5G非授权频段通信的低时延随机接入机制研究

余 乾

（中国移动通信集团中国移动通信集团陕西有限公司榆林分公司，陕西 榆林 719000）

0 引 言

随着移动通信的迅速发展，无线数据业务呈现爆发式增长，并不断挑战网络容量限制。为提高网络容量，移动运营商引入了许多技术，进一步提高了频谱利用率，使得其不断挖掘新的可用的频谱资源。但是，运营商可用的频谱资源是有限的，尽管当前低频段的频谱资源已经饱和，但是5G频段存在的可使用的频谱仍然是值得挖掘的资源。在资源挖掘过程中，激增的并发连接用户数造成的无线信道拥塞问题尤为突出[1]。在满足大量无线连接需求的过程中，低时延随机接入机制成为产业界的研究热点。

1 节点传输概率计算

为避免设计的低时延随机接入机制同时检测到信道空闲进行传输而造成碰撞现象的发生，在5G非授权频段通信的低时延随机接入机制建立之前，预先计算节点传输概率。在用户随机接入过程中，信道状态由空闲与繁忙状态切换时，是最容易发生碰撞的，这是因为很多传输节点都在等待传输信道变为可用信道，考虑到这种现象，计算节点传输概率[2]。在传输过程中，若检测到信道处于繁忙状态，则推迟进行下一步的信息传输，直到信道变为空闲信道时再进行发送。此后，节点进入随机退避阶段，若此阶段信道检测为繁忙状态，则该机制结束，重新执行随机退避。将上述传输行为抽象为一个马尔科夫链模型，将节点传输概率表示为：

式中：R代表数据传输过程中发生碰撞的概率；Y代表节点初始竞争窗大小；F代表节点最大退避阶段值；X、G分别代表起始及结束时刻数据传输时的稳态概率值。

在此基础上，计算传输碰撞概率值，计算表达式如下：

式中：a代表传输的数据量；U代表时隙均值的比值；c代表时隙长度；d代表节点一次数据传输成功时间的期望值。

2 非授权频段状态识别

在上述节点传输概率计算完成的基础上，识别非授权频段状态。由于基站在成功接入非授权频段后会进行系统信息的冗余发送，为了避免这一现象，要对非授权频段状态识别[3]。非授权频段上不能像授权频段一样准确无误地接收信息，在某一段时间内会存在无法接收的情况，因此需要检测信道状态，保证非授权频段的实际情况，以保存历次接入状态，供下次接入参考。当基站在上一次接入非授权频段失败时，基站需要调整数据发送周期，进行冗余发送。根据上一过程和系统接收情况选择如何接收信息，在多条非授权频段上接入信道，在信道可使用时发送系统消息。若在非授权信道繁忙的情况下，基站侧根据上一次信息接入情况动态调整数据的发送周期。

3 低时延随机接入实现

依据上述计算得到的节点传输概率值与非授权频段状态识别结果，设计5G非授权频段通信的低时延随机接入机制。此次研究提出两个随机接入机制，主要包含基于竞争的随机接入机制与基于非竞争的随机接入机制，随机接入过程分为以下4个步骤。

步骤1：用户向基站发送随机接入前导。随机接入前导的传输是随机接入过程的重要环节，传播的信息主要经过物理随机接入信道发送到基站。依据基站内的数据量，为用户分配合适的时频资源，在有随机接入请求时，基站明确指派该终端传送的前导序列。为避免发生多用户碰撞的现象，从请求中寻求优先序列。

步骤2：根据步骤1估计出的定时信息，网络向用户发送定时提前指令，以建立上行同步，同时为用户分配第三方上行传输资源。

步骤3：利用传输通道中的共享信道，向网络发送导致中断发送的相关身份标识，发送内容与用户的信息相关，尤其是用户身份是否在网络中已有记录。

步骤4：利用网络中的下行共享信道传输竞争解决信息，以解决多个终端共同访问资源的问题。通过该机制，减少用户接入失败的情况，并减少高延迟、丢包及无线资源和能量浪费现象的发生。

4 实验对比

为验证此次设计的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制的有效性，开展了相关实验，并将此次设计传输机制（方法一）与传统的5G双连接场景下的低传输时延切换机制（方法二）、5G网络低时延资源调度算法（方法三）进行对比。对比3种方法的传输后，用户碰撞次数、实验中链路级采用的主要参数配置如下：载波频率1 GHz，信道编码Turbo码，系统带宽10 MHz，传输时间间隔1 ms，用户天线配置单天线，基站天线配置双天线，信道模型以及用户速度ETU 3 km/h，用户过载率100%～150%，接收机类型迭代MMSE-IC。实验中，共有100个用户进行访问该信道。

4.1 用户碰撞次数对比

分别在不同时刻进行实验，3种方法的用户碰撞次数对比结果如表1所示。

表1 用户碰撞结果

由表1可知，此次设计的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制用户发生碰撞现象少，最多有3人发生碰撞，说明此次设计的接入机制有效减少了用户碰撞现象。

4.2 丢包率对比

丢包率指的是数据包在数据传输过程中，因为中途传输而导致部分数据包被丢失。因此，将丢包率作为衡量3种方法的重要指标。丢包率对比结果如表2所示。

表2 丢包率对比

从表2可知，此次研究的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制丢包率最低，说明该机制成功发送用户数据的概率较高。

4.3 数据传输时间对比

在不同时刻发送数据，5G双连接场景下的低传输时延切换机制、一种5G网络低时延资源调度算法与此次设计的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制的数据传输时间对比结果如表3所示。

表3 数据传输时间

从表3可知，此次研究的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制数据传输时间最短，100个用户数据的总体发送时间上不多于10 min，所耗费的发送时间较少。而5G双连接场景下的低传输时延切换机制与一种5G网络低时延资源调度算法的数据传输时间较长，其中一种5G网络低时延资源调度算法数据传输时间最长，数据传输效果较差。

实验表明，此次研究的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制减少了用户碰撞现象以及丢包率，并提高了数据传输时间，因此可证明此次研究方法的有效性。

5 结 论

此次研究的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制，从非竞争与竞争两方面实现了低时延随机接入机制的设计，能降低用户碰撞现象，并能降低用户与用户码字非正交性造成的干扰，提高并发数据数据传输时间，减少数据丢包率现象，降低用户能耗。此次研究的方法还存在一定的不足，在大量用户随机接入后，主要通过不断优化通信系统的物理层和上层，为用户随机接入提供更加灵活的空中接口，以实现更加高效轻量的信令交互。希望此次研究的5G非授权频段通信的低时延随机接入机制能为用户通信提供一定的帮助，以提高网络容量。