第四代移动通信随机接入前导方案优化

［毛海军］

第四代移动通信随机接入前导方案优化

［毛海军］

第四代移动通信 前导 随机接入 机器通信

毛海军

中国电信股份有限公司西宁分公司，工程师，研究方向为移动通信。

后续演进（LTE-Advanced，LTE-A）作为第四代移动通信技术已经发展到了第12版本（R12）。随着物物（machine-to-machine，M2M）通信业务的快速发展，M2M与LTE-A网络的融合将是未来通信发展的必然趋势，但也带来了一些不容忽视的问题：大量的机器（machinetype communications，MTC）设备同时接入通信网络而影响了人与人（human-to-human，H2H）通信设备的正常通信。

随机接入是终端开始和网络通信之前的接入过程［1］，LTE-A作为长期演进（Long Term Evolution，LTE）的平滑演进［2］，在不考虑载波聚合等LTE-A增强技术的场景下，LTE-A与LTE的随机接入过程是相同的［3］，并且都分为两种［4-5］：竞争随机接入过程与非竞争随机接入过程。由于随机接入过程直接影响到系统的性能［6］，近年来国内外围绕着如何改善海量MTC设备同时接入LTE-A网络对H2H通信随机接入的影响做了大量的研究。

文献［7］提出了一种动态的随机接入资源分配方案，当一个MTC终端发送完随机接入前导并申请到上行资源时，多个MTC设备同时使用一个随机接入上行资源直接接入，此方案可以提高MTC设备上行资源的使用率，简化了MTC设备随机接入的步骤，但只适用于MTC设备种类单一数量较小的情况；文献［8］提出了一种MTC服务器通过“组寻呼”的方式调度需要接入的MTC设备，避免大量MTC设备同时接入而造成的随机接入拥塞现象，该方案可以有效地控制MTC设备的接入量，但是对MTC设备的要求较高，需要引入“MTC设备服务器”以及新的通信信令，造价比较高不利于M2M业务的普及化。文献［9］提出了随机接入前导资源的划分方案，将LTE系统中用于竞争随机接入的前导资源按照使用对象分成两种：H2H设备的随机接入前导与M2M设备的随机接入前导，并且用两种不同的方式来划分竞争随机接入前导资源，该方案有效地控制了大量的MTC设备的同时接入并且对MTC设备的要求不高、易于实现，但是忽略了非竞争随机接入用户的前导分配。

针对上述问题，本文拟以MTC设备来代表M2M通信终端设备，以用户设备（user equipment，UE）代表H2H通信终端设备，提出一个随机接入前导分配优化方案，通过动态分配H2H用户的前导资源，保障非竞争随机用户的接入性能。

1 前导资源规划方案

大量的终端同时接入通信网络会增大无线网络的负载，通过文献［9］可知，当两个或两个以上的终端选择了相同的随机接入前导同时接入时，会造成接入碰撞，影响UE的正常工作，增大接入失败率。将用于M2M的随机接入资源与用于H2H的随机接入资源分开，可以避免在一段时间内大量MTC设备的接入所造成的UE不能正常接入，保证了UE的接入质量［8］。

图1 一种随机接入前导分配方案

图1为一种随机接入前导分配方案［8］，其中N1为UE非竞争随机接入前导个数，N2为UE竞争随机接入前导个数，NM为MTC设备随机接入前导个数，该方案主要是在N1为固定值的基础上，将竞争随机接入前导划分，从而保证了竞争随机接入中UE的接入成功率。

然而，如果当前非竞争用户数少于通过广播消息提前设置的N1则会对随机接入前导码造成了浪费，如果根据当前的负载情况需要修改非竞争随机接入的前导个数N1，系统需要通过广播消息周期性的通知小区内的所有用户［10］，这样又浪费了系统广播资源。

为了应对非竞争随机接入用户较大的情景，本文提出一种随机接入前导分配优化方案，前导分配优化方案如图2。

图2 一种随机接入前导分配优化方案

该方案中，N1，N2以及NM的定义与原资源分配方案相同，NC为用来动态分配的调度前导的个数。当非竞争随机接入用户前导码不足时，UE调度前导将补充非竞争随机接入前导，反之，在非竞争随机接入用户前导码充足的情况下，UE调度前导将以一定的概率作为UE的竞争随机接入前导码使用。

2 随机接入前导吞吐量分析

本节中我们先做以下合理假设：

（1）在一个接入时隙只有一个接入时机，即一个接入时域资源上只有一个接入频域资源；

（2）LTE-A随机接入中，在一个接入时隙，当一个前导仅被一个终端选择发送即可以看做该前导发送成功；

（3）在本节中涉及到了随机接入前导发送的吞吐量，在［5］中提出，ALOHA系统中吞吐量的定义为在帧的发送时间 T0内成功发送的平均帧数［7］，在本节所涉及到的随机接入前导的吞吐量定义为：在一个接入时隙，成功发送一个前导的次数，且不考虑前导码的大小。

（4）在本节中所涉及到的随机接入情况不包括需要周期性接入的情况（周期性的跟踪区更新）。

2.1 LTE-A系统的随机接入前导吞吐量分析

LTE-A系统的随机接入协议采用基于资源预留的时隙ALOHA协议［11］，即用户是先申请后调度接入，根据文献［12］，在 ALOHA 系统中大量的站同时随机发送数据帧时如果各站的通信量很小则整个系统的数据帧到达过程可以看作一个泊松过程［7］（假设重传时的随机时间足够延长），由泊松过程性质可知，若N（t）是（0，t）内数据帧到达的总数则，N（t）等于k的概率为：

式（1）中λ为数据帧的平均到达速率，则在一个接入时隙T0上，成功发送数据帧数为k的概率为：

如果Pk（T0）是LTE-A随机接入中终端在一个接入时隙T0上发送一个前导成功的概率，则 λT0=G，G即为在该接入时隙平均每个前导被终端选择的次数，将λT0=G代入（2）式得（3）式：

那么，根据文献［12］终端要在该接入时隙发送前导成功即没有其他终端选择该前导从而避免碰撞，即k=0，将其代入（3）式得（4）式：

由吞吐量S与网络负载M的关系［7］：

在LTE-A随机接入中在一个接入时隙T0，一个接入前导上的负载即为G，我们又可以得到（6）式：

其中，S一个前导为一个接入时隙T0上，终端发送一个前导的吞吐量，我们假设在一个接入时隙有X个用户在Y个随机接入前导中选择一个前导进行发送，则平均每一个接入前导上的负载为

由（4）、（6）、（7）式我们得到（8）式：

则Y个前导的总吞吐量：

2.2 两种资源分配方案的吞吐量分析

结合两种前导资源划分方案，以及吞吐量计算公式，我们可以分析两种方案下的随机接入吞吐量情况，相关参数如表1。

通过上节推倒，我们可以得出：

表1 仿真参数及定义

在原资源分配方案中，当λ1≤N1时：

当λ1＞N1时：

在优化的资源分配方案中：当λ1≤N1时：

3 仿真结果与分析

本节对 2 种前接入资源管理方案的吞吐量对比进行了 Matlab仿真验证，根据随机接入过程分析，仿真条件和参数设置如下：LTE-A 系统前导码数量为64 个，原资源分配方案中N1为4，N2为56，优化资源分配方案中N1为4，NC为25，N2为31，UE的随机接入总量为50（λ1+λ2=50），Pm为1。

两种资源分配方案的非竞争随机接入吞吐量的仿真对比结果如图3，总吞吐量的仿真对比结果如图4。由对比结果我们不难看出，优化后的资源分配方案能够有效地保证非竞争随机接入的性能，虽然原方案能够更好的保障竞争随机接入的吞吐量使得当非竞争随机接入用户量小于竞争接入用户量的时候，原有方案的总吞吐量要高于优化方案；但是，当非竞争随机接入用户量的比例逐渐增大时，优化方案的吞吐量将高于原有方案的吞吐量。

图3 非竞争随机接入吞吐量的仿真对比结果

图4 总吞吐量仿真对比结果

4 结语

本文提出了一种动态分配两种前导码的随机接入优化方案，并且通过仿真验证了该优化方案能够在保证UE非竞争随机接入性能的同时，提高随机接入的整体性能。改进后的前导码分配方案能够减少系统广播资源的浪费，适应网络负载变化较大的环境，对于整个系统接入性能的提高有一定意义。同时该优化方案还可进行近一步研究，针对不同服务质量（Quality of Service，QoS）等级的终端做动态调整方案，保证高等级终端的接入质量。

1沈嘉，索士强，全海洋等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2008:304

2沈嘉.LTE-Advanced关键技术演进趋势［J］.移动通信，2008，（16）：20

3戴翠琴，蔚承英.LTE-Advanced中基于载波聚合的随机接入过程研究［J］.数字通信，2010，（5）：50～53

4王映民，孙韶辉，王可等.TD-LTE技术原理与系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2010：125-129

53GPP.TS36.321 V10.2.0.Medium Access Control（MAC）protocol specication［S］.France:3GPP，2011

6陈昌.LTE随机接入流程研究［J］.数字通信，2009，（4）：14-17

7Coiler Corporation.Dynamic separate RACH resources for MTC［EB/OL］.（2011-05-09）［2012-11-01］ http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_74/Docs

8LG Electronics Inc.Way forward for pull based approach［EB/ OL］.（2011-08-22）［2012-11-01］.http://www.3gpp.org/ftp/ tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_75/Docs

9Lee Ki-Dong，Kim Sang，Yi Byung.Throughput comparison of random access methods for M2M service over LTE networks［C］//GLOBECOM Workshops（GC Wkshps）.2011 IEEE.USA:IEEE，2011:373 -377

103GPP.TR37.868 v11.0.0.Study on RAN improvements for machine-type communications［S］. France：3GPP，2011

113GPP.TS36.331 V10.2.0，Radio Resource Control（RRC）protocol specication［S］.France:3GPP，2012

12王伟.LTE随机接入中前导码管理与退避算法［D］.北京：北京交通大学，2009:12～15

13胡洪坡，宋孝先，王宪嵘.分组无线网络信道接入协议ALOHA性能仿真研究［J］.电信快报，2011，（10）:18～20

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.09.010

2016-07-11）

为了解决大量机器通信设备同时接入第四代移动通信网络所导致的人与人通信设备接入性能下降问题，提出一种随机接入优化方案，该方案主要通过网络侧根据其负载情况动态调整竞争随机接入前导码以及非竞争随机接入前导码的比例分配。仿真结果证明，该方案可以使人与人通信中的非竞争随机接入用户的吞吐量增大，在非竞争随机接入用户比例增大的情况下提高人与人通信用户的随机接入吞吐量。