LTE-Advanced时隙接入中动态帧长选择算法

（重庆邮电大学，重庆 400065）

LTE-Advanced时隙接入中动态帧长选择算法

段红光，卢松品，王利飞，王胜，李同会，谭丹

（重庆邮电大学，重庆 400065）

通过分析LTE-Advanced系统中基于时隙接入信道控制协议（SCACP）的随机接入模型，提出一种时隙接入方法中接入帧长的优化算法。利用网络实时接入负载实现时隙接入中动态帧长的选择，使得优化后的接入帧长更适合当前接入负载，保障了较高的接入成功率，消除了不必要的接入时延，还在一定程度上减少了前导重传次数。最后通过仿真验证了所提动态帧长选择算法的有效性和实用性。

LTE-Advanced；随机接入；时隙接入；动态帧长

[8]提出上行分组数据到达聚合门限（packet aggregation threshold）后再连接网络，从而降低了接入负载，但由于上行数据需要聚合，会对接入设备造成额外的接入时延。参考文献[9]提出一种基于时隙接入信道控制协议（slotted accessbased channelaccess controlprotocol，SCACP），均衡网络到达负载，当接入帧长为128帧时，设备接入成功率为95.6%，但该方法主要是保障 H2H用户服务质量（quality of service，QoS），忽视了进一步降低接入时延。

本文主要针对参考文献[9]提出的SCACP方法的时延特性进行优化，提出一种动态接入帧长选择算法，减少了接入帧过长时不必要的接入时延，并且基本上不损失接入成功率，最后仿真验证了所提方案有效可行。

2 系统模型及假设

2.1 时隙接入方法

LTE-Advanced（以下简称LTE-A）中基于竞争的随机接入需要msg1-前导传输、msg2-随机接入响应、msg3-调度请求和msg4-竞争解决 4条信令过程[12]，竞争设备仅在成功完成4条信令过程后视为接入成功。

参考文献 [9,10]中已对基于时隙接入信道控制协议（SCACP）做了描述，其接入时序如图1所示。LTE-A中将每10 ms划分为1帧 （frame），1帧又分为10个子帧（subframe），每个子帧时间长度为1 ms。在时隙接入方法中，系统把可发起随机接入的时隙视为网络的随机接入时隙（random access slot，RAslot），接入时隙间隔（TRA）配置为5个子帧，将若干接入时隙复合成为一个接入帧（access frame），接入设备从该合成的接入帧中选择一个属于自己的接入时隙发起随机接入，不能占用其他用户的接入时隙。若多个设备在同一接入时隙选择相同码字，则将发生碰撞，应执行退避后再发起接入，直到接入成功或到达最大重传限制。

图1 基于时隙接入信道控制协议时序

从图1可知，时隙接入方法的接入帧包含L个RAslot，则接入帧长度为LTRA，TRA为相邻接入时隙间隔。不同于其他拥塞控制方法，时隙接入方法是通过均匀分布到达负载到接入帧的各个接入时隙，发生碰撞后应在后续接入帧的对应时隙重传，从而防止接入帧内负载过高，缓解拥塞的产生[9]。

2.2 接入模型分析

考虑小区内存在M个MTC设备，到达概率分布为P（t）。MTC发送前导后如果在子帧内未收到msg2响应，则本次接入发送碰撞是基站前导信号的处理时间，WRAR是msg2响应窗口长度，Wbo是设备均匀退避窗口长度。设备重传所需要时隙数目用TW表示：

最后进入系统的设备可能在t=T立即发送前导信号或在接入帧内剩余（L-1）个接入时隙时发送前导信号，t1为首个设备进入系统的时间，最大重传次数为Nptmax，则仿真接入时隙数Imax为：

基站对接收到的前导信号进行检测和响应，其msg2的响应上限为NUL[12]。考虑基站检测概率，因此接入时隙i第n次前导传输成功的设备数目可表示为：

其中，NA为前导码的数目，M（i,n）表示i接入时隙第n次传输设备数目，分为首次传输和重传：

其中，M为仿真设备的数目，Ms（i-TW，n-1）为接入时隙第（n-1）次前导传输成功的设备数目，M（i）为传输前导数目，

2.3 RACH性能分析

3GPP已在参考文献[3]中定义了衡量蜂窝网随机接入性能的衡量指标。本文定义以下指标来衡量所提算法的性能，具体描述如下。

（1）接入成功率

接入成功率表示仿真周期内M个设备中成功设备数目所占百分比。pf是msg3/msg4传输失败的概率[9]，pf=0.1，因为msg3/msg4采用HARQ确保成功率，所以忽略pf对接入成功率的影响。接入成功率表示为：

其中，Imax为仿真接入时隙数。

（2）接入设备平均接入时延

设备接入时延考虑从数据到达到最后成功接入网络所需时间，则平均接入时延为成功接入设备的总时延与成功接入设备的比值，接入失败用户不包含在内。平均接入时延表示为：

其中，Tmsg是msg3/msg4消息的平均重传时间[11]，Tn为第n次前导传输成功所需时间，包含前（n-1）次重传和第n次传输成功的时间，表示为：

（3）前导传输次数的累积概率分布

前导传输次数的累积概率分布为不超过m次前导传输接入成功的设备数目与总接入成功设备数目的比值，表示为：

（4）接入时延的累积概率分布

接入时延的累积概率分布为不超过给定时延的接入成功的设备数目与总接入成功设备数目的比值，表示为：

3 动态帧长选择算法

3.1 算法实现

参考文献[9]中已经分析和仿真说明了基于时隙接入信道控制协议缓解拥塞的有效性，但是其接入帧长设置不灵活，导致接入时延偏高。下面针对时隙接入方法提出优化，具体步骤如下。

步骤1网络负载监测：预先定义高/低负载门限，基站采用滑动窗口内监视接入负载，取滑动窗口（Ws）为16 RAslot，系统广播周期为80 ms。网络负载的监测使用参考文献[13]模型中的负载估计方法，其估计精度已得到验证。

步骤2接入帧长选择：当负载超过预先定义门限时，认为当前负载过高或过低，将更新接入帧长，使负载处于一个合理水平。用L表示其接入帧长，Hthr表示高负载下限，Lthr表示低负载上限。考虑网络控制存在滞后性，采用滞后提前量R来降低过载时滞后性调节带来的不利影响，R可以通过仿真结果获取，这里R=10，修正后动态帧长选择如算法1所示。

算法1动态帧长选择

输入前导信息（a,b,c），当前接入时隙i

输出接入循环的长度L

初始化 L=1；Lmax=128；Hthr=120；Lthr=40；R=10

（1）据前导状态信息（a,b,c）估计当前滑动窗口内接入负载M′i并预测M′i+1；

（2）if i mod Ws=0 then

（3） if M′i+1＞Hthr-R and 2L≤Lmaxthen

（4） return L=2L;

（5） else if M′i+1＜Lthrthen

（6） return L=L/2;

（7） else if Lthr＜M′i+1＜Hthr-R then

（8） return L=L;

（9） end if

（10）end if

3.2 算法性能

动态帧长选择算法实现步骤已在第 3.1节做了详细描述，为说明所提算法的控制效果，图2对比了设备数目为20 000时的负载变化，其中图2（a）是无控制算法的效果，图2（b）是应用动态帧长选择算法后的效果。

图2 动态帧长算法的负载变化

可以看出，图2（a）中负载峰值达到200个/RAslot，已出现严重过载，而图2（b）中负载低于120个/RAslot且多次超过门限时都得到了有效控制，说明所提算法能有效控制网络负载，防止过载现象的发生。

4 仿真结果分析

4.1 参数设置

本文中使用C++实现的LTE-SIM无线仿真平台，网络模式设置为FDD模式。本文使用3GPP在TR37.868定义的MTC随机接入系统仿真参数，具体仿真参数可从参考文献[3]中获取。而且，考虑到仿真真实性，msg3/msg4采用HARQ机制来增加传输可靠性。参数配置见表1。

表1 基本参数配置

4.2 仿真与结果分析

为验证本文提出动态帧长选择算法切实有效，本文仿真对比不同接入帧长和参考文献[9]算法的性能，采用第2.3节描述的衡量指标来分析所提算法的性能，具体仿真结果如图3～图6所示。

图3 不同负载下的接入成功率

图4 不同负载下的平均接入时延

图5 30 000负载时前导传输次数的累积概率分布

图6 30 000负载时接入时延的累积概率分布

图3描述了MTC数量为5 000～30 000时不同算法的接入成功率情况，所提算法、帧长L=128和参考文献[9]算法均高于95%，而L=64的接入成功率在负载为30 000个时已下降到65.7%，可以看出所提算法能有效控制接入负载，保证接入成功率。图4显示了不同算法的平均接入时延性能，可以看出，所提算法平均接入时延特性优于帧长L=128和参考文献[9]算法。高负载情况（M＞20 000）下，动态帧长算法比参考文献[9]算法的平均接入时延低 0.64 s，但在负载为30 000个时，动态帧长选择算法的平均接入时延（1.63 s）高于L=64的平均接入时延（1.31 s），这是因为动态帧长选择算法需要更长的接入帧来控制接入负载。说明所提算法能智能选择接入帧长，减少不必要的退避时延，对接入时延特性提升明显，图6中的接入时延累积概率分布曲线也充分说明了这一点。

图5是负载为30 000个时前导传输的累积概率分布曲线，可以看出动态帧长算法均高于其他曲线，说明所提算法良好，能在一定程度上减少前导重传次数。帧长L=64的曲线略低于帧长L=128，是因为接入帧L=64时已经出现过载现象，图3显示接入成功率仅为65.7%，设备接入时需要更多的重传次数。图6描述接入时延的累积概率分布曲线，所提算法性能优于帧长L=128和参考文献 [9]算法，但比帧长 L=64性能差，这是由于为控制接入负载，所提算法选用了大于64的接入帧长，导致接入时延曲线下降，但比帧长L=128和参考文献[9]算法时延性能优越，更进一步说明了所提算法能在保证接入成功率的前提下，智能地选择合适的接入帧长，从而降低接入时延。

5 结束语

为解决大量MTC终端同步性到达对无线接入网产生的冲击，本文基于时隙接入信道控制协议提出一种动态帧长选择算法，当负载高时选用较长的接入帧长，负载低时选用较短的接入帧长。随后验证了所提算法的负载控制性能并与其他算法进行仿真对比。从仿真结果来看，所提动态帧长选择算法性能良好，能更智能地选择合适的接入帧长，既保证了设备接入成功率，又降低了接入时延，还在一定程度上减少了前导重传次数。但仿真中认为所有MTC设备具有相同的接入优先级，未考虑不同MTC设备类别之间的优先级区别。未来将引入接入优先级的概念，研究设备存在优先级情况下的随机接入，使算法更具通用性和真实性。

参考文献：

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[13]段红光,卢松品,王利飞,等.机器类通信中基于负载反馈的拥塞控制方法[J].电信科学,2016,32(11):26-31. DUAN H G,LU S P,WANG L F,etal.A congestion controlmethod on loading-feedback in MTC[J].Telecommunications Science, 2016,32(11):26-31.

Dynam ic frame length selection algorithm for slotted access in LTE-Advanced

DUAN Hongguang,LU Songpin,WANG Lifei,WANG Sheng,LI Tonghui,TAN Dan
Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China

Through analyzing the random access model of slotted access based channel access control protocol (SCACP)in LTE-Advanced system,an optimization algorithm for access frame length selection based on slotted access was proposed.The dynamic frame length selection in slotted access based on network real-time access load was realized.Moreover,the optimized access frame length was more suitable for current access load than before.It could ensure a high success rate of access,elim inate the unnecessary access delay and decrease the number of retransmissions to some extent.The simulation results demonstrate that the proposed dynamic frame length selection algorithm is more effective and practical.

LTE-Advanced,random access,slotted access,dynamic frame length

TN915.6

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017060

1 引言

段红光（1969-），男，重庆邮电大学正高级工程师、硕士生导师，主要研究方向为新一代宽带移动通信核心芯片、协议及系统应用、宽带无线通信。

卢松品（1990-），男，重庆邮电大学硕士生，主要研究方向为新一代宽带移动通信核心芯片、无线接入网、5G MTC增强。

王利飞（1990-），男，重庆邮电大学硕士生，主要研究方向为移动通信、卫星系统时频同步。

王胜（1990-），男，重庆邮电大学硕士生，主要研究方向为物联网、无线资源管理。

李同会（1992-），女，重庆邮电大学硕士生，主要研究方向为移动通信技术、无线资源管理。

谭丹（1990-），女，重庆邮电大学硕士生，主要研究方向为5G双连接技术及无线接入网。

2017-01-10；

：2017-02-23

国家科技重大专项基金资助项目（No.2015ZX03001026-002）

Foundation Item:The National Science and Technology Major Project of China(No.2015ZX03001026-002)

随着无线连接的智能设备大量涌现，机器类通信（machine type communication，MTC）作为物联网（internet of things，IoT）不可或缺的一部分，因其广阔的市场前景和发展空间而逐渐受到关注和研究。MTC通信是一种不需要人为干预，MTC设备可以直接连接到网络或其他MTC设备的无线通信技术[1]。相比于传统人与人（human to human，H2H）通信中的语言和分组数据业务有很大的不同，其设备数量巨大，单小区设备数目超过3万个；流量呈现同步性，到达服从Beta分布；单次通信数据量小且以上行流量为主[1,2]。这对均匀负载、高数据率设计的传统蜂窝网无疑是一个不小的挑战，尤其会造成接入网信令的拥塞，因此，下一代移动通信迫切需要合适的过载控制机制来解决拥塞问题[3]。

第三代合作伙伴组织（3rd Generation Partnership Project，3GPP）已开展相关研究，并取得了一定成果，TR37.868对接入网可能面临的拥塞问题做了深入讨论，并提出基于pull和基于push的控制方案来缓解拥塞产生[3]。其中基于push的接入类禁止（access class barring，ACB）机制因其能有效控制接入负载，参考文献[4-6]中详细阐述了ACB机制控制负载的有效性。参考文献[7]还提出一种ACB控制机制的分析模型，但ACB机制可能在控制释放阶段再次拥塞，从而产生“乒乓效应”。