一种基于CoMP的随机接入方案✴

卢宪祺，周文安，朱超平，宋俊德

一种基于CoMP的随机接入方案✴

卢宪祺，周文安，朱超平，宋俊德

（北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京100876）

提出了一种新的基于协作多点传输和接收（CoMP）技术的多发随机接入流程，并根据随机接入的目的和业务类型设计了接入优先级，在此基础上设计了一种新的随机接入方案，对不同类型的随机接入请求提供不同的接入机制，以保证边缘用户的接入性能和满足不同业务的QoS需求。仿真结果表明，与LTE标准随机接入方案相比，该方案对系统整体接入性能略有提高，且大大提高了边缘高优先级用户的接入性能。

LTE-A；随机接入；CoMP；接入优先级；退避算法

1 引言

随机接入过程是终端在开始和网络通信之前的首要过程，是保证通信建立的关键环节，主要用于用户的初始注册、上行同步及用户资源需求的申请等［1］。随机接入过程直接影响到系统的性能。LTE -A系统要求实现无缝式业务和自由的无线接入，为了实现这一目标，要求节点接入技术既要保证较高的接入成功率，又要保证较低的接入时延。另外，LTE-A系统十分关注边缘用户的性能，力图通过协作多点传输和接收（Coordinated Multi-point Transmission and Reception，CoMP）等技术降低边缘地带的小区间干扰，提高系统吞吐量和边缘用户的服务质量［2］。CoMP技术的引入使得传统蜂窝系统中终端间、基站间以及终端与基站之间的拓扑关系及通信行为变得更为复杂，使得同一个用户可能同时被多个小区服务。

随机接入过程分为竞争的和非竞争的两类，本文仅讨论竞争的随机接入过程。当系统负荷增加时，接入系统的用户数目较多，各种接入请求数量也急剧增多，系统的容量和业务的服务质量会因用户之间的频繁碰撞而严重受损。因此希望采用一些技术手段来尽量减少这种碰撞。目前，解决这个问题的主要方法有定时重发接入请求［3］、连续多次发送随机接入前导码［4］、区分业务特性采取不同方案接入［5］、利用中继节点来间接接入［6］等。定时重发和连续多发都是针对单一服务小区采取的时间上的复用方案，加入中继节点间接接入从某种程度上讲是空间上的复用方案，区分业务特性是组合性复合方案。这些方法都值得借鉴，特别是在CoMP系统中，空间协作和区分业务的思想能够为随机接入的碰撞问题提供一些新的解决思路。本文据此提出一种在CoMP环境下的多发随机接入流程，设计了一种新的区分用户和接入优先级的随机接入方案，重点解决边缘用户的接入问题和满足不同业务的QoS需求。

2 总体设计思路

该基于CoMP的随机接入方案适用的场景如图1所示。考虑到某些随机接入的时效性要求并不高，可以根据随机接入的目的和业务类型设计接入优先级。设定高优先级门限，将随机接入划分为高优先级接入和低优先级接入两类，再根据边缘用户和中心用户的分类可将接入种类划分为如图2所示的4类。对高优先级的接入过程采用优化的退避算法，低优先级的接入过程采用LTE标准退避算法。对边缘用户的高优先级接入采用多发的随机接入流程，其他接入采用LTE标准随机接入流程。多发的随机接入流程允许小区边缘的用户向多个小区发起高优先级的接入请求，并接入最先响应的小区中。此时若当用户首先接入的小区不是原驻留小区，在之后的通信过程中很大概率下将选择原驻留小区进行CoMP，故此法并不影响之后的通信过程，且能够提高用户的接入成功率，降低接入时延。

图1 场景示意图Fig.1 Scene schematic diagram

图2 接入种类及方案示意图Fig.2 Access types and solution schematic diagram

整个接入过程可分为4个步骤。

第一步，UE判断所发起的接入请求是否为高优先级。如果不是高优先级，则按LTE标准接入方法进行随机接入；否则，执行第二步。

第二步，UE判断是否处于小区边缘。如果UE是边缘用户，则执行第三步；否则，按LTE标准随机接入方法进行随机接入，但发生碰撞时按照区分优先级的退避算法执行。

第三步，UE进行候选小区的选择。此步中，UE根据候选小区选择算法，从相邻小区中选择一个小区作为候选小区。

第四步，UE同时向驻留小区以及候选小区发起两个独立的随机接入过程。只要至少有一个随机接入过程成功，UE就成功接入网络。在此阶段中，若出现需要退避重传的情况，按照区分优先级的退避算法执行。

3 方案中相关算法描述

3.1接入优先级的判定

根据随机接入的目的和业务类型，对UE的接入优先级进行设定。

随机接入的目的可分成如下5类［1］：

（1）请求初始接入的随机接入；

（2）无线资源控制（Radio Resource Control，RCC）链接重建过程的随机接入；

（3）切换过程中的随机接入；

（4）上行“非同步”状态时，UE在无线资源控制-连接（RRC-CONNECTED）状态时，下行数据到达发起的随机接入；

（5）上行“非同步”状态时，UE在RRC-CONNECTED状态时，上行数据到达发起的随机接入。

另一方面，3GPP针对移动网络，根据QoS将业务类别分为会话类、流媒体类、交互类和背景类4大类。

综合两方面考虑设计接入优先级如表1所示，优先级1为最高优先级，依次递减，优先级6为最低优先级。

表1 接入优先级Table 1 Access priority

3.2边缘用户的判定

采用SINR门限判定法来判定UE是否为边缘用户［7］。首先预定义一个SINR门限，UE根据其在驻留小区的SINR确定自身的类型：如果UE测得的SINR高于这个门限则该UE为中心用户，反之则为边缘用户（cell-edge UE）。具体如下式：

其中，1代表边缘用户，0代表中心用户。

合理的SINR门限可以通过仿真或实际测量给出，用以判定哪些用户为边缘用户。

3.3候选小区的选择

参照标准中规范的小区选择和重选过程［8］，设计候选接入小区的选择过程如下。

（1）UE测量驻留小区周围相邻的小区基站信号强度，选择信号强度最强的小区。

（2）读取该相邻小区的系统广播消息，包括系统广播消息中的注册登记信息、接入服务等级以及基站物理层的一些相关信息。

（3）判断以下3个条件是否满足：即是否允许位置注册登记、接入服务优先级是否满足要求、信号路径损耗是否满足要求。满足则执行步骤4；否则，返回步骤1，选择信号强度次强的相邻小区重新开始以上的步骤。

（4）选择该相邻小区为候选小区，UE维护接入该候选小区所需要的相关信息。

3.4区分优先级的退避算法

假设系统的随机接入优先级有N个，1，2，…，N，1为最高优先级，依次递减。同时，假设UE已在之前的随机接入响应（RAR）中获得了由eNB根据小区负载情况决定的退避索引BI（Backoff Index）。由此，UE可以根据BI得出退避参数值BPV（Backoff Parameter Value），也即退避时间［1］。

UE随机接入网络发生碰撞而失败后，读取退避索引BI，以判断是否需要执行退避算法。如果此时BI的值为0，则说明此时小区的负载比较小，UE无需执行退避算法，在下一个可用的随机接入时刻直接重新发起随机接入过程即可。如果BI的取值为非零，则说明小区的负载并不小，则需要执行下面的退避步骤。

首先，根据3.1节所述判断接入优先级n。

然后，UE根据优先级别n确定退避窗口大小。退避窗口大小的计算公式如下：

由公式可以看出，随机接入的优先级越高，其退避窗口越小，能够使得其退避时延相对较小，从而能快速接入网络。而优先级低的随机接入，其退避窗口就相对较大，因而使得其退避时间就可能较大，这样就能将信道让给对延迟要求高的随机接入，从而满足各种类型的随机接入对时延的要求。

最后，执行退避。与LTE中现有的退避方式一样，在上一步确定的窗口中随机选择一个退避延迟，等待退避时间结束后，重新发起新一轮的随机接入过程。

4 多发的随机接入过程

LTE系统中基于竞争的随机接入流程如图3所示，分为随机接入前导信号传输、随机接入响应、调度传输、竞争解决消息4个步骤，其中前导信号传输和资源调度环节可能产生碰撞。为提高接入成功率并降低接入时延，应尽量减少碰撞发生。

图3 LTE基于竞争的随机接入流程Fig.3 LTE random access procedure based on competition

5 仿真结果

在本文提出的基于CoMP的随机接入方案中，第四个阶段将对边缘用户的高优先级接入发起如图4所示的多发的随机接入过程。

图4 多发的随机接入过程Fig.4 Multiple random access procedure

UE在两个相邻子帧分别向驻留小区和候选小区发送随机接入前导码。

（1）若无基站响应，则根据接入优先级退避。

（2）若只有一个基站响应，则向响应基站发送msg3消息。

（3）若两基站均响应，且msg3发送时间不冲突，则分别向两个基站发送msg3消息，并接入最先返回竞争解决消息的基站中。

（4）若两基站均响应，但msg3发送时间冲突，则放弃接入候选小区。

该方案通过抢占协作资源降低边缘高优先级接入的碰撞概率，从而提高接入成功率，降低接入时延。同时区分优先级的退避方案保证了不同QoS要求业务的接入质量。

在Matlab仿真环境中对本文提出的随机接入方案进行性能分析，并与文献［1］中的LTE标准接入方案进行对比。为突出所提方案对边缘用户高优先级接入性能改善的效果，在仿真结果中将所提方案按照图2所示的3种用户类别分别进行比较。假设各优先级的接入请求所占比例相同，高优先级门限为2，边缘用户比例为5%，其他参数与文献［1］建议相同。

图5和图6比较了本文所提新方案与LTE标准接入方案的平均接入成功率和平均接入时延随系统随机接入请求数量的增加而变化的情况。总体来讲，新方案的系统接入成功率平均提高0.13%，接入时延平均降低0.57%，接入性能略有提高。但边缘高优先级接入由于采用多发的接入流程且优化了退避算法，接入性能明显提高，接入成功率平均提高1.20%，接入时延平均降低69.33%。中心高优先级接入由于采用了区分优先级的退避算法，接入性能也有所提高，接入成功率平均提高0.77%，接入时延平均降低29.52%。所有低优先级接入成功率平均降低0.19%，接入时延平均提高14.90%，接入性能略有下降。

低优先级用户接入性能的下降是由于部分相邻小区的边缘用户在发起高优先级接入时抢占了本小区资源而引起的，但因为本小区的部分边缘高优先级接入同样可能抢占了其他小区的资源，减少了对本小区资源的竞争，所以低优先级用户接入性能下降的幅度不大。另外，由于所设定的低优先级接入的时效性要求并不是太高，因此较小的时延增加并不会影响用户的业务使用和感知质量。总的来说，所提方案的接入性能优于LTE标准方案。

图5 接入成功率对比Fig.5 Access success rate comparison

图6 接入时延对比Fig.6 Access delay comparison

6 结论

本文提出的基于CoMP的随机接入方案虽然对系统整体接入性能只是略有提高，但却以较小的代价大大提高了边缘高优先级用户的接入性能，可以有效适应LTE-A CoMP系统无缝式业务和自由的无线接入的需求。由于本文仿真实验过程中设定的边缘用户比例较小，该方案在实际网络情况下性能可能会更好一些。用户比例和优先级类别的灵活设定能够较好地适应系统对边缘用户或高优先级用户的特殊需求。然而，该方案涉及的多发随机接入流程尽管有以上优势但也有计算复杂度大、信息维护开销大等缺点，在未来的工作中可以针对这些缺点进行进一步研究和改进。

［1］3GPP TS 36.321，Medium Access Control（MAC）protocol specification［S］.

［2］3GPP R1-091688，Potential gain of DL CoMP with joint transmission［S］.

［3］普天信息技术研究院有限公司.竞争随机接入的方法、系统和演进基站：中国，200910093893［P］，2009.

China Putian Institute of Technology.Competitive random access method，system and evolution base station：China，200910093893［P］，2009.（in Chinese）

［4］普天信息技术研究院有限公司.长期演进系统中的随机接入方法：中国，200910235442.3［P］，2009.

China Putian Institute of Technology.Long-term evolution system random access method：China，200910235442.3［P］，2009.（in Chinese）

［5］顾雪琳，田辉，杨宁，等.一种基于业务区分的随机接入方案［J］.北京邮电大学学报，2006，29（5）：59-62.

GU Xue-lin，TIAN Hui，YANG Ning，et al.A New Service -oriented Random Access Scheme［J］.Journal of Beijing U-niversity of Posts and Telecommunications，2006，29（5）：59-62.（in Chinese）

［6］Guo Tao，Carraseo Rolando.CRBAR：Cooperative relaybased auto rate MAC for multirate wireless networks［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（12）：5938-5947.

［7］3GPP R1-083569，Further discussion on Inter-Cell Interference Mitigation through Limited Coordination［S］.

［8］3GPP TS 36.304，User Equipment（UE）procedures in idle mode［S］.

LU Xian-qi was born in Dongning，Heilongjiang Province，in 1984.She is currently working toward the Ph.D.degree.Her research concerns broadband wireless communications，cooperative communication，service quality management.

Email：luxianqi＠gmail.com

周文安（1971—），女，陕西西安人，副教授、硕士生导师，主要研究方向为下一代网络、协作通信、业务质量管理；

ZHOU Wen-an was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1971.She is now an associate professor and also the instructor of graduate students.Her research concerns next generation network，cooperative communication，service quality management.

朱超平（1986—），男，湖南永州人，硕士研究生，主要研究方向为业务质量管理及计算机应用技术；

ZHU Chao-ping was born in Yongzhou，Hunan Province，in 1986.He is now a graduate student.His research direction is service quality management and computer application technology.

宋俊德（1938—），男，河北沧州人，教授、博士生导师，主要研究方向为宽带无线通信及互联网、未来通信、共性服务理论与技术。

SONG Jun-de was born in Cangzhou，Hebei Province，in 1938.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns broadband wireless communications and the Internet，future communications，common services theory and technology.

A Random Access Scheme Based on CoMP

LU Xian-qi，ZHOU Wen-an，ZHU Chao-ping，SONG Jun-de
（School of Computer Science，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）

A new multiple random access process is proposed based on Coordinated Multi-point（CoMP）transmission and reception.And the access priority is designed according to the purpose of random access and the type of service.On this basis，a new random access scheme is discussed.This scheme provides different access mechanisms to different types of random access requests，and ensures the edge users′access performances and the QoS requirements of different services.Simulation results show that，compared with the LTE standard random access program，the overall system access performances increase slightly，and the edge high-priority access performances increase greatly.

LTE-A；random access；CoMP；access priority；backoff algorithm

The National Science and Technology Major Project（2009ZX03003-003-01）；ZTE Research Project

TN92

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.003

卢宪祺（1984—），女，黑龙江东宁人，博士研究生，主要研究方向为宽带无线通信、协作通信、业务质量管理；

1001-893X（2012）05-0619-05

2011-11-23；

2012-03-05

国家重大科技专项项目（2009ZX03003-003-01）；中兴产学研项目