù)。幀長(zhǎng)L=64的曲線略低于幀長(zhǎng)L=128，是因?yàn)榻尤霂琇=64時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，圖3顯示接入成功率僅為65.7%，設(shè)備接入時(shí)需要更多的重傳次數(shù)。圖6描述接入時(shí)延的累積概率分布曲線，所提算法性能優(yōu)于幀長(zhǎng)L=128和參考文獻(xiàn) [9]算法，但比幀長(zhǎng) L=64性能差，這是由于為控制接入負(fù)載，所提算法選用了大于64的接入幀長(zhǎng)，導(dǎo)致接入時(shí)延曲線下降，但比幀長(zhǎng)L=128和參考文獻(xiàn)[9]算法時(shí)延性能優(yōu)越，更進(jìn)一步說(shuō)明了所提算法能在保證接入成功率的前提下，智能地選擇合適的接入幀長(zhǎng)，從而降低接入時(shí)延。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決大量MTC終端同步性到達(dá)對(duì)無(wú)線接入網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，本文基于時(shí)隙接入信道控制協(xié)議提出一種動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法，當(dāng)負(fù)載高時(shí)選用較長(zhǎng)的接入幀長(zhǎng)，負(fù)載低時(shí)選用較短的接入幀長(zhǎng)。隨后驗(yàn)證了所提算法的負(fù)載控制性能并與其他算法進(jìn)行仿真對(duì)比。從仿真結(jié)果來(lái)看，所提動(dòng)態(tài)幀長(zhǎng)選擇算法性能良好，能更智能地選擇合適的接入幀長(zhǎng)，既保證了設(shè)備接入成功率，又降低了接入時(shí)延，還在一定程度上減少了前導(dǎo)重傳次數(shù)。但仿真中認(rèn)為所有MTC設(shè)備具有相同的接入優(yōu)先級(jí)，未考慮不同MTC設(shè)備類別之間的優(yōu)先級(jí)區(qū)別。未來(lái)將引入接入優(yōu)先級(jí)的概念，研究設(shè)備存在優(yōu)先級(jí)情況下的隨機(jī)接入，使算法更具通用性和真實(shí)性。

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Dynam ic frame length selection algorithm for slotted access in LTE-Advanced

DUAN Hongguang,LU Songpin,WANG Lifei,WANG Sheng,LI Tonghui,TAN Dan
Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China

Through analyzing the random access model of slotted access based channel access control protocol (SCACP)in LTE-Advanced system,an optimization algorithm for access frame length selection based on slotted access was proposed.The dynamic frame length selection in slotted access based on network real-time access load was realized.Moreover,the optimized access frame length was more suitable for current access load than before.It could ensure a high success rate of access,elim inate the unnecessary access delay and decrease the number of retransmissions to some extent.The simulation results demonstrate that the proposed dynamic frame length selection algorithm is more effective and practical.

LTE-Advanced,random access,slotted access,dynamic frame length

TN915.6

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017060

1 引言

段紅光（1969-），男，重慶郵電大學(xué)正高級(jí)工程師、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾乱淮鷮拵б苿?dòng)通信核心芯片、協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用、寬帶無(wú)線通信。

盧松品（1990-），男，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樾乱淮鷮拵б苿?dòng)通信核心芯片、無(wú)線接入網(wǎng)、5G MTC增強(qiáng)。

王利飛（1990-），男，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)頻同步。

王勝（1990-），男，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、無(wú)線資源管理。

李同會(huì)（1992-），女，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)、無(wú)線資源管理。

譚丹（1990-），女，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)?G雙連接技術(shù)及無(wú)線接入網(wǎng)。

2017-01-10；

：2017-02-23

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2015ZX03001026-002）

Foundation Item:The National Science and Technology Major Project of China(No.2015ZX03001026-002)

隨著無(wú)線連接的智能設(shè)備大量涌現(xiàn)，機(jī)器類通信（machine type communication，MTC）作為物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）不可或缺的一部分，因其廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展空間而逐漸受到關(guān)注和研究。MTC通信是一種不需要人為干預(yù)，MTC設(shè)備可以直接連接到網(wǎng)絡(luò)或其他MTC設(shè)備的無(wú)線通信技術(shù)[1]。相比于傳統(tǒng)人與人（human to human，H2H）通信中的語(yǔ)言和分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有很大的不同，其設(shè)備數(shù)量巨大，單小區(qū)設(shè)備數(shù)目超過(guò)3萬(wàn)個(gè)；流量呈現(xiàn)同步性，到達(dá)服從Beta分布；單次通信數(shù)據(jù)量小且以上行流量為主[1,2]。這對(duì)均勻負(fù)載、高數(shù)據(jù)率設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)無(wú)疑是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，尤其會(huì)造成接入網(wǎng)信令的擁塞，因此，下一代移動(dòng)通信迫切需要合適的過(guò)載控制機(jī)制來(lái)解決擁塞問(wèn)題[3]。

第三代合作伙伴組織（3rd Generation Partnership Project，3GPP）已開(kāi)展相關(guān)研究，并取得了一定成果，TR37.868對(duì)接入網(wǎng)可能面臨的擁塞問(wèn)題做了深入討論，并提出基于pull和基于push的控制方案來(lái)緩解擁塞產(chǎn)生[3]。其中基于push的接入類禁止（access class barring，ACB）機(jī)制因其能有效控制接入負(fù)載，參考文獻(xiàn)[4-6]中詳細(xì)闡述了ACB機(jī)制控制負(fù)載的有效性。參考文獻(xiàn)[7]還提出一種ACB控制機(jī)制的分析模型，但ACB機(jī)制可能在控制釋放階段再次擁塞，從而產(chǎn)生“乒乓效應(yīng)”。