TD-LTE随机接入前导码优先级控制算法

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1、TD-LTE随机接入前导码优先级控制算法李校林;胡楠;付澍【摘 要】According to the analysis of the random access process, considering that TD-LTE system random access preamble choice and assignment plan, this paper proposes a kind of control algorithm based on the priority level of the random access preamble selectivity. By increa

2、sing the preamble based on the priority level, the dedicated users can use this priority level. This algorithm can reduce the system broadcast resources and adapt scenes of different call arrive rate. Simulation result indicates that this algorithm can raise the access success ratio of the different

3、 load.% 对TD-LTE系统随机接入过程进行分析，提出一种基于前导码优先级的随机接入前 导码选择控制算法,增加基于优先级的前导码,由专用用户优先使用，由此减少系统广 播资源，降低接入时延,提高接入成功率,解决碰撞问题.仿真结果证明,该算法可提高 网络不同负载情况下的接入成功率.【期刊名称】计算机工程 【年(卷)，期】2012(038)012 【总页数】3页(P69-71) 【关键词】随机接入;前导码;分配方案;优先级;广播资源;接入成功率 【作者】李校林;胡楠;付澍【作者单位】重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆400065；重庆信科设计有 限公司，重庆400065;重庆邮电大学通信新

4、技术应用研究所，重庆400065;重庆邮电 大学通信新技术应用研究所，重庆400065 【正文语种】中文【中图分类】TN929.51概述TD-LTE是3G的长期演进1，采用了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)、分组交换、多输入多输出(Multi-input Multioutput, MIMO)等技术，它要求提供比以往通信系统更低的接入时延、更大的容 量、更高的数据传输率。随机接入是媒体接入控制(Media Access Control, MAC) 层的一项重要技术，是通信系统中UE与eNodeB建立连接和传送数据的首

5、要步 骤。移动用户增加及服务类型复杂化必然导致突发业务的频繁出现，随机接入技术 可能成为TD-LTE系统无线接入过程的瓶颈，随机接入的成功率和接入时延会直接 影响业务质量。快速有效的接入过程将对系统性能的提升具有重要的影响2。因 此，设计一种快速有效的接入方法对提高TD-LTE系统的性能具有重要意义。如何 最优地管理和选择前导码资源是提高随机接入性能的一项关键技术。本文重点研究 随机接入的码字资源，通过分析随机接入过程，提出一种基于优先级的前导码选择 控制算法，以获得更高的接入性能。2 TD-LTE随机接入过程TD-LTE随机接入过程有2种模式3:基于竞争的接入和基于非竞争的接入。每个 LTE

6、小区的前导签名个数固定为64个，2种接入过程依赖于将这些签名分割用于 基于竞争的接入和留给用于非竞争接入的特殊用户。随机接入过程主要应用于5种场景：（1）RRC连接建立；（2）RRC连接重建；（3）切 换；（4）下行数据到达且UE空口处于上行失步状态；（5）上行数据到达且UE空口 处于上行失步状态。竞争随机接入适用于这5种场景，对于切换和下行数据到达 场景，eNodeB将优先选择非竞争随机接入，当非竞争随机接入资源不够时，会 指示。发起竞争随机接入。基于竞争的随机接入过程分为4步4-5，即发送随机接入前导码序列、随机接入 响应、发送消息3（针对上文场景、消息3包含不同内容，如初始接入场景，消息

7、 3携带RRC生成的RRC连接请求消息；在切换场景，传输RRC层生成的RRC切 换完成消息及UE的C-RNTI）、竞争解决，见图1。基于非竞争的随机接入主要有 3步，即随机接入前导码指示、发送随机接入前导码序列、随机接入响应，见图2。 图1基于竞争模式的随机接入图2基于非竞争模式的随机接入随机接入的首要过程是前导码序列的选择及分配。在下行数据到达和切换场景时， eNodeB会对UE分配专用的签名序列避免竞争，使用非竞争模式接入，当UE在 RRC连接等初始接入场景时，在广播信息获得的随机接入前导码序列中随机选择 一个前导码序列发起竞争接入。在切换等场景下，网络已经知道用户的信息，不需要身份识别和

8、资源申请，可以直 接为用户分配前导码资源接入网络，从而降低接入时延，提高接入成功率，如果没 有足够的预留资源，则任何场景的用户都需要通过竞争来获取资源，给用户预留足 够的资源可以有效地解决碰撞问题，降低时延，提高吞吐率和接入成功率，但随机 接入资源是有限的，当多用户进行随机接入时，不可避免会产生碰撞。3前导码选择控制算法TD-LTE将前导码资源分为2组6: 一组用于竞争用户发起竞争随机接入；另一组 预留为专用用户发起非竞争随机接入。其中，用于竞争的前导签名序列又根据路损 大小和消息3的大小分为组A和组B。当用户发起切换随机接入时，eNodeB将预留前导码资源（Nd）分配给UE, UE发 送该前

9、导码进行非竞争随机接入。当用户发起初始随机接入时，从64-Nd个用于 PRACH的前导码资源中等概率地选择一个发起竞争随机接入。根据2种随机接入 模式的前导控制，TD-LTE提出了 2种前导码管理方案7-8： 一种为静态管理方 案，系统设定固定的竞争用户和专用用户前导数目，通过广播信息通知小区内所有 UE，完成协议后不再改变；另一种为动态（也称为半静态）管理方案。网络根据自身 情况调整2种前导数目集合，周期性地发送给小区内所有UE。在静态管理方案中， 2种前导码集合是分开且固定不变的，选择不同前导码不会发生碰撞，eNodeB只 需广播一次信息，节省系统资源，但是2种码字集合数目设定不合理会造成

10、码字 资源的浪费并降低接入成功率，无法适合2种用户呼叫到达率变动较大的场景。在动态管理方案中，网络动态调整2种前导码集合，周期性地将前导信息广播给 小区内所有用户，弥补了静态方案中的缺陷，但要以周期性广播信息作为代价。 为了平衡2种方案的性能，本文提出一种基于优先级的前导码选择控制算法，对 系统接入性能进行优化。传统方案与优先级方案的码字分配见图3。图3传统方案与优先级方案的码字分配在静态及动态方案中，将前导码资源分成2个集合：一个用于切换和下行数据到 达等专用用户；另一个用于RRC连接建立及重建等初始接入的竞争用户。基于优 先级的方案则将前导码资源分为3个集合：（1）用于切换等专用用户；（2

11、）用于初始 接入等竞争用户；是专用用户和竞争用户都可以选择使用的前导集合，但是要 按照优先级别进行资源分配，其中，专用用户优先级高于竞争用户。当有专用用户 时，专用用户优先分配前导，然后竞争用户才进行前导选择。三部分前导码集合设 定后不再改变，添加的优先级前导码集合部分可以更好地适应2种用户呼叫到达 率变化较大的场景，并且避免了动态方案中对广播资源的浪费。在从数学上分析传统方案和本文方案的接入成功率和阻塞率前，先给出表1所示 的参数。表1参数设置参数参数说明N c竞争前导码数量N s基于优先级前导码数量N d 专用前导码数量X竞争用户数量Y专用用户数量P d专用用户接入成功率P c竞 争用户接

12、入成功率入d同时到达一个信道专用用户数量（服从泊松分布赛同时到达 个信道竞争用户数量（服从泊松分布）1/P N竞争用户在没有专用用户竞争时选择 前导码的概率假设同时到达一个接入信道资源的用户服从泊松分布，在基于用户优先级的方案中， 当前导码资源不足时，专用用户可选择竞争前导码进行随机接入，但竞争用户无法 选择专用前导码进行随机接入。3.1动静态前导码管理方案的接入成功率在专用用户数量小于等于专用前导码数量，即YNd时，专用用户接入条件概率 为：3.2基于用户优先级前导码管理方案接入成功率在专用用户数量小于等于专用前导码数量，即YNd时，专用用户接入条件概率 为：竞争用户接入条件概率为：在专用用

13、户数量大于专用前导码且小于等于专用前导码和基于优先级前导码数量之 和时，专用用户接入条件概率为：竞争用户接入成功条件概率为：4仿真与性能分析根据随机接入过程分析，TD-LTE系统前导码数量为64个，本节对2种前导码管 理方案性能对比进行了 Matlab仿真验证。仿真条件和参数设置如下：签名序列： 长度为839的ZC序列；接入时隙长度：1 ms；接入周期：10 ms； IDFT子载波 数：1024；退避算法：无退避；最大重传次数：4。定量基于2种用户呼叫到达率对前导码数量分组，传统前导码为2个方案：方案 1的专用前导码数量为4，竞争前导码数量为60；方案2的专用前导码数量为16， 竞争前导码数量

14、为48。本文方案(方案3)中，专用前导码数量为4，优先级前导码 数量为12，竞争前导码数量为48。设定不同的专用用户和竞争用户到达的数量，分别在1：(d入=0.2 ms,c入=0.2 ms) ； 2：(d入=0.2 ms,c入=1 ms)； 3 ：(d入=0.2 ms,c入=1.2 ms)； 4 ：(d入=1 ms ,cA=0.2 ms)； 5 ：(d入=1.2 ms ,cA=0.2 ms)； 6 ：(d入=0.7 ms,c入=0.7 ms) 这6种呼叫到达率情况下对3组前导码的接入性能进行仿真分析，其中，专用用 户接入成功率仿真结果如图4所示；竞争用户接入成功率仿真结果如图5所示。图4专用用

15、户接入成功率图5竞争用户接入成功率从专用用户和竞争用户在3种方案下的接入成功率仿真结果可以看出，在专用用 户负载小、竞争用户负载大时，针对整体用户接入成功率，改进的方案3不如传 统算法方案1但优于方案2。在竞争用户负载较小而专用用户负载大时，其性能 稍低于方案1,在专用用户负载较大时，方案3性能稍低于方案2但优于方案1。 虽然方案3无法达到方案1和方案2的最优性能，但是从仿真结果可以看出，方 案3在整体情况下对于用户都能保持一个可接受的接入成功率。图4、图5表明， 方案1无法适应网络负载变化的环境，当专用用户和竞争用户数量变化较大时， 系统性能严重下降，方案2相当于方案1的动态变化虽能适应变化

16、网络，但要不 断广播前导数量变化状况，消耗系统资源，方案3弥补了前2种方案的缺点，在 适应网络负载变化的同时减少了系统广播资源的浪费，对于整体系统性能的提升有 较大意义。5结束语本文优化方案在克服传统方案缺点的同时，能保证整体性能在可接受的范围。改进 后的前导码选择控制算法不仅能够很好地解决时延问题，保证用户的接入成功率， 而且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。本文在处理前导码分配方案时基于工程中的话务统计， 后续工作将对分配方案从数学角度进行最优化分析。参考文献1 王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计M.北京:人民邮电出

17、版社,2010.2 王 晋.LTE随机接入技术研究D.西安:西安科技大学,2009.3 沈 嘉索士强.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,2009.4 谷向阳,李贵勇.TD-LTE随机接入过程的研究与分析J.光通信研究,2010, 36(4): 62-66.5 3GPP.3GPP TS 36.321-2010 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E- UTRA) and Medium Access Control(MAC)Protocol SpecificationS.2010.6 3GPP.3GPP TS 36.300-2010 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E- UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access NetworkS.2010.7 Panasonic.Random Access Preamble Signatures UsageZ.2010.8 LG Electronics.Use of Dedicated RACH SignaturesZ.2010.