5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制研究

余 乾

（中國移動通信集團中國移動通信集團陜西有限公司榆林分公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

隨著移動通信的迅速發展，無線數據業務呈現爆發式增長，并不斷挑戰網絡容量限制。為提高網絡容量，移動運營商引入了許多技術，進一步提高了頻譜利用率，使得其不斷挖掘新的可用的頻譜資源。但是，運營商可用的頻譜資源是有限的，盡管當前低頻段的頻譜資源已經飽和，但是5G頻段存在的可使用的頻譜仍然是值得挖掘的資源。在資源挖掘過程中，激增的并發連接用戶數造成的無線信道擁塞問題尤為突出[1]。在滿足大量無線連接需求的過程中，低時延隨機接入機制成為產業界的研究熱點。

1 節點傳輸概率計算

為避免設計的低時延隨機接入機制同時檢測到信道空閑進行傳輸而造成碰撞現象的發生，在5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制建立之前，預先計算節點傳輸概率。在用戶隨機接入過程中，信道狀態由空閑與繁忙狀態切換時，是最容易發生碰撞的，這是因為很多傳輸節點都在等待傳輸信道變為可用信道，考慮到這種現象，計算節點傳輸概率[2]。在傳輸過程中，若檢測到信道處于繁忙狀態，則推遲進行下一步的信息傳輸，直到信道變為空閑信道時再進行發送。此后，節點進入隨機退避階段，若此階段信道檢測為繁忙狀態，則該機制結束，重新執行隨機退避。將上述傳輸行為抽象為一個馬爾科夫鏈模型，將節點傳輸概率表示為：

式中：R代表數據傳輸過程中發生碰撞的概率；Y代表節點初始競爭窗大小；F代表節點最大退避階段值；X、G分別代表起始及結束時刻數據傳輸時的穩態概率值。

在此基礎上，計算傳輸碰撞概率值，計算表達式如下：

式中：a代表傳輸的數據量；U代表時隙均值的比值；c代表時隙長度；d代表節點一次數據傳輸成功時間的期望值。

2 非授權頻段狀態識別

在上述節點傳輸概率計算完成的基礎上，識別非授權頻段狀態。由于基站在成功接入非授權頻段后會進行系統信息的冗余發送，為了避免這一現象，要對非授權頻段狀態識別[3]。非授權頻段上不能像授權頻段一樣準確無誤地接收信息，在某一段時間內會存在無法接收的情況，因此需要檢測信道狀態，保證非授權頻段的實際情況，以保存歷次接入狀態，供下次接入參考。當基站在上一次接入非授權頻段失敗時，基站需要調整數據發送周期，進行冗余發送。根據上一過程和系統接收情況選擇如何接收信息，在多條非授權頻段上接入信道，在信道可使用時發送系統消息。若在非授權信道繁忙的情況下，基站側根據上一次信息接入情況動態調整數據的發送周期。

3 低時延隨機接入實現

依據上述計算得到的節點傳輸概率值與非授權頻段狀態識別結果，設計5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制。此次研究提出兩個隨機接入機制，主要包含基于競爭的隨機接入機制與基于非競爭的隨機接入機制，隨機接入過程分為以下4個步驟。

步驟1：用戶向基站發送隨機接入前導。隨機接入前導的傳輸是隨機接入過程的重要環節，傳播的信息主要經過物理隨機接入信道發送到基站。依據基站內的數據量，為用戶分配合適的時頻資源，在有隨機接入請求時，基站明確指派該終端傳送的前導序列。為避免發生多用戶碰撞的現象，從請求中尋求優先序列。

步驟2：根據步驟1估計出的定時信息，網絡向用戶發送定時提前指令，以建立上行同步，同時為用戶分配第三方上行傳輸資源。

步驟3：利用傳輸通道中的共享信道，向網絡發送導致中斷發送的相關身份標識，發送內容與用戶的信息相關，尤其是用戶身份是否在網絡中已有記錄。

步驟4：利用網絡中的下行共享信道傳輸競爭解決信息，以解決多個終端共同訪問資源的問題。通過該機制，減少用戶接入失敗的情況，并減少高延遲、丟包及無線資源和能量浪費現象的發生。

4 實驗對比

為驗證此次設計的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制的有效性，開展了相關實驗，并將此次設計傳輸機制（方法一）與傳統的5G雙連接場景下的低傳輸時延切換機制（方法二）、5G網絡低時延資源調度算法（方法三）進行對比。對比3種方法的傳輸后，用戶碰撞次數、實驗中鏈路級采用的主要參數配置如下：載波頻率1 GHz，信道編碼Turbo碼，系統帶寬10 MHz，傳輸時間間隔1 ms，用戶天線配置單天線，基站天線配置雙天線，信道模型以及用戶速度ETU 3 km/h，用戶過載率100%～150%，接收機類型迭代MMSE-IC。實驗中，共有100個用戶進行訪問該信道。

4.1 用戶碰撞次數對比

分別在不同時刻進行實驗，3種方法的用戶碰撞次數對比結果如表1所示。

表1 用戶碰撞結果

由表1可知，此次設計的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制用戶發生碰撞現象少，最多有3人發生碰撞，說明此次設計的接入機制有效減少了用戶碰撞現象。

4.2 丟包率對比

丟包率指的是數據包在數據傳輸過程中，因為中途傳輸而導致部分數據包被丟失。因此，將丟包率作為衡量3種方法的重要指標。丟包率對比結果如表2所示。

表2 丟包率對比

從表2可知，此次研究的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制丟包率最低，說明該機制成功發送用戶數據的概率較高。

4.3 數據傳輸時間對比

在不同時刻發送數據，5G雙連接場景下的低傳輸時延切換機制、一種5G網絡低時延資源調度算法與此次設計的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制的數據傳輸時間對比結果如表3所示。

表3 數據傳輸時間

從表3可知，此次研究的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制數據傳輸時間最短，100個用戶數據的總體發送時間上不多于10 min，所耗費的發送時間較少。而5G雙連接場景下的低傳輸時延切換機制與一種5G網絡低時延資源調度算法的數據傳輸時間較長，其中一種5G網絡低時延資源調度算法數據傳輸時間最長，數據傳輸效果較差。

實驗表明，此次研究的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制減少了用戶碰撞現象以及丟包率，并提高了數據傳輸時間，因此可證明此次研究方法的有效性。

5 結 論

此次研究的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制，從非競爭與競爭兩方面實現了低時延隨機接入機制的設計，能降低用戶碰撞現象，并能降低用戶與用戶碼字非正交性造成的干擾，提高并發數據數據傳輸時間，減少數據丟包率現象，降低用戶能耗。此次研究的方法還存在一定的不足，在大量用戶隨機接入后，主要通過不斷優化通信系統的物理層和上層，為用戶隨機接入提供更加靈活的空中接口，以實現更加高效輕量的信令交互。希望此次研究的5G非授權頻段通信的低時延隨機接入機制能為用戶通信提供一定的幫助，以提高網絡容量。