网络游戏业务在LTE系统中信令时延分析*

王璨, 刘辉,2

（1 重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065；2 重庆信科设计有限公司，重庆 400065）

在LTE中网络游戏业务快速增长，在该业务的使用过程中就造成了业务拥塞、接入碰撞、排队时延、传输抖动、丢分组率高等问题，也就直接影响了业务通信质量，使得网络游戏业务出现画面延时、停滞和掉线等现象。这就给网络优化来保证游戏业务的质量提出了更高的要求。然而，接入网信令中的随机接入一直是人们研究时延的热点，尤其是在一些业务量峰值平均率高的系统中，特别希望能采用一种简单，高效的随机接入技术，以满足人们随时随地不同业务访问的需求。于是，本文就提出了一种基于网络游戏业务下的随机接入信令优化方案，来降低网络游戏业务的时延。

1 LTE网络游戏业务时延的要求

随着移动互联网业务的快速发展， LTE网络也承载更多高宽带业务。其中，网络游戏业务的要求也相应得到提升，向着更低时延，更高带宽，更稳定传输的方向演进。

网络游戏业务在LTE中指的是终端用户(人或机器)和远程设备(比如远程服务器)进行在线数据交互的业务。网络游戏分为两大类型，即时类网络游戏和非即时类网络游戏。其具体时延要求如表1所示。本文就可以根据不同类型的网络游戏业务在信令中进行优化分析。

表1 网络游戏的分类及要求

现在国内外的网络优化方案是在IP网络中对不同优先级的数据分组分类进行分组传输加快传输效率，以达到降低时延的效果，这方案就只考虑了在IP网络中分类传输，没有考虑到接入网的信令优化，所以降低时延的效果还不够充分。于是，本文从接入网信令的随机接入进行分析，找出影响即时类网络游戏业务时延与接入碰撞的具体参数，并进一步优化，降低时延。

2 随机接入过程

随机接入技术作为通信接入网中多媒体接入控制的一项关键技术，其性能优劣直接关系到整个系统性能的好坏，所以它是接入网中网络优化的重点。随机接入是网络游戏业务在网络端发生切换，或在与网络端初同步之后；网络游戏业务第一次与网络端传输上行数据之前，所以它在整个网络游戏业务连接过程中是最重要的一个过程，网络游戏业务的随机接入的具体过程如图1所示。

图1 随机接入过程

网络游戏业务的随机接入过程中所持续时长，如表2所示。本文根据即时类业务和非即时类业务，对信令中的参数研究分析，得出优化时间提前量（TA，Time Advance）和退避指示（BI，Backoff Indicator）可以解决用户业务接入碰撞和降低用户接入时延。

表2 随机接入所用时延

3 在随机接入过程中发送前导码的网络游戏业务时延问题详细分析

第一步，网络游戏业务的随机接入过程中发送随机接入前导码，如图2所示。

图2 随机接入前导码发送

根据当时网络游戏业务的请求，UE发送随机接入前导码。其中Preamble码可以用来标识发起网游业务的随机接入请求的UE。Preamble码同时也可以作为eNodeB进行上行传输时延评估的依据，从而间接控制TA，若此时的TA不够合理，当前TA的数值过大，就会提高相对时延，若过小，接入碰撞就会增加。因此，本文通过3GPP的规定首先大致判断UE接收范围。又由于小区覆盖的范围不同，本文又将利用Preamble码4种格式根据UE接收范围值，合理地配置TA数值，再把小区划分为广域小区、普通小区和热点地区。如表3所示。这样，利用Preamble码格式划分出来的小区范围，并即时地划分TA值，达到降低时延与接入碰撞概率的效果。

表3 Preamble格式适用小区范围

4 在随机接入过程中接收随机接入响应的网络游戏业务时延问题详细分析

第二步，网络游戏业务的随机接入过程中网络端发送的随机接入响应，如图3所示。

图3 随机接入响应

UE成功接收到网络游戏业务的随机接入响应（RAR），则说明随机接入过程第一步连接成功。RAR中包含的参数有backoff（回退）参数、Preamble码标识、上行传输TA、初始上行链路资源授权（UL-grant）和临时小区无线网络标识(TC-RNTI)等参数。其中，RAR中涉及优化时延的参数有BI和上行传输TA。

eNodeB会根据接收到网络游戏的Preamble码评估向UE发送定时提前命令，计算出UE的定时间提前量(TA)。TA为接入网中上下行链路转化的时间间隔。在随机接入过程中3GGP规定了TA的指示值域是0～1282。本文根据Preamble码格式划分的区域来划分TA的值域，这样也可以把TA扩展域划分为对应的3种值域范围，如表4所示。

表4 时间提前量TA时延调整的分类

在不同区域中对接入网中不同类型的业务，TA值可以在划分的值域范围内做出相应的时延调整。比如在各个小区中即时类网络游戏业务，就可以不改变该小区中计算得出的TA值，使其接入时延更低。而非即时类网络游戏业务，在计算出的TA值后，按照不同区域规定的TA值域范围内，对TA值进行延时调整，适当地扩大其值。

随着网络游戏业务增多在随机接入中发生碰撞冲突加剧，网络端发送的BI就可以根据不同的区域和游戏业务类型来进行参数优化，从而降低时延。UE在接收到随机接入响应的时候，会有以下几种不同的情况：

（1）如果UE在随机接入响应窗内没有接收到任何响应信息，则认为本次随机接入响应的接收失败，需要重新选择随机接入时频资源和前导序列，重新发送前导信息；

（2）如果UE在随机接入响应窗内接收到了网络端发送来的随机接入响应，但该响应中并不是UE发送的前导序列相匹配的RA-RNTI，则表示该响应失败。当不匹配的响应信息中含有退避指示BI时，该UE需按照BI指示设置退避参数backoff，并且退避一段时间后重发前导序列，在这种情况下可以根据当时网络繁忙度来确定合适的退避时间，确保网络游戏的通畅以达到系统时延降低。本文根据之前的Preamble的格式，把BI退避参数分为3种情况：优先级：索引号为0～5；一般级：索引号为6～9；拥塞级：索引号为10～12。其索引号为表5所示。当响应信息中没有退避指示时，UE则设置重发前导序列的退避参数backoff为0ms，立即重新请求连接；

表5 Backoff参数值

（3）如果UE在随机接入响应窗中接收到了网络端发送的随机接入响应，并且包含有与之前发送的前导序列相匹配的RA-RNTI，则认为该次随机接入响应接收成功。

5 优化方案

现在根据上文分析，首先把网络游戏的业务类型划分为两种；又根据Preamble码的格式把覆盖小区分为3种类型，在不同小区中根据不同类型的网络游戏业务的要求规定TA的范围值；然后在系统繁忙时，出现拥塞和碰撞问题后，根据之前划分的不同类型的游戏业务优先级在相应的小区内，确定回退参数值，减少相对RACH调度平均时延。根据上述一系列的参数优化来降低网络游戏业务系统接入的时延。本文重点针对两个小区场景进行优化。

在广域小区内，为了达到降低系统时延，首先把网络游戏分为即时类游戏和非即时类游戏，确立好优先级节省RACH调度平均时延。然后，根据该地区的特点：覆盖范围广、业务量小、出现接入碰撞、时延和网络拥塞的可能性小。计算得出TA值后，可以将其TA值划分在最大的范围[0～1282]中，若非即时类游戏可以按照游戏的优先级适当地在值域范围内扩大其值，减小碰撞和拥塞的可能性，使网络游戏的延时更低，若是即时类游戏，就可以不改变TA值，直接进行连接；如果UE随机接入发生冲突并接收的RAR有BI参数，就可将网络游戏业务调整至优先级，以最快的时间进行连接传输，因为该区域用户少，可以不需要避让，这样网络游戏在连接发生碰撞的情况下也会相应地降低时延。

表6 优化方案表

在热点小区内，开始阶段确立业务的优先级，减小调度时间。然后计算得出具体TA值，把TA值调整至最小的范围[0～426]，如果是非即时类游戏，可以在繁忙时TA值相应扩大，适当地增大时延，错开拥塞和碰撞情况，让即时类游戏优先接入；在冲突的情况下把接收到的BI值，按照不同类型的业务分别调整至各自的级别，也是错开拥塞高峰，把优先级高的业务调整至优先级，即时发送；反之，优先级低调整至拥塞级，延时发送，保证网络游戏业务的传输要求。因为此时大量用户同时接入系统处于拥塞状态，需要退避，否则，系统时延更加严重，若设置较短时间发送并超出了发送的最大次数，就会停止随机接入，玩网游的用户就会出现游戏中断或者连接不上游戏的现象。

通过对接入网信令中的随机接入细致研究分析，提出了以上网络游戏业务的优化方案，如表6所示，可以使网络游戏业务在LTE中接入时延更低。

6 结束语

本文着重研究分析了网络游戏业务在随机接入过程中的信令，从研究分析的结果中找出了在随机接入信令中影响网络游戏业务的时延参数，并提出了新的信令优化方案，对于实际工程规划与优化和理论研究中都有一定的基础指导作用。再经过实际的相关优化论证过后，在LTE中网络游戏业务会降低出现网络游戏业务的时延、画面停滞等现象的次数。

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