CDMA接入過載等級及接入平均持續時延的分析

王 璐

(中興通訊股份有限公司 上海研究所，中國 上海 201203)

CDMA接入過程是采取時隙ALOHA的方式，將接入信道時隙化，每個手機在時隙的邊界發起接入嘗試。假如某個時刻有多個用戶同時接入，則可能發生接入碰撞導致接入失敗。發生碰撞的時候，基站是很難知道的，基站只是認為是一個異常能量，且解調不出來。所以必須有一個機制來自動調整手機的行為，減少碰撞。

許多類似緊急呼叫的業務，都需要保證在特殊場景下（因出現緊急狀態導致話務量激增）系統優先為某些授權用戶提供服務。這些業務首先要解決的就是如何減少接入碰撞。

1 接入過載等級（Access Overload Class）

為了緩解這個問題，CDMA協議提出了接入過載等級來對持續時延進行控制的方法。將過載等級寫入用戶的UIM卡中，為不同用戶分配不同的過載等級，實現基站對其接入過程的控制。

UIM卡基本文件中存儲了接入過載等級，單元為“6F2C”，可以控制手機做接入試探的時間間隔。

對于普通用戶，ACCOLC為IMSI_M的最后一位十進制數轉換成的4bit二進制數，這樣普通用戶在反向接入信道上做接入試探時，在時間上能比較均勻地隨機分布。用戶更換IMSI時，ACCOLC要重新計算。過載等級分為16個級別，ACCOLC取值為10-15的用戶其優先級別較高，測試號為10，應急通信為11，12-15還沒有分配。ACCOLC的內容對用戶是不可見的。

2 接入參數消息（Access Parameters Message）

接入參數消息告知手機有關接入信道的配置，同時規范手機在接入過程中的行為。該消息中相關接入過載等級的參數為：PSIST（0-9），PSIST（10）-PSIST（15），MSG_PSIST，REG_PSIST。

PSIST的值分別對應過載等級0-15，基站通過設置該參數來控制手機在接入信道發起消息的概率門限。每個手機都有自己的接入過載等級，接收基站的接入參數消息，根據對應的PSIST產生一個持續檢測門限。

手機接入時，先產生一個隨機數，該隨機數與持續檢測門限進行比較，隨機數小于門限，手機就獲取了接入許可。

假如基站不允許某類接入過載等級的用戶接入，可設置該過載等級的PSIST為全1。

3 接入平均持續時延分析

手機在空閑狀態會監聽尋呼信道開銷消息，根據接入過載等級獲取接入參數消息中對應的PSIST，產生一個持續檢測的門限值P。

手機在接入信道接入前，必須通過持續檢測。手機會產生一個隨機數 RP（0＜RP＜1），并與持續檢測門限值 P 比較，若 RP＜P，則啟動接入過程。即持續檢測門限P越大，手機越容易通過檢測。

RP是均勻分布的，所以Pr{RP＜P}＝P，即Pr{手機通過持續檢測}＝P，Pr{手機不通過持續檢測}＝1-P。

當PSIST(n)＝max時，手機產生的持續檢測門限P＝0，則手機產生的隨機值RP＞P，因此將通不過檢測，接入失敗。

當PSIST(n)≠max時，就有個持續檢測通過的概率問題。手機一旦檢測不通過，將在下個接入信道時隙再次進行接入嘗試,直到接入成功。

持續時延PD是一個隨機變量，概率密度是參數P的幾何分布

Pr{PD＝k個時隙長}＝(1-P)K*P（手機在第k+1個時隙接入成功）

平均持續時延

E{PD}＝k ∑Pr{PD＝k 個時隙長}＝∑k*(1-P)K*P＝(1-P)/P

各種業務的平均持續時延為表1。

以消息請求（起呼、尋呼響應等）為例，計算不同的因素導致不同的平均時延，可以看出手機的平均持續時延呈指數增長。比如對于MSG_PSIST＝3,PSIST(0～9)＝32，可以計算出平均持續時延＝2047（時隙），相當于手機平均要花費2047*20ms＝40.94s接入成功。而對于PSIST(12～15)的用戶，最大平均延遲為163.8s。

4 參數的設置

首先，為了讓接入過載等級的機制發揮作用，必須保證：

表1

從(2)可以得到：

假設PSIST(n2)＝0，也即對于ACCOLC為12～15的用戶不進行接入控制的話，那么上式為：

再假設 MSG_PSIST＝0，K＝250（平均持續時延超過 5 秒），從（1）和（3）可以得到：

PSIST（n1）＞32。

接入信道參數的設置需要考慮客戶的需求（允不允許普通用戶接入等），以及在啟動接入控制時的熱點小區話務模型，并結合模擬測試的結果給出最優的推薦參數。當然參數設置可以多留一點余量，但這樣的代價就是普通用戶的感受變差。

5 業務流程分析

要影響手機的接入信道持續時延，只需在后臺設置接入參數消息（APM）的相關參數，并同步到前臺即可，通過尋呼信道周期發送通知手機進行更新。

業務流程的應用大致有兩個場景。

場景一：

某地發生緊急事故導致熱點小區話務量激增，這時候需要對用戶接入過程進行控制，讓授權特殊用戶能優先接入。可將普通用戶的PSIST（0～9）設置為一個較大的值，特殊用戶的 PSIST（11～15）則為 0。

場景二：

某地發生緊急事故，話務量不一定激增，但由于某些原因需要抑制普通用戶的接入，因此啟動持續時延控制，將普通用戶的PSIST（0～9）設置為 63 （111111），特殊用戶的 PSIST（11～15）則為 0。

接入信道持續時延控制的功能，平時應該是關閉的，因為這會導致用戶接入時間變長。這樣就存在一個何時啟動和停止的問題。如果完全由人工來控制，則比較簡單；否則可以考慮由BTS CSCHP模塊監測單位時間內接入信道消息流量，滿足閾值可啟動控制；一旦過載解除則恢復原配置參數。為了防止乒乓效應，可借鑒類似CPU過載控制的方式。

6 端到端的QoS保證

只對接入過程進行控制并不夠，可能授權用戶的接入是優先保證了，但對授權用戶的尋呼消息可能因為尋呼信道過載而被丟棄，導致授權用戶尋呼失敗。

用戶的真正需求是系統能提供端到端的QoS保證，這需要考慮一次完整呼叫所涉及的各個網元及傳輸鏈路，盡可能保證每一個環節都能提供QoS保證。

［1］3GPP2 C.S0005-0 Upper Layer （Layer 3）Signaling Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems Release 0空口應用層標準[S].

［2］CDMA系統設計與優化 Kyoung II Kim[Z].