一種基于CoMP的隨機接入方案?

盧憲祺，周文安，朱超平，宋俊德

一種基于CoMP的隨機接入方案?

盧憲祺，周文安，朱超平，宋俊德

（北京郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100876）

提出了一種新的基于協(xié)作多點傳輸和接收（CoMP）技術(shù)的多發(fā)隨機接入流程，并根據(jù)隨機接入的目的和業(yè)務(wù)類型設(shè)計了接入優(yōu)先級，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新的隨機接入方案，對不同類型的隨機接入請求提供不同的接入機制，以保證邊緣用戶的接入性能和滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求。仿真結(jié)果表明，與LTE標(biāo)準(zhǔn)隨機接入方案相比，該方案對系統(tǒng)整體接入性能略有提高，且大大提高了邊緣高優(yōu)先級用戶的接入性能。

LTE-A；隨機接入；CoMP；接入優(yōu)先級；退避算法

1 引言

隨機接入過程是終端在開始和網(wǎng)絡(luò)通信之前的首要過程，是保證通信建立的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要用于用戶的初始注冊、上行同步及用戶資源需求的申請等［1］。隨機接入過程直接影響到系統(tǒng)的性能。LTE -A系統(tǒng)要求實現(xiàn)無縫式業(yè)務(wù)和自由的無線接入，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，要求節(jié)點接入技術(shù)既要保證較高的接入成功率，又要保證較低的接入時延。另外，LTE-A系統(tǒng)十分關(guān)注邊緣用戶的性能，力圖通過協(xié)作多點傳輸和接收（Coordinated Multi-point Transmission and Reception，CoMP）等技術(shù)降低邊緣地帶的小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)吞吐量和邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量［2］。CoMP技術(shù)的引入使得傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中終端間、基站間以及終端與基站之間的拓?fù)潢P(guān)系及通信行為變得更為復(fù)雜，使得同一個用戶可能同時被多個小區(qū)服務(wù)。

隨機接入過程分為競爭的和非競爭的兩類，本文僅討論競爭的隨機接入過程。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加時，接入系統(tǒng)的用戶數(shù)目較多，各種接入請求數(shù)量也急劇增多，系統(tǒng)的容量和業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量會因用戶之間的頻繁碰撞而嚴(yán)重受損。因此希望采用一些技術(shù)手段來盡量減少這種碰撞。目前，解決這個問題的主要方法有定時重發(fā)接入請求［3］、連續(xù)多次發(fā)送隨機接入前導(dǎo)碼［4］、區(qū)分業(yè)務(wù)特性采取不同方案接入［5］、利用中繼節(jié)點來間接接入［6］等。定時重發(fā)和連續(xù)多發(fā)都是針對單一服務(wù)小區(qū)采取的時間上的復(fù)用方案，加入中繼節(jié)點間接接入從某種程度上講是空間上的復(fù)用方案，區(qū)分業(yè)務(wù)特性是組合性復(fù)合方案。這些方法都值得借鑒，特別是在CoMP系統(tǒng)中，空間協(xié)作和區(qū)分業(yè)務(wù)的思想能夠為隨機接入的碰撞問題提供一些新的解決思路。本文據(jù)此提出一種在CoMP環(huán)境下的多發(fā)隨機接入流程，設(shè)計了一種新的區(qū)分用戶和接入優(yōu)先級的隨機接入方案，重點解決邊緣用戶的接入問題和滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求。

2 總體設(shè)計思路

該基于CoMP的隨機接入方案適用的場景如圖1所示。考慮到某些隨機接入的時效性要求并不高，可以根據(jù)隨機接入的目的和業(yè)務(wù)類型設(shè)計接入優(yōu)先級。設(shè)定高優(yōu)先級門限，將隨機接入劃分為高優(yōu)先級接入和低優(yōu)先級接入兩類，再根據(jù)邊緣用戶和中心用戶的分類可將接入種類劃分為如圖2所示的4類。對高優(yōu)先級的接入過程采用優(yōu)化的退避算法，低優(yōu)先級的接入過程采用LTE標(biāo)準(zhǔn)退避算法。對邊緣用戶的高優(yōu)先級接入采用多發(fā)的隨機接入流程，其他接入采用LTE標(biāo)準(zhǔn)隨機接入流程。多發(fā)的隨機接入流程允許小區(qū)邊緣的用戶向多個小區(qū)發(fā)起高優(yōu)先級的接入請求，并接入最先響應(yīng)的小區(qū)中。此時若當(dāng)用戶首先接入的小區(qū)不是原駐留小區(qū)，在之后的通信過程中很大概率下將選擇原駐留小區(qū)進(jìn)行CoMP，故此法并不影響之后的通信過程，且能夠提高用戶的接入成功率，降低接入時延。

圖1 場景示意圖Fig.1 Scene schematic diagram

圖2 接入種類及方案示意圖Fig.2 Access types and solution schematic diagram

整個接入過程可分為4個步驟。

第一步，UE判斷所發(fā)起的接入請求是否為高優(yōu)先級。如果不是高優(yōu)先級，則按LTE標(biāo)準(zhǔn)接入方法進(jìn)行隨機接入；否則，執(zhí)行第二步。

第二步，UE判斷是否處于小區(qū)邊緣。如果UE是邊緣用戶，則執(zhí)行第三步；否則，按LTE標(biāo)準(zhǔn)隨機接入方法進(jìn)行隨機接入，但發(fā)生碰撞時按照區(qū)分優(yōu)先級的退避算法執(zhí)行。

第三步，UE進(jìn)行候選小區(qū)的選擇。此步中，UE根據(jù)候選小區(qū)選擇算法，從相鄰小區(qū)中選擇一個小區(qū)作為候選小區(qū)。

第四步，UE同時向駐留小區(qū)以及候選小區(qū)發(fā)起兩個獨立的隨機接入過程。只要至少有一個隨機接入過程成功，UE就成功接入網(wǎng)絡(luò)。在此階段中，若出現(xiàn)需要退避重傳的情況，按照區(qū)分優(yōu)先級的退避算法執(zhí)行。

3 方案中相關(guān)算法描述

3.1接入優(yōu)先級的判定

根據(jù)隨機接入的目的和業(yè)務(wù)類型，對UE的接入優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)定。

隨機接入的目的可分成如下5類［1］：

（1）請求初始接入的隨機接入；

（2）無線資源控制（Radio Resource Control，RCC）鏈接重建過程的隨機接入；

（3）切換過程中的隨機接入；

（4）上行“非同步”狀態(tài)時，UE在無線資源控制-連接（RRC-CONNECTED）狀態(tài)時，下行數(shù)據(jù)到達(dá)發(fā)起的隨機接入；

（5）上行“非同步”狀態(tài)時，UE在RRC-CONNECTED狀態(tài)時，上行數(shù)據(jù)到達(dá)發(fā)起的隨機接入。

另一方面，3GPP針對移動網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)QoS將業(yè)務(wù)類別分為會話類、流媒體類、交互類和背景類4大類。

綜合兩方面考慮設(shè)計接入優(yōu)先級如表1所示，優(yōu)先級1為最高優(yōu)先級，依次遞減，優(yōu)先級6為最低優(yōu)先級。

表1 接入優(yōu)先級Table 1 Access priority

3.2邊緣用戶的判定

采用SINR門限判定法來判定UE是否為邊緣用戶［7］。首先預(yù)定義一個SINR門限，UE根據(jù)其在駐留小區(qū)的SINR確定自身的類型：如果UE測得的SINR高于這個門限則該UE為中心用戶，反之則為邊緣用戶（cell-edge UE）。具體如下式：

其中，1代表邊緣用戶，0代表中心用戶。

合理的SINR門限可以通過仿真或?qū)嶋H測量給出，用以判定哪些用戶為邊緣用戶。

3.3候選小區(qū)的選擇

參照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范的小區(qū)選擇和重選過程［8］，設(shè)計候選接入小區(qū)的選擇過程如下。

（1）UE測量駐留小區(qū)周圍相鄰的小區(qū)基站信號強度，選擇信號強度最強的小區(qū)。

（2）讀取該相鄰小區(qū)的系統(tǒng)廣播消息，包括系統(tǒng)廣播消息中的注冊登記信息、接入服務(wù)等級以及基站物理層的一些相關(guān)信息。

（3）判斷以下3個條件是否滿足：即是否允許位置注冊登記、接入服務(wù)優(yōu)先級是否滿足要求、信號路徑損耗是否滿足要求。滿足則執(zhí)行步驟4；否則，返回步驟1，選擇信號強度次強的相鄰小區(qū)重新開始以上的步驟。

（4）選擇該相鄰小區(qū)為候選小區(qū)，UE維護(hù)接入該候選小區(qū)所需要的相關(guān)信息。

3.4區(qū)分優(yōu)先級的退避算法

假設(shè)系統(tǒng)的隨機接入優(yōu)先級有N個，1，2，…，N，1為最高優(yōu)先級，依次遞減。同時，假設(shè)UE已在之前的隨機接入響應(yīng)（RAR）中獲得了由eNB根據(jù)小區(qū)負(fù)載情況決定的退避索引BI（Backoff Index）。由此，UE可以根據(jù)BI得出退避參數(shù)值BPV（Backoff Parameter Value），也即退避時間［1］。

UE隨機接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)生碰撞而失敗后，讀取退避索引BI，以判斷是否需要執(zhí)行退避算法。如果此時BI的值為0，則說明此時小區(qū)的負(fù)載比較小，UE無需執(zhí)行退避算法，在下一個可用的隨機接入時刻直接重新發(fā)起隨機接入過程即可。如果BI的取值為非零，則說明小區(qū)的負(fù)載并不小，則需要執(zhí)行下面的退避步驟。

首先，根據(jù)3.1節(jié)所述判斷接入優(yōu)先級n。

然后，UE根據(jù)優(yōu)先級別n確定退避窗口大小。退避窗口大小的計算公式如下：

由公式可以看出，隨機接入的優(yōu)先級越高，其退避窗口越小，能夠使得其退避時延相對較小，從而能快速接入網(wǎng)絡(luò)。而優(yōu)先級低的隨機接入，其退避窗口就相對較大，因而使得其退避時間就可能較大，這樣就能將信道讓給對延遲要求高的隨機接入，從而滿足各種類型的隨機接入對時延的要求。

最后，執(zhí)行退避。與LTE中現(xiàn)有的退避方式一樣，在上一步確定的窗口中隨機選擇一個退避延遲，等待退避時間結(jié)束后，重新發(fā)起新一輪的隨機接入過程。

4 多發(fā)的隨機接入過程

LTE系統(tǒng)中基于競爭的隨機接入流程如圖3所示，分為隨機接入前導(dǎo)信號傳輸、隨機接入響應(yīng)、調(diào)度傳輸、競爭解決消息4個步驟，其中前導(dǎo)信號傳輸和資源調(diào)度環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生碰撞。為提高接入成功率并降低接入時延，應(yīng)盡量減少碰撞發(fā)生。

圖3 LTE基于競爭的隨機接入流程Fig.3 LTE random access procedure based on competition

5 仿真結(jié)果

在本文提出的基于CoMP的隨機接入方案中，第四個階段將對邊緣用戶的高優(yōu)先級接入發(fā)起如圖4所示的多發(fā)的隨機接入過程。

圖4 多發(fā)的隨機接入過程Fig.4 Multiple random access procedure

UE在兩個相鄰子幀分別向駐留小區(qū)和候選小區(qū)發(fā)送隨機接入前導(dǎo)碼。

（1）若無基站響應(yīng)，則根據(jù)接入優(yōu)先級退避。

（2）若只有一個基站響應(yīng)，則向響應(yīng)基站發(fā)送msg3消息。

（3）若兩基站均響應(yīng)，且msg3發(fā)送時間不沖突，則分別向兩個基站發(fā)送msg3消息，并接入最先返回競爭解決消息的基站中。

（4）若兩基站均響應(yīng)，但msg3發(fā)送時間沖突，則放棄接入候選小區(qū)。

該方案通過搶占協(xié)作資源降低邊緣高優(yōu)先級接入的碰撞概率，從而提高接入成功率，降低接入時延。同時區(qū)分優(yōu)先級的退避方案保證了不同QoS要求業(yè)務(wù)的接入質(zhì)量。

在Matlab仿真環(huán)境中對本文提出的隨機接入方案進(jìn)行性能分析，并與文獻(xiàn)［1］中的LTE標(biāo)準(zhǔn)接入方案進(jìn)行對比。為突出所提方案對邊緣用戶高優(yōu)先級接入性能改善的效果，在仿真結(jié)果中將所提方案按照圖2所示的3種用戶類別分別進(jìn)行比較。假設(shè)各優(yōu)先級的接入請求所占比例相同，高優(yōu)先級門限為2，邊緣用戶比例為5%，其他參數(shù)與文獻(xiàn)［1］建議相同。

圖5和圖6比較了本文所提新方案與LTE標(biāo)準(zhǔn)接入方案的平均接入成功率和平均接入時延隨系統(tǒng)隨機接入請求數(shù)量的增加而變化的情況。總體來講，新方案的系統(tǒng)接入成功率平均提高0.13%，接入時延平均降低0.57%，接入性能略有提高。但邊緣高優(yōu)先級接入由于采用多發(fā)的接入流程且優(yōu)化了退避算法，接入性能明顯提高，接入成功率平均提高1.20%，接入時延平均降低69.33%。中心高優(yōu)先級接入由于采用了區(qū)分優(yōu)先級的退避算法，接入性能也有所提高，接入成功率平均提高0.77%，接入時延平均降低29.52%。所有低優(yōu)先級接入成功率平均降低0.19%，接入時延平均提高14.90%，接入性能略有下降。

低優(yōu)先級用戶接入性能的下降是由于部分相鄰小區(qū)的邊緣用戶在發(fā)起高優(yōu)先級接入時搶占了本小區(qū)資源而引起的，但因為本小區(qū)的部分邊緣高優(yōu)先級接入同樣可能搶占了其他小區(qū)的資源，減少了對本小區(qū)資源的競爭，所以低優(yōu)先級用戶接入性能下降的幅度不大。另外，由于所設(shè)定的低優(yōu)先級接入的時效性要求并不是太高，因此較小的時延增加并不會影響用戶的業(yè)務(wù)使用和感知質(zhì)量。總的來說，所提方案的接入性能優(yōu)于LTE標(biāo)準(zhǔn)方案。

圖5 接入成功率對比Fig.5 Access success rate comparison

圖6 接入時延對比Fig.6 Access delay comparison

6 結(jié)論

本文提出的基于CoMP的隨機接入方案雖然對系統(tǒng)整體接入性能只是略有提高，但卻以較小的代價大大提高了邊緣高優(yōu)先級用戶的接入性能，可以有效適應(yīng)LTE-A CoMP系統(tǒng)無縫式業(yè)務(wù)和自由的無線接入的需求。由于本文仿真實驗過程中設(shè)定的邊緣用戶比例較小，該方案在實際網(wǎng)絡(luò)情況下性能可能會更好一些。用戶比例和優(yōu)先級類別的靈活設(shè)定能夠較好地適應(yīng)系統(tǒng)對邊緣用戶或高優(yōu)先級用戶的特殊需求。然而，該方案涉及的多發(fā)隨機接入流程盡管有以上優(yōu)勢但也有計算復(fù)雜度大、信息維護(hù)開銷大等缺點，在未來的工作中可以針對這些缺點進(jìn)行進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

［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］普天信息技術(shù)研究院有限公司.競爭隨機接入的方法、系統(tǒng)和演進(jìn)基站：中國，200910093893［P］，2009.

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

［4］普天信息技術(shù)研究院有限公司.長期演進(jìn)系統(tǒng)中的隨機接入方法：中國，200910235442.3［P］，2009.

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

［5］顧雪琳，田輝，楊寧，等.一種基于業(yè)務(wù)區(qū)分的隨機接入方案［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報，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，F(xiàn)urther 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，陜西西安人，副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為下一代網(wǎng)絡(luò)、協(xié)作通信、業(yè)務(wù)質(zhì)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，碩士研究生，主要研究方向為業(yè)務(wù)質(zhì)量管理及計算機應(yīng)用技術(shù)；

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，河北滄州人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為寬帶無線通信及互聯(lián)網(wǎng)、未來通信、共性服務(wù)理論與技術(shù)。

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

盧憲祺（1984—），女，黑龍江東寧人，博士研究生，主要研究方向為寬帶無線通信、協(xié)作通信、業(yè)務(wù)質(zhì)量管理；

1001-893X（2012）05-0619-05

2011-11-23；

2012-03-05

國家重大科技專項項目（2009ZX03003-003-01）；中興產(chǎn)學(xué)研項目