TD-LTE系统带宽自适应接纳控制算法

朱国晖, 李 欢

(西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121)

TD-LTE系统带宽自适应接纳控制算法

朱国晖, 李 欢

(西安邮电大学 通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121)

针对现有呼叫接纳控制算法受系统可用带宽限制的问题，在已有带宽降级算法的基础上，提出一种基于带宽自适应技术的算法。综合考虑TD-LTE系统多业务环境下各类业务实时占用物理资源块的情况和业务的优先级，通过对系统现有呼叫进行带宽降级，释放一部分资源块，从而接纳新呼叫,而当用户离开，物理资源块被释放时，对被降级的用户进行带宽恢复，使其占用资源块达到最大值。分析和仿真结果表明，在保证已有用户服务质量的基础上，新算法可减小新呼叫阻塞率和切换呼叫掉话率，缓解系统拥塞。

TD-LTE系统；呼叫接纳控制；带宽自适应；带宽降级；带宽恢复

呼叫接纳控制(Call Admission Control, CAC)算法[1]的目的是在保证一定服务质量(Quality of Service，QoS)和降低阻塞率、掉话率的基础上，接入尽可能多的用户。TD-LTE定义了物理资源块(Physical Resource Block ,PRB)作为空中接口物理资源分配的基本单位，通常用它来描述实际系统中物理资源的分配情况。

基于剩余带宽的接纳控制(Remaining Bandwidth CAC,RBCAC)算法[2]，首先计算用户占用的PRB，然后根据当前系统中剩余PRB的情况进行判断是否接入，而不考虑对系统中的业务进行降级。

基于带宽门限的降级呼叫接纳控制(Bandwidth Threshold Downgrade CAC, BTDCAC)算法[3]，当系统剩余PRB不足时，把系统中的75%的信道作为自适应信道，对自适应信道中的呼叫进行带宽降级，使优先级高的呼叫接入系统。

本文拟提出一种基于带宽自适应的呼叫接纳控制(Bandwidth Adaptive CAC, BACAC)算法，对BTDCAC算法加以改进。当系统剩余PRB不足时，BACAC算法首先对FTP业务自身降级，当剩余PRB个数仍然不足时才对系统已有用户降级。其次，算法将所有的信道都作为自适应信道进行业务降级。另外，BACAC算法将增加一个带宽恢复过程，当系统PRB利用不充分时，对系统中已经降级的用户进行PRB升级，使其占用的PRB个数增加，从而传输速率也增加。

1 CAC算法模型

在TD-LTE系统模型中(图1)，不考虑呼叫的等待队列。算法考虑两种类型的业务，Video Stream业务和FTP业务，Video Stream业务为保证比特速率(Guaranteed Bit Rate,GBR)业务，速率为1 Mbps，FTP业务为非GBR业务，最大速率为2 Mbps，最小速率为1 Mbps。假定每个用户设备(User Equipment, UE)都只有一种呼叫业务。到达小区中的所有业务的平均服务时间服从强度为1/μ的负指数分布。

图1 接纳控制算法系统模型

TD-LTE中接纳控制准则主要关注系统是否有足够的可用PRB分配给UE,以满足业务的GBR需求,因为新UE和己激活UE所需求的PRB个数的总和要少于系统总的PRB个数，即

(1)

其中K是小区中已激活UE的个数，Ni是第i个激活UE占用的PRB个数，Nnew是新UE为了满足GBR需求而占用的PRB个数。如果接纳判决成功，则系统中已激活的UE个数加1，成功接入通信系统，如果接纳判决失败，进行带宽抢占，则系统中已激活的UE个数不变。由此可以计算出当前系统中已经激活的UE个数，从而求出系统的阻塞率和掉话率。

2 BACAC算法

BACAC算法包括两部分，即带宽降级过程和带宽恢复过程。系统通过带宽降级策略使UE占用PRB的个数减小，从而接纳更多的新UE，使新呼叫阻塞率和切换呼叫掉话率降低。系统通过带宽恢复策略使被降级UE占用PRB的个数增加，从而增大传输速率。

2.1 业务占用PRB个数的计算

对系统中的UE进行带宽降级或带宽恢复，先要判断出UE的业务类型，并对被降级的业务进行标记，这就需要计算并统计每个业务i占用的PRB个数Ni。根据城市宏蜂窝下的传播模型[4]，用户设备i的路径损耗

Li=128.1 + 37.6 log10Ri,

(2)

其中Ri是用户设备i与基站之间的距离，单位为km，而Li的单位为dB。

假设UE的发射功率在动态范围内变化，那么对于用户设备i来说，在进行快速功率控制之后，平均每个PRB上的发射功率

δi=100.1(P0+αLi)，

(3)

其中P0是1个UE的特定发射功率参数，α是路径损耗补偿因子，δi的单位为mW。

用户设备i的信号干扰噪声比[5]

(4)

其中WPRB是1个PRB的带宽，N0是热噪声功率谱密度，RIoT为噪声提升量，即干扰与噪声功率谱密度之和与噪声功率谱密度之比，ENF是噪声指数。

由以上公式可以得到第i个UE占用的PRB个数Ni的表达式,即

(5)其中ri表示业务传输速率，Video Stream业务传输速率为1 Mbps，FTP业务传输的最大速率为2 Mbps，最小速率为1 Mbps。Weff是系统频谱效率，γeff是信号干扰噪声比的执行效率，η是归一化的修正因子。根据文献[6]，在1×2的天线模式下，若取

Weff=0.72,η=0.68,γeff= 0.2,

则所得结果与文献[7]的链路级仿真相吻合。

通过式(5)计算得出Ni和Nnew，以此判断是否接纳一个新的UE。

2.2 带宽降级策略

主要考虑4种呼叫：新呼叫Video Stream业务，切换呼叫Video Stream业务，新呼叫FTP业务，切换呼叫FTP业务。Video Stream业务不能被降级，FTP业务可以被降级，而且只有被降级的业务才能进行带宽恢复。

对于FTP业务，当系统剩余PRB个数不足时，首先考虑对自身降级，即先将其传输速率由2 Mbps降为1 Mbps，使其占用的PRB个数减半，如果系统剩余PRB个数仍不足才考虑对系统中已经激活的UE进行降级。

关于 LTE中分配和保留优先级的概念，以及各类呼叫抢占能力值的计算公式[8],这里不再赘述，而是直接定义p为各类呼叫的抢占能力，其中切换呼叫Video Stream业务的p值为4，新呼叫Video Stream业务的p值为3，切换呼叫FTP业务的p值为2，新呼叫FTP业务的p值为1。p值越高，代表该类呼叫的抢占能力越强，p值高的呼叫可以抢占p值低的呼叫占用的PRB个数。

带宽降级的作用是保证带宽抢占能力高的业务能够顺利接入网络。现基于文献[9]的算法给出改进后的带宽降级策略。

系统中已经激活的新呼叫或切换呼叫带宽降级流程如图2所示。

图2 新呼叫或切换呼叫带宽降级流程

带宽降级策略的伪代码可描述如下。

//对p值升序排列

fori=1 ton

forj=iton

ifpi

A=pipi=pjpj=A

end if

end for

end for

//判断请求接入

fork=1 ton

ifPreq

呼叫请求接入失败；

else if 第k个业务是非GBR业务

Δk=对应业务实际占用PRB个数- 降低业务速率后占用的PRB个数;

ifNreq≤Δ1+Δ2+…+Δk+Nleft

请求接入成功；

else

请求接入失败；

end if

else

Δk=0；

ifNreq≤Δ1+Δ2+…+Δk+Nleft

请求接入成功；

else

请求接入失败；

end if

end if

end for

其中Preq为请求呼叫的p值，Nreq为请求呼叫占用的PRB个数，Nleft为系统获取网络剩余的PRB个数。

带宽降级过程如图3所示。假设一个FTP业务占用的PRB个数为4，而系统分配给所有FTP业务的PRB的总个数为50个，则系统可以容纳12个呼叫，即自适应信道数为12，还剩余2个PRB，这两个PRB可以接入一个Video Stream业务或一个对自身降级后的FTP业务。

当系统中有新的业务到达时，开始对已经激活的UE降级。如图3所示，当传输速率为1 Mbps时，由于对箭头所指的FTP业务进行降级，使其占用的PRB个数由4降为2，速率也由2 Mbps降为1 Mbps，可以释放2个PRB，这2个PRB正好可以接入一个速率为1 Mbps的业务，此时系统中业务个数增加一个，即可以容纳13个呼叫，对应的系统的传输速率也增加。以此类推，当所有的FTP业务都被降级后，系统可以容纳25个呼叫，此时，每个业务的传输速率均为1 Mbps。降级过程结束。

图3 FTP业务的带宽降级过程

2.3 带宽恢复策略

当UE离开，PRB被释放时，才会进行带宽恢复过程。系统只对被降级的FTP业务进行带宽恢复，将其传输速率由1 Mbps增加到2 Mbps，使其占用的PRB个数也相应的增加1倍。

以FTP业务为例，其带宽恢复过程如图4所示。被降级后FTP业务占用的PRB个数为2，此时，系统中总呼叫数为25。当系统中有一个业务离开时，将会释放2个PRB，此时一个被降级的FTP业务将会利用这2个PRB进行带宽恢复，从占用2个PRB增加到占用4个PRB，其传输速率也将由1 Mbps上升到2 Mbps。随着业务的离开，这个过程将会一直继续，恢复过程的最终结果就是，网络将会回到起初的每个FTP业务占用最大PRB个数，即4个PRB，系统总的信道数也将恢复为12个，剩余2个PRB。

图4 FTP业务的带宽恢复过程

3 算法仿真及结果分析

根据文献[5,9]的参数(表1)及指导，建立一个比较简单的系统级仿真环境，用以考察基于TD-LTE系统自适应技术的接纳控制算法，并与其它接纳控制算法进行比较并分析。

在带宽自适应过程中，假设网络有N个新呼叫，已激活的新呼叫数为P，则新呼叫阻塞率为1-P/N；假设网络有M个切换呼叫，已激活的切换呼叫数为Q，则切换呼叫掉话率为1-Q/M。

表1 系统仿真参数表

在Matlab仿真平台上对3种不同策略的呼叫接纳控制算法进行了仿真对比。图5和图6分别给出了业务在3种算法下新呼叫阻塞率、切换呼叫掉话率与到达数之间的仿真情况。

图5 新呼叫阻塞率

图6 切换呼叫掉话率

可见，随着业务到达数的增加，3种算法业务的新呼叫阻塞率和切换呼叫掉话率都呈上升趋势，但是RBCAC算法的阻塞率和掉话率最高，这是因为RBCAC算法在系统剩余PRB不足的情况下，没有对系统中的FTP业务降级，而是直接拒绝新UE。

BACAC算法的阻塞率和掉话率低于BTDCAC算法，一方面是因为在降级策略中，系统首先对FTP业务自身降级，然后对已经激活的UE降级，而BTDCAC算法并没有对自身降级，这样虽然保证了业务以较大的速率接入系统，但是以牺牲系统的PRB个数为代价，从而使系统中接入的UE数变少。另一方面，BTDCAC算法中25%的FTP业务未被降级，这也是造成其阻塞率和掉话率比BACAC算法高的一个原因。

UE到达数与降级UE数之间的关系如图7所示，从中可以看出，当UE到达的个数低于35时，降级的UE数为0，说明系统可以接纳35个UE。随着UE到达数增加，开始对这35个UE中的FTP业务降级，而且被降级的业务数不断的增加。关系曲线并不是连续上升的，这是由于每个业务占用的PRB个数不完全相同，并不是每个新UE都能通过降级系统中现有的一个FTP业务而成功接入，有时需要降级两个或者是更多的FTP业务才能接入系统。当系统中到达的UE数为65时，被降级的UE数将不再增加，这是因为系统中所有可以被降级的UE都已经降级了，没有UE可以被降级。

图7 降级UE数

4 结束语

BACAC算法是BTDCAC算法的一种改进。一方面，新算法首先对自身的业务降级，再对已有UE的业务降级，使接入的UE数增多。另一方面，新算法与BTDCAC算法相比，对系统中所有可以降级的业务进行降级，更进一步增加了可以接入系统的UE数。通过仿真可知，新算法明显降低了系统中新呼叫阻塞率和切换呼叫掉话率，达到了预期的研究目的。

[1] 朱国晖,邵转妮,雷兴.无线网络中非语音业务降质的接纳控制算法[J].西安邮电大学学报, 2014,19(1):46-49.

[2] 王曙光.LTE系统中无线接纳控制的研究[D].成都:西南交通大学,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] 温小军.LTE系统中接纳控制的研究[D].北京:北京邮电大学,2010:39-40.

[5] 汪洋.TD-LTE系统中接纳控制算法的研究[D].南京: 南京邮电大学,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] 陈起贤.TD-LTE系统接纳控制和负载均衡算法研究[D].北京:北京邮电大学,2013:22-23.

[责任编辑: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

陕西省教育厅科技计划基金资助项目(07JK377)

朱国晖(1969-)，男，副教授，从事移动互联网、网络路由算法等研究。E-mail:zhgh@xupt.edu.cn 李 欢(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为移动互联网。E-mail:416394277@qq.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.006

TN929.5

A

2095-6533(2015)01-0030-05