網絡游戲業務在LTE系統中信令時延分析*

王璨, 劉輝,2

（1 重慶郵電大學通信新技術應用研究所，重慶 400065；2 重慶信科設計有限公司，重慶 400065）

在LTE中網絡游戲業務快速增長，在該業務的使用過程中就造成了業務擁塞、接入碰撞、排隊時延、傳輸抖動、丟分組率高等問題，也就直接影響了業務通信質量，使得網絡游戲業務出現畫面延時、停滯和掉線等現象。這就給網絡優化來保證游戲業務的質量提出了更高的要求。然而，接入網信令中的隨機接入一直是人們研究時延的熱點，尤其是在一些業務量峰值平均率高的系統中，特別希望能采用一種簡單，高效的隨機接入技術，以滿足人們隨時隨地不同業務訪問的需求。于是，本文就提出了一種基于網絡游戲業務下的隨機接入信令優化方案，來降低網絡游戲業務的時延。

1 LTE網絡游戲業務時延的要求

隨著移動互聯網業務的快速發展， LTE網絡也承載更多高寬帶業務。其中，網絡游戲業務的要求也相應得到提升，向著更低時延，更高帶寬，更穩定傳輸的方向演進。

網絡游戲業務在LTE中指的是終端用戶(人或機器)和遠程設備(比如遠程服務器)進行在線數據交互的業務。網絡游戲分為兩大類型，即時類網絡游戲和非即時類網絡游戲。其具體時延要求如表1所示。本文就可以根據不同類型的網絡游戲業務在信令中進行優化分析。

表1 網絡游戲的分類及要求

現在國內外的網絡優化方案是在IP網絡中對不同優先級的數據分組分類進行分組傳輸加快傳輸效率，以達到降低時延的效果，這方案就只考慮了在IP網絡中分類傳輸，沒有考慮到接入網的信令優化，所以降低時延的效果還不夠充分。于是，本文從接入網信令的隨機接入進行分析，找出影響即時類網絡游戲業務時延與接入碰撞的具體參數，并進一步優化，降低時延。

2 隨機接入過程

隨機接入技術作為通信接入網中多媒體接入控制的一項關鍵技術，其性能優劣直接關系到整個系統性能的好壞，所以它是接入網中網絡優化的重點。隨機接入是網絡游戲業務在網絡端發生切換，或在與網絡端初同步之后；網絡游戲業務第一次與網絡端傳輸上行數據之前，所以它在整個網絡游戲業務連接過程中是最重要的一個過程，網絡游戲業務的隨機接入的具體過程如圖1所示。

圖1 隨機接入過程

網絡游戲業務的隨機接入過程中所持續時長，如表2所示。本文根據即時類業務和非即時類業務，對信令中的參數研究分析，得出優化時間提前量（TA，Time Advance）和退避指示（BI，Backoff Indicator）可以解決用戶業務接入碰撞和降低用戶接入時延。

表2 隨機接入所用時延

3 在隨機接入過程中發送前導碼的網絡游戲業務時延問題詳細分析

第一步，網絡游戲業務的隨機接入過程中發送隨機接入前導碼，如圖2所示。

圖2 隨機接入前導碼發送

根據當時網絡游戲業務的請求，UE發送隨機接入前導碼。其中Preamble碼可以用來標識發起網游業務的隨機接入請求的UE。Preamble碼同時也可以作為eNodeB進行上行傳輸時延評估的依據，從而間接控制TA，若此時的TA不夠合理，當前TA的數值過大，就會提高相對時延，若過小，接入碰撞就會增加。因此，本文通過3GPP的規定首先大致判斷UE接收范圍。又由于小區覆蓋的范圍不同，本文又將利用Preamble碼4種格式根據UE接收范圍值，合理地配置TA數值，再把小區劃分為廣域小區、普通小區和熱點地區。如表3所示。這樣，利用Preamble碼格式劃分出來的小區范圍，并即時地劃分TA值，達到降低時延與接入碰撞概率的效果。

表3 Preamble格式適用小區范圍

4 在隨機接入過程中接收隨機接入響應的網絡游戲業務時延問題詳細分析

第二步，網絡游戲業務的隨機接入過程中網絡端發送的隨機接入響應，如圖3所示。

圖3 隨機接入響應

UE成功接收到網絡游戲業務的隨機接入響應（RAR），則說明隨機接入過程第一步連接成功。RAR中包含的參數有backoff（回退）參數、Preamble碼標識、上行傳輸TA、初始上行鏈路資源授權（UL-grant）和臨時小區無線網絡標識(TC-RNTI)等參數。其中，RAR中涉及優化時延的參數有BI和上行傳輸TA。

eNodeB會根據接收到網絡游戲的Preamble碼評估向UE發送定時提前命令，計算出UE的定時間提前量(TA)。TA為接入網中上下行鏈路轉化的時間間隔。在隨機接入過程中3GGP規定了TA的指示值域是0～1282。本文根據Preamble碼格式劃分的區域來劃分TA的值域，這樣也可以把TA擴展域劃分為對應的3種值域范圍，如表4所示。

表4 時間提前量TA時延調整的分類

在不同區域中對接入網中不同類型的業務，TA值可以在劃分的值域范圍內做出相應的時延調整。比如在各個小區中即時類網絡游戲業務，就可以不改變該小區中計算得出的TA值，使其接入時延更低。而非即時類網絡游戲業務，在計算出的TA值后，按照不同區域規定的TA值域范圍內，對TA值進行延時調整，適當地擴大其值。

隨著網絡游戲業務增多在隨機接入中發生碰撞沖突加劇，網絡端發送的BI就可以根據不同的區域和游戲業務類型來進行參數優化，從而降低時延。UE在接收到隨機接入響應的時候，會有以下幾種不同的情況：

（1）如果UE在隨機接入響應窗內沒有接收到任何響應信息，則認為本次隨機接入響應的接收失敗，需要重新選擇隨機接入時頻資源和前導序列，重新發送前導信息；

（2）如果UE在隨機接入響應窗內接收到了網絡端發送來的隨機接入響應，但該響應中并不是UE發送的前導序列相匹配的RA-RNTI，則表示該響應失敗。當不匹配的響應信息中含有退避指示BI時，該UE需按照BI指示設置退避參數backoff，并且退避一段時間后重發前導序列，在這種情況下可以根據當時網絡繁忙度來確定合適的退避時間，確保網絡游戲的通暢以達到系統時延降低。本文根據之前的Preamble的格式，把BI退避參數分為3種情況：優先級：索引號為0～5；一般級：索引號為6～9；擁塞級：索引號為10～12。其索引號為表5所示。當響應信息中沒有退避指示時，UE則設置重發前導序列的退避參數backoff為0ms，立即重新請求連接；

表5 Backoff參數值

（3）如果UE在隨機接入響應窗中接收到了網絡端發送的隨機接入響應，并且包含有與之前發送的前導序列相匹配的RA-RNTI，則認為該次隨機接入響應接收成功。

5 優化方案

現在根據上文分析，首先把網絡游戲的業務類型劃分為兩種；又根據Preamble碼的格式把覆蓋小區分為3種類型，在不同小區中根據不同類型的網絡游戲業務的要求規定TA的范圍值；然后在系統繁忙時，出現擁塞和碰撞問題后，根據之前劃分的不同類型的游戲業務優先級在相應的小區內，確定回退參數值，減少相對RACH調度平均時延。根據上述一系列的參數優化來降低網絡游戲業務系統接入的時延。本文重點針對兩個小區場景進行優化。

在廣域小區內，為了達到降低系統時延，首先把網絡游戲分為即時類游戲和非即時類游戲，確立好優先級節省RACH調度平均時延。然后，根據該地區的特點：覆蓋范圍廣、業務量小、出現接入碰撞、時延和網絡擁塞的可能性小。計算得出TA值后，可以將其TA值劃分在最大的范圍[0～1282]中，若非即時類游戲可以按照游戲的優先級適當地在值域范圍內擴大其值，減小碰撞和擁塞的可能性，使網絡游戲的延時更低，若是即時類游戲，就可以不改變TA值，直接進行連接；如果UE隨機接入發生沖突并接收的RAR有BI參數，就可將網絡游戲業務調整至優先級，以最快的時間進行連接傳輸，因為該區域用戶少，可以不需要避讓，這樣網絡游戲在連接發生碰撞的情況下也會相應地降低時延。

表6 優化方案表

在熱點小區內，開始階段確立業務的優先級，減小調度時間。然后計算得出具體TA值，把TA值調整至最小的范圍[0～426]，如果是非即時類游戲，可以在繁忙時TA值相應擴大，適當地增大時延，錯開擁塞和碰撞情況，讓即時類游戲優先接入；在沖突的情況下把接收到的BI值，按照不同類型的業務分別調整至各自的級別，也是錯開擁塞高峰，把優先級高的業務調整至優先級，即時發送；反之，優先級低調整至擁塞級，延時發送，保證網絡游戲業務的傳輸要求。因為此時大量用戶同時接入系統處于擁塞狀態，需要退避，否則，系統時延更加嚴重，若設置較短時間發送并超出了發送的最大次數，就會停止隨機接入，玩網游的用戶就會出現游戲中斷或者連接不上游戲的現象。

通過對接入網信令中的隨機接入細致研究分析，提出了以上網絡游戲業務的優化方案，如表6所示，可以使網絡游戲業務在LTE中接入時延更低。

6 結束語

本文著重研究分析了網絡游戲業務在隨機接入過程中的信令，從研究分析的結果中找出了在隨機接入信令中影響網絡游戲業務的時延參數，并提出了新的信令優化方案，對于實際工程規劃與優化和理論研究中都有一定的基礎指導作用。再經過實際的相關優化論證過后，在LTE中網絡游戲業務會降低出現網絡游戲業務的時延、畫面停滯等現象的次數。

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