第四代移動通信隨機接入前導方案優(yōu)化

［毛海軍］

第四代移動通信隨機接入前導方案優(yōu)化

［毛海軍］

第四代移動通信 前導 隨機接入 機器通信

毛海軍

中國電信股份有限公司西寧分公司，工程師，研究方向為移動通信。

后續(xù)演進（LTE-Advanced，LTE-A）作為第四代移動通信技術已經(jīng)發(fā)展到了第12版本（R12）。隨著物物（machine-to-machine，M2M）通信業(yè)務的快速發(fā)展，M2M與LTE-A網(wǎng)絡的融合將是未來通信發(fā)展的必然趨勢，但也帶來了一些不容忽視的問題：大量的機器（machinetype communications，MTC）設備同時接入通信網(wǎng)絡而影響了人與人（human-to-human，H2H）通信設備的正常通信。

隨機接入是終端開始和網(wǎng)絡通信之前的接入過程［1］，LTE-A作為長期演進（Long Term Evolution，LTE）的平滑演進［2］，在不考慮載波聚合等LTE-A增強技術的場景下，LTE-A與LTE的隨機接入過程是相同的［3］，并且都分為兩種［4-5］：競爭隨機接入過程與非競爭隨機接入過程。由于隨機接入過程直接影響到系統(tǒng)的性能［6］，近年來國內(nèi)外圍繞著如何改善海量MTC設備同時接入LTE-A網(wǎng)絡對H2H通信隨機接入的影響做了大量的研究。

文獻［7］提出了一種動態(tài)的隨機接入資源分配方案，當一個MTC終端發(fā)送完隨機接入前導并申請到上行資源時，多個MTC設備同時使用一個隨機接入上行資源直接接入，此方案可以提高MTC設備上行資源的使用率，簡化了MTC設備隨機接入的步驟，但只適用于MTC設備種類單一數(shù)量較小的情況；文獻［8］提出了一種MTC服務器通過“組尋呼”的方式調(diào)度需要接入的MTC設備，避免大量MTC設備同時接入而造成的隨機接入擁塞現(xiàn)象，該方案可以有效地控制MTC設備的接入量，但是對MTC設備的要求較高，需要引入“MTC設備服務器”以及新的通信信令，造價比較高不利于M2M業(yè)務的普及化。文獻［9］提出了隨機接入前導資源的劃分方案，將LTE系統(tǒng)中用于競爭隨機接入的前導資源按照使用對象分成兩種：H2H設備的隨機接入前導與M2M設備的隨機接入前導，并且用兩種不同的方式來劃分競爭隨機接入前導資源，該方案有效地控制了大量的MTC設備的同時接入并且對MTC設備的要求不高、易于實現(xiàn)，但是忽略了非競爭隨機接入用戶的前導分配。

針對上述問題，本文擬以MTC設備來代表M2M通信終端設備，以用戶設備（user equipment，UE）代表H2H通信終端設備，提出一個隨機接入前導分配優(yōu)化方案，通過動態(tài)分配H2H用戶的前導資源，保障非競爭隨機用戶的接入性能。

1 前導資源規(guī)劃方案

大量的終端同時接入通信網(wǎng)絡會增大無線網(wǎng)絡的負載，通過文獻［9］可知，當兩個或兩個以上的終端選擇了相同的隨機接入前導同時接入時，會造成接入碰撞，影響UE的正常工作，增大接入失敗率。將用于M2M的隨機接入資源與用于H2H的隨機接入資源分開，可以避免在一段時間內(nèi)大量MTC設備的接入所造成的UE不能正常接入，保證了UE的接入質(zhì)量［8］。

圖1 一種隨機接入前導分配方案

圖1為一種隨機接入前導分配方案［8］，其中N1為UE非競爭隨機接入前導個數(shù)，N2為UE競爭隨機接入前導個數(shù)，NM為MTC設備隨機接入前導個數(shù)，該方案主要是在N1為固定值的基礎上，將競爭隨機接入前導劃分，從而保證了競爭隨機接入中UE的接入成功率。

然而，如果當前非競爭用戶數(shù)少于通過廣播消息提前設置的N1則會對隨機接入前導碼造成了浪費，如果根據(jù)當前的負載情況需要修改非競爭隨機接入的前導個數(shù)N1，系統(tǒng)需要通過廣播消息周期性的通知小區(qū)內(nèi)的所有用戶［10］，這樣又浪費了系統(tǒng)廣播資源。

為了應對非競爭隨機接入用戶較大的情景，本文提出一種隨機接入前導分配優(yōu)化方案，前導分配優(yōu)化方案如圖2。

圖2 一種隨機接入前導分配優(yōu)化方案

該方案中，N1，N2以及NM的定義與原資源分配方案相同，NC為用來動態(tài)分配的調(diào)度前導的個數(shù)。當非競爭隨機接入用戶前導碼不足時，UE調(diào)度前導將補充非競爭隨機接入前導，反之，在非競爭隨機接入用戶前導碼充足的情況下，UE調(diào)度前導將以一定的概率作為UE的競爭隨機接入前導碼使用。

2 隨機接入前導吞吐量分析

本節(jié)中我們先做以下合理假設：

（1）在一個接入時隙只有一個接入時機，即一個接入時域資源上只有一個接入頻域資源；

（2）LTE-A隨機接入中，在一個接入時隙，當一個前導僅被一個終端選擇發(fā)送即可以看做該前導發(fā)送成功；

（3）在本節(jié)中涉及到了隨機接入前導發(fā)送的吞吐量，在［5］中提出，ALOHA系統(tǒng)中吞吐量的定義為在幀的發(fā)送時間 T0內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)［7］，在本節(jié)所涉及到的隨機接入前導的吞吐量定義為：在一個接入時隙，成功發(fā)送一個前導的次數(shù)，且不考慮前導碼的大小。

（4）在本節(jié)中所涉及到的隨機接入情況不包括需要周期性接入的情況（周期性的跟蹤區(qū)更新）。

2.1 LTE-A系統(tǒng)的隨機接入前導吞吐量分析

LTE-A系統(tǒng)的隨機接入?yún)f(xié)議采用基于資源預留的時隙ALOHA協(xié)議［11］，即用戶是先申請后調(diào)度接入，根據(jù)文獻［12］，在 ALOHA 系統(tǒng)中大量的站同時隨機發(fā)送數(shù)據(jù)幀時如果各站的通信量很小則整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀到達過程可以看作一個泊松過程［7］（假設重傳時的隨機時間足夠延長），由泊松過程性質(zhì)可知，若N（t）是（0，t）內(nèi)數(shù)據(jù)幀到達的總數(shù)則，N（t）等于k的概率為：

式（1）中λ為數(shù)據(jù)幀的平均到達速率，則在一個接入時隙T0上，成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)為k的概率為：

如果Pk（T0）是LTE-A隨機接入中終端在一個接入時隙T0上發(fā)送一個前導成功的概率，則 λT0=G，G即為在該接入時隙平均每個前導被終端選擇的次數(shù)，將λT0=G代入（2）式得（3）式：

那么，根據(jù)文獻［12］終端要在該接入時隙發(fā)送前導成功即沒有其他終端選擇該前導從而避免碰撞，即k=0，將其代入（3）式得（4）式：

由吞吐量S與網(wǎng)絡負載M的關系［7］：

在LTE-A隨機接入中在一個接入時隙T0，一個接入前導上的負載即為G，我們又可以得到（6）式：

其中，S一個前導為一個接入時隙T0上，終端發(fā)送一個前導的吞吐量，我們假設在一個接入時隙有X個用戶在Y個隨機接入前導中選擇一個前導進行發(fā)送，則平均每一個接入前導上的負載為

由（4）、（6）、（7）式我們得到（8）式：

則Y個前導的總吞吐量：

2.2 兩種資源分配方案的吞吐量分析

結(jié)合兩種前導資源劃分方案，以及吞吐量計算公式，我們可以分析兩種方案下的隨機接入吞吐量情況，相關參數(shù)如表1。

通過上節(jié)推倒，我們可以得出：

表1 仿真參數(shù)及定義

在原資源分配方案中，當λ1≤N1時：

當λ1＞N1時：

在優(yōu)化的資源分配方案中：當λ1≤N1時：

3 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)對 2 種前接入資源管理方案的吞吐量對比進行了 Matlab仿真驗證，根據(jù)隨機接入過程分析，仿真條件和參數(shù)設置如下：LTE-A 系統(tǒng)前導碼數(shù)量為64 個，原資源分配方案中N1為4，N2為56，優(yōu)化資源分配方案中N1為4，NC為25，N2為31，UE的隨機接入總量為50（λ1+λ2=50），Pm為1。

兩種資源分配方案的非競爭隨機接入吞吐量的仿真對比結(jié)果如圖3，總吞吐量的仿真對比結(jié)果如圖4。由對比結(jié)果我們不難看出，優(yōu)化后的資源分配方案能夠有效地保證非競爭隨機接入的性能，雖然原方案能夠更好的保障競爭隨機接入的吞吐量使得當非競爭隨機接入用戶量小于競爭接入用戶量的時候，原有方案的總吞吐量要高于優(yōu)化方案；但是，當非競爭隨機接入用戶量的比例逐漸增大時，優(yōu)化方案的吞吐量將高于原有方案的吞吐量。

圖3 非競爭隨機接入吞吐量的仿真對比結(jié)果

圖4 總吞吐量仿真對比結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種動態(tài)分配兩種前導碼的隨機接入優(yōu)化方案，并且通過仿真驗證了該優(yōu)化方案能夠在保證UE非競爭隨機接入性能的同時，提高隨機接入的整體性能。改進后的前導碼分配方案能夠減少系統(tǒng)廣播資源的浪費，適應網(wǎng)絡負載變化較大的環(huán)境，對于整個系統(tǒng)接入性能的提高有一定意義。同時該優(yōu)化方案還可進行近一步研究，針對不同服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）等級的終端做動態(tài)調(diào)整方案，保證高等級終端的接入質(zhì)量。

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2016-07-11）

為了解決大量機器通信設備同時接入第四代移動通信網(wǎng)絡所導致的人與人通信設備接入性能下降問題，提出一種隨機接入優(yōu)化方案，該方案主要通過網(wǎng)絡側(cè)根據(jù)其負載情況動態(tài)調(diào)整競爭隨機接入前導碼以及非競爭隨機接入前導碼的比例分配。仿真結(jié)果證明，該方案可以使人與人通信中的非競爭隨機接入用戶的吞吐量增大，在非競爭隨機接入用戶比例增大的情況下提高人與人通信用戶的隨機接入吞吐量。