LTE-Advanced時隙接入中動態幀長選擇算法

（重慶郵電大學，重慶 400065）

LTE-Advanced時隙接入中動態幀長選擇算法

段紅光，盧松品，王利飛，王勝，李同會，譚丹

（重慶郵電大學，重慶 400065）

通過分析LTE-Advanced系統中基于時隙接入信道控制協議（SCACP）的隨機接入模型，提出一種時隙接入方法中接入幀長的優化算法。利用網絡實時接入負載實現時隙接入中動態幀長的選擇，使得優化后的接入幀長更適合當前接入負載，保障了較高的接入成功率，消除了不必要的接入時延，還在一定程度上減少了前導重傳次數。最后通過仿真驗證了所提動態幀長選擇算法的有效性和實用性。

LTE-Advanced；隨機接入；時隙接入；動態幀長

[8]提出上行分組數據到達聚合門限（packet aggregation threshold）后再連接網絡，從而降低了接入負載，但由于上行數據需要聚合，會對接入設備造成額外的接入時延。參考文獻[9]提出一種基于時隙接入信道控制協議（slotted accessbased channelaccess controlprotocol，SCACP），均衡網絡到達負載，當接入幀長為128幀時，設備接入成功率為95.6%，但該方法主要是保障 H2H用戶服務質量（quality of service，QoS），忽視了進一步降低接入時延。

本文主要針對參考文獻[9]提出的SCACP方法的時延特性進行優化，提出一種動態接入幀長選擇算法，減少了接入幀過長時不必要的接入時延，并且基本上不損失接入成功率，最后仿真驗證了所提方案有效可行。

2 系統模型及假設

2.1 時隙接入方法

LTE-Advanced（以下簡稱LTE-A）中基于競爭的隨機接入需要msg1-前導傳輸、msg2-隨機接入響應、msg3-調度請求和msg4-競爭解決 4條信令過程[12]，競爭設備僅在成功完成4條信令過程后視為接入成功。

參考文獻 [9,10]中已對基于時隙接入信道控制協議（SCACP）做了描述，其接入時序如圖1所示。LTE-A中將每10 ms劃分為1幀 （frame），1幀又分為10個子幀（subframe），每個子幀時間長度為1 ms。在時隙接入方法中，系統把可發起隨機接入的時隙視為網絡的隨機接入時隙（random access slot，RAslot），接入時隙間隔（TRA）配置為5個子幀，將若干接入時隙復合成為一個接入幀（access frame），接入設備從該合成的接入幀中選擇一個屬于自己的接入時隙發起隨機接入，不能占用其他用戶的接入時隙。若多個設備在同一接入時隙選擇相同碼字，則將發生碰撞，應執行退避后再發起接入，直到接入成功或到達最大重傳限制。

圖1 基于時隙接入信道控制協議時序

從圖1可知，時隙接入方法的接入幀包含L個RAslot，則接入幀長度為LTRA，TRA為相鄰接入時隙間隔。不同于其他擁塞控制方法，時隙接入方法是通過均勻分布到達負載到接入幀的各個接入時隙，發生碰撞后應在后續接入幀的對應時隙重傳，從而防止接入幀內負載過高，緩解擁塞的產生[9]。

2.2 接入模型分析

考慮小區內存在M個MTC設備，到達概率分布為P（t）。MTC發送前導后如果在子幀內未收到msg2響應，則本次接入發送碰撞是基站前導信號的處理時間，WRAR是msg2響應窗口長度，Wbo是設備均勻退避窗口長度。設備重傳所需要時隙數目用TW表示：

最后進入系統的設備可能在t=T立即發送前導信號或在接入幀內剩余（L-1）個接入時隙時發送前導信號，t1為首個設備進入系統的時間，最大重傳次數為Nptmax，則仿真接入時隙數Imax為：

基站對接收到的前導信號進行檢測和響應，其msg2的響應上限為NUL[12]。考慮基站檢測概率，因此接入時隙i第n次前導傳輸成功的設備數目可表示為：

其中，NA為前導碼的數目，M（i,n）表示i接入時隙第n次傳輸設備數目，分為首次傳輸和重傳：

其中，M為仿真設備的數目，Ms（i-TW，n-1）為接入時隙第（n-1）次前導傳輸成功的設備數目，M（i）為傳輸前導數目，

2.3 RACH性能分析

3GPP已在參考文獻[3]中定義了衡量蜂窩網隨機接入性能的衡量指標。本文定義以下指標來衡量所提算法的性能，具體描述如下。

（1）接入成功率

接入成功率表示仿真周期內M個設備中成功設備數目所占百分比。pf是msg3/msg4傳輸失敗的概率[9]，pf=0.1，因為msg3/msg4采用HARQ確保成功率，所以忽略pf對接入成功率的影響。接入成功率表示為：

其中，Imax為仿真接入時隙數。

（2）接入設備平均接入時延

設備接入時延考慮從數據到達到最后成功接入網絡所需時間，則平均接入時延為成功接入設備的總時延與成功接入設備的比值，接入失敗用戶不包含在內。平均接入時延表示為：

其中，Tmsg是msg3/msg4消息的平均重傳時間[11]，Tn為第n次前導傳輸成功所需時間，包含前（n-1）次重傳和第n次傳輸成功的時間，表示為：

（3）前導傳輸次數的累積概率分布

前導傳輸次數的累積概率分布為不超過m次前導傳輸接入成功的設備數目與總接入成功設備數目的比值，表示為：

（4）接入時延的累積概率分布

接入時延的累積概率分布為不超過給定時延的接入成功的設備數目與總接入成功設備數目的比值，表示為：

3 動態幀長選擇算法

3.1 算法實現

參考文獻[9]中已經分析和仿真說明了基于時隙接入信道控制協議緩解擁塞的有效性，但是其接入幀長設置不靈活，導致接入時延偏高。下面針對時隙接入方法提出優化，具體步驟如下。

步驟1網絡負載監測：預先定義高/低負載門限，基站采用滑動窗口內監視接入負載，取滑動窗口（Ws）為16 RAslot，系統廣播周期為80 ms。網絡負載的監測使用參考文獻[13]模型中的負載估計方法，其估計精度已得到驗證。

步驟2接入幀長選擇：當負載超過預先定義門限時，認為當前負載過高或過低，將更新接入幀長，使負載處于一個合理水平。用L表示其接入幀長，Hthr表示高負載下限，Lthr表示低負載上限。考慮網絡控制存在滯后性，采用滯后提前量R來降低過載時滯后性調節帶來的不利影響，R可以通過仿真結果獲取，這里R=10，修正后動態幀長選擇如算法1所示。

算法1動態幀長選擇

輸入前導信息（a,b,c），當前接入時隙i

輸出接入循環的長度L

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

（1）據前導狀態信息（a,b,c）估計當前滑動窗口內接入負載M′i并預測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

動態幀長選擇算法實現步驟已在第 3.1節做了詳細描述，為說明所提算法的控制效果，圖2對比了設備數目為20 000時的負載變化，其中圖2（a）是無控制算法的效果，圖2（b）是應用動態幀長選擇算法后的效果。

圖2 動態幀長算法的負載變化

可以看出，圖2（a）中負載峰值達到200個/RAslot，已出現嚴重過載，而圖2（b）中負載低于120個/RAslot且多次超過門限時都得到了有效控制，說明所提算法能有效控制網絡負載，防止過載現象的發生。

4 仿真結果分析

4.1 參數設置

本文中使用C++實現的LTE-SIM無線仿真平臺，網絡模式設置為FDD模式。本文使用3GPP在TR37.868定義的MTC隨機接入系統仿真參數，具體仿真參數可從參考文獻[3]中獲取。而且，考慮到仿真真實性，msg3/msg4采用HARQ機制來增加傳輸可靠性。參數配置見表1。

表1 基本參數配置

4.2 仿真與結果分析

為驗證本文提出動態幀長選擇算法切實有效，本文仿真對比不同接入幀長和參考文獻[9]算法的性能，采用第2.3節描述的衡量指標來分析所提算法的性能，具體仿真結果如圖3～圖6所示。

圖3 不同負載下的接入成功率

圖4 不同負載下的平均接入時延

圖5 30 000負載時前導傳輸次數的累積概率分布

圖6 30 000負載時接入時延的累積概率分布

圖3描述了MTC數量為5 000～30 000時不同算法的接入成功率情況，所提算法、幀長L=128和參考文獻[9]算法均高于95%，而L=64的接入成功率在負載為30 000個時已下降到65.7%，可以看出所提算法能有效控制接入負載，保證接入成功率。圖4顯示了不同算法的平均接入時延性能，可以看出，所提算法平均接入時延特性優于幀長L=128和參考文獻[9]算法。高負載情況（M＞20 000）下，動態幀長算法比參考文獻[9]算法的平均接入時延低 0.64 s，但在負載為30 000個時，動態幀長選擇算法的平均接入時延（1.63 s）高于L=64的平均接入時延（1.31 s），這是因為動態幀長選擇算法需要更長的接入幀來控制接入負載。說明所提算法能智能選擇接入幀長，減少不必要的退避時延，對接入時延特性提升明顯，圖6中的接入時延累積概率分布曲線也充分說明了這一點。

圖5是負載為30 000個時前導傳輸的累積概率分布曲線，可以看出動態幀長算法均高于其他曲線，說明所提算法良好，能在一定程度上減少前導重傳次數。幀長L=64的曲線略低于幀長L=128，是因為接入幀L=64時已經出現過載現象，圖3顯示接入成功率僅為65.7%，設備接入時需要更多的重傳次數。圖6描述接入時延的累積概率分布曲線，所提算法性能優于幀長L=128和參考文獻 [9]算法，但比幀長 L=64性能差，這是由于為控制接入負載，所提算法選用了大于64的接入幀長，導致接入時延曲線下降，但比幀長L=128和參考文獻[9]算法時延性能優越，更進一步說明了所提算法能在保證接入成功率的前提下，智能地選擇合適的接入幀長，從而降低接入時延。

5 結束語

為解決大量MTC終端同步性到達對無線接入網產生的沖擊，本文基于時隙接入信道控制協議提出一種動態幀長選擇算法，當負載高時選用較長的接入幀長，負載低時選用較短的接入幀長。隨后驗證了所提算法的負載控制性能并與其他算法進行仿真對比。從仿真結果來看，所提動態幀長選擇算法性能良好，能更智能地選擇合適的接入幀長，既保證了設備接入成功率，又降低了接入時延，還在一定程度上減少了前導重傳次數。但仿真中認為所有MTC設備具有相同的接入優先級，未考慮不同MTC設備類別之間的優先級區別。未來將引入接入優先級的概念，研究設備存在優先級情況下的隨機接入，使算法更具通用性和真實性。

參考文獻：

[1]3GPP.Service requirements for machine-type communications: TS22.368[S].2012.

[2]3GPP.System improvements for machine type communications: TR23.888[S].2012.

[3]3GPP.Studyon RANimprovementsformachinetypecommunication: TR37.868[S].2011.

[4]LARMO A,SUSITAIVAL R.RAN overload control for machine type communications in LTE[C]//GLOBECOM Workshops,Dec 3-7, 2012,Houston,Texas,USA.New Jersey:IEEE Press,2012: 1626-1631.

[5]CHOU C M,HUANG C Y,CHIU C Y.Loading prediction and barring controls for machine type communication [C]//IEEE International Conference on Communications,June 9-13,2013, Budapest,Hungary.New Jersey:IEEE Press,2013:5168-5172.

[6]LIN T M,LEE C H,CHENG J P,etal.PRADA:prioritized random access with dynamic access barring for MTC in 3GPP LTE-A networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014, 63(5):2467-2472.

[7]CHENG R G,CHEN J,CHEN D W,et al.Modeling and analysis of an extended access barring algorithm for machine-type communications in LTE-A networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2015,14(6):1.

[8]ZHOU K,NIKAEIN N.Random access with adaptive packet aggregation in LTE/LTE-A[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2016(1):1-15.

[9]WEIC H,CHENG R G,LIN Y S.Analysis of slotted-access-based channel access control protocol for LTE-Advanced networks[J]. Wireless Personal Communications,2015,85(1):9-27.

[10]3GPP.Load distribution for MTC devices,ALU/ASB,RAN270bis: R2-103759[S].2010.

[11]WEIC,BIANCHIG,CHENG R.Modeling and analysis of random accesschannelswith bursty arrivalsin OFDMAwireless networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2015,14(4）: 1940-1953.

[12]3GPP.Evolved universal terrestrial radio access (EUTRA）and evolved universalterrestrial radio accessnetwork(EUTRAN）;overall description;stage 2(release 10）V10.4.0:TS36.300[S].2011.

[13]段紅光,盧松品,王利飛,等.機器類通信中基于負載反饋的擁塞控制方法[J].電信科學,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

段紅光（1969-），男，重慶郵電大學正高級工程師、碩士生導師，主要研究方向為新一代寬帶移動通信核心芯片、協議及系統應用、寬帶無線通信。

盧松品（1990-），男，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為新一代寬帶移動通信核心芯片、無線接入網、5G MTC增強。

王利飛（1990-），男，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為移動通信、衛星系統時頻同步。

王勝（1990-），男，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為物聯網、無線資源管理。

李同會（1992-），女，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為移動通信技術、無線資源管理。

譚丹（1990-），女，重慶郵電大學碩士生，主要研究方向為5G雙連接技術及無線接入網。

2017-01-10；

：2017-02-23

國家科技重大專項基金資助項目（No.2015ZX03001026-002）

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

隨著無線連接的智能設備大量涌現，機器類通信（machine type communication，MTC）作為物聯網（internet of things，IoT）不可或缺的一部分，因其廣闊的市場前景和發展空間而逐漸受到關注和研究。MTC通信是一種不需要人為干預，MTC設備可以直接連接到網絡或其他MTC設備的無線通信技術[1]。相比于傳統人與人（human to human，H2H）通信中的語言和分組數據業務有很大的不同，其設備數量巨大，單小區設備數目超過3萬個；流量呈現同步性，到達服從Beta分布；單次通信數據量小且以上行流量為主[1,2]。這對均勻負載、高數據率設計的傳統蜂窩網無疑是一個不小的挑戰，尤其會造成接入網信令的擁塞，因此，下一代移動通信迫切需要合適的過載控制機制來解決擁塞問題[3]。

第三代合作伙伴組織（3rd Generation Partnership Project，3GPP）已開展相關研究，并取得了一定成果，TR37.868對接入網可能面臨的擁塞問題做了深入討論，并提出基于pull和基于push的控制方案來緩解擁塞產生[3]。其中基于push的接入類禁止（access class barring，ACB）機制因其能有效控制接入負載，參考文獻[4-6]中詳細闡述了ACB機制控制負載的有效性。參考文獻[7]還提出一種ACB控制機制的分析模型，但ACB機制可能在控制釋放階段再次擁塞，從而產生“乒乓效應”。