CN106982467A - 一种基于动态分配prach资源的接入拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，包括以下步骤：将所有的UE业务划分为高、低两个等级；初始化接入拥塞所涉及的所有参数；eNB通过广播信道下发随机接入所需的基本信息；含有高、低优先级的UE接入流到达接入时隙，从可用前导码中以等概率的方式随机选择一个前导码通过随机接入信道PRACH传给eNB；若发生冲突，按照退避时间进行退避后实现重传；记录前导码的重传次数；eNB解码前导码，根据接收的前导码发送相应的RAR消息给UE，UE收到RAR消息后，向eNB提出资源申请；eNB实现网络负载估计；eNB根据负载估计的情况动态配置PRACH资源，实现接入拥塞的控制；本发明优先保证了高优先级UE的接入，同时减小了高优先级UE的接入时延。

Description

一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种智能电网LTE通信系统中，基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法。

背景技术

智能电网包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统。当前的电力系统中，传统的通信方式如PLC(Power line communication)已渐渐满足不了电网建设的要求。LTE系统以其高可靠性、高传输效率和成熟的技术被众多国家和技术选做电网接入网的通信方式。目前，将LTE应用于智能电网的相关研究也是该领域研究的热点话题。在智能电网背景下，由于居民区、工业区、办公楼等用电场合覆盖面积非常大，使得电网终端的数量巨大,分布广泛。智能电表终端存在定时向上传输用电信息或者突发情况下区域内终端都争相报告故障信息，大量的电网终端接入到LTE网络中，会给网络的资源带来很大的压力，很容易出现海量终端同时申请资源的情况，突发海量设备的接入请求，届时会引起RAN和核心网络的拥塞，延迟增大，分组丢失乃至中断服务。因此，必须从终端的接入着手，在LTE系统下研究随机接入控制机制、接入方式、动态接入资源分配等方案，来降低海量电网终端接入引起的网络拥塞及接入的失败概率。从而满足大容量的用户接入，实现对海量用户的资源调度。

国内外众多学者、专家都在该领域有相当多的研究。目前，基于Access类限制(ACB)的机制是处理RAN超载问题的最佳方式,但是当网络同时到达用户数增多时，ACB的接入成功率迅速下降，而且接入延迟也相当大。此外Tiago P.C.de Andrade在文章“Randomaccess mechanism for RAN overload control in LTE/LTE-A networks”中提出的DACB算法，在基本ACB的基础上，引入负载估计，依据负载情况动态改变ACB参数。同时，阻塞严重时禁止低优先级的接入，从而尽可能保证高优先级接入。但是该方法只适用于用户数不是很大的情况，而且该方法下高优先级的接入时延还有待提高，尤其是针对电网一些时延敏感的业务。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，将UE业务进行等级划分，根据负载估计的情况动态配置PRACH资源，在参与接入的UE数量较多造成网络拥塞时，优先保证高优先级UE的接入，阻塞低优先级UE的接入；同时减小高优先级UE的接入时延。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，包括以下步骤：

S1.将所有的UE业务划分为高、低两个等级；

S2.初始化接入拥塞所涉及的所有参数；

S3.eNB通过广播信道下发随机接入所需的基本信息；eNB通过广播信道下发随机接入所需的基本信息包括：负载门限值、可使用前导码个数、每个PRACH所处的时频位置和UE发生冲突时的退避时间BI值。

S4.含有高、低优先级的UE接入流到达接入时隙，从可用前导码中以等概率的方式随机选择一个前导码通过随机接入信道PRACH传给eNB；若发生前导码冲突的情况，冲突的UE根据系统信息提供的退避时间窗随机退避一定的时间，再重新选择前导码传给eNB，记录前导码的重传次数；具体地，所述步骤S4包括以下子步骤：

S41.含有高、低优先级的UE接入流到达接入时隙，从可用前导码中以等概的方式随机选择一个前导码通过随机接入信道PRACH传给eNB；

S42.初始化前导码重传参数为0；

S43.判断存在前导码冲突的情况；

(1)若存在前导码冲突的情况，进入步骤S44；

(2)若不存在前导码冲突的情况，保存当前的前导码重传次数，进入步骤S5；

S44.冲突的UE根据系统信息提供的退避时间窗随机退避一定的时间，再重新选择前导码传给eNB,对前导码重传次数进行更新，更新后的前导码重传次数等于更新前的前导码重传次数加一，返回步骤S43继续进行前导码冲突判断。

进一步地，所述前导码冲突的情况包括：两个及以上的UE在同一时频资源上选择相同前导码。

S5.eNB解码前导码，根据接收的前导码发送相应的RAR消息给UE，UE收到RAR消息后，向eNB提出资源申请；所述RAR消息包括对应UE发送的前导码，供UE确认自己为RAR信息的接收对象。

S6.eNB在检测周期T内，对随机接入负载情况进行监测，实现网络负载估计；具体地，所述的步骤S6包括以下子步骤：S61.eNB在检测周期T内，对各个UE成功接入网络所耗费的前导码重传次数ROI进行监控；S62.eNB根据监控情况，估计网络负载：

式中，ROI_i表示在检测周期T内第i个设备的ROI值，L_RAN表示当前的网络负载估计值。

S7.eNB根据负载估计的情况动态配置PRACH资源，实现接入拥塞的控制。具体地，所述的步骤S7包括以下子步骤：

S71.eNB识别来自UE的资源申请消息，并给相应UE发送竞争解决消息；

S72.比较负载估计值L_RAN和负载门限值α，根据比较结果动态改变PRACH配置参数，进行PRACH资源的动态分配，实现接入拥塞的控制：

(1)若L_RAN＞α，则增大每帧的接入时隙数目，同时阻塞低优先级UE的接入；

(2)若L_RAN＞α，则减小每帧接入时隙数目。

进一步地，步骤S4中系统信息提供的退避时间窗按照基于等级的退避方式实现：当UE没有成功接入时，用户会进行按照退避参数BI进行退避，等级越高的UE，BI值越小，等级越低的UE,BI值越大；退避时间T_bi如下：

式中，i＝1表示高优先级用户，高优先级用户的退避时间T_b1为Uni(0,BI₁)，Uni(0,BI₁)表示高优先级用户在区间(0,BI₁)服从均匀分布，BI₁为高优先级用户的BI值；i＝2表示低优先级用户，低优先级用户的退避时间T_b2为Uni(0,BI₂)，Uni(0,BI₂)表示低优先级用户在区间(0,BI₂)服从均匀分布，BI₂为低优先级用户的BI值。

本发明的有益效果是：将UE业务进行等级划分，根据负载估计的情况动态配置PRACH资源，尤其在海量UE准备同时接入到网络时，能够保证高优先级用户的接入成功率和接入延迟，具有较好的性能；结合UE没有成功接入时退避方式的设置，通过调节每帧接入时隙数目，即可实现动态配置PRACH资源，配置方式简单，接入拥塞控制方便。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为仿真过程中当前网络中高优先级和低优先级用户成功接入用户数占各自总用户数比例。

图3为本发明与DACB的平均接入时延对比图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，包括以下步骤：

S1.将所有的UE(User Equipment，表示用户终端或用户设备)业务划分为高、低两个等级；

S2.初始化接入拥塞所涉及的所有参数；

S3.eNB(Evolved Node B，LTE中基站的名称，可直接理解为基站)通过广播信道下发随机接入所需的基本信息；eNB通过广播信道下发随机接入所需的基本信息包括：负载门限值、可使用前导码个数(一般用于竞争的为54个)、每个PRACH(Physical Random AccessChannel，随机接入信道)所处的时频位置和UE发生冲突时的退避时间BI(Backoff Time)值。

S4.含有高、低优先级的UE接入流到达接入时隙，从可用前导码中以等概率的方式随机选择一个前导码通过随机接入信道PRACH传给eNB；若发生前导码冲突的情况，冲突的UE根据系统信息提供的退避时间窗随机退避一定的时间，再重新选择前导码传给eNB，记录前导码的重传次数；具体地，所述步骤S4包括以下子步骤：

S41.含有高、低优先级的UE接入流到达接入时隙，从可用前导码中以等概的方式随机选择一个前导码通过随机接入信道PRACH传给eNB；

S42.初始化前导码重传参数为0；

S43.判断存在前导码冲突的情况；

(1)若存在前导码冲突的情况，进入步骤S44；

(2)若不存在前导码冲突的情况，保存当前的前导码重传次数，进入步骤S5；

S44.冲突的UE根据系统信息提供的退避时间窗随机退避一定的时间，再重新选择前导码传给eNB,对前导码重传次数进行更新，更新后的前导码重传次数等于更新前的前导码重传次数加一，返回步骤S43继续进行前导码冲突判断。

在本申请中，所述前导码冲突的情况包括：两个及以上的UE在同一时频资源上选择相同前导码。

S5.eNB解码前导码，根据接收的前导码发送相应的RAR(Random AccessResponse，随机接入响应)消息给UE，UE收到RAR消息后，向eNB提出资源申请；所述RAR消息包括对应UE发送的前导码，供UE确认自己为RAR信息的接收对象。

S6.eNB在检测周期T内，对随机接入负载情况进行监测，实现网络负载估计；具体地，所述的步骤S6包括以下子步骤：S61.eNB在检测周期T内，对各个UE成功接入网络所耗费的前导码重传次数ROI进行监控，ROI越大，前导重传越频繁，网络负载越大；S62.eNB根据监控情况，估计网络负载：

式中，ROI_i表示在检测周期T内第i个设备的ROI值，L_RAN表示当前的网络负载估计值。当L_RAN＝0时，网络没有拥塞，反之，L_RAN接近于1时则表示网络拥塞情况严重。

S7.eNB根据负载估计的情况动态配置PRACH资源，实现接入拥塞的控制。具体地，所述的步骤S7包括以下子步骤：

S71.eNB识别来自UE的资源申请消息，并给相应UE发送竞争解决消息；

S72.比较负载估计值L_RAN和负载门限值α，根据比较结果动态改变PRACH配置参数，进行PRACH资源的动态分配，实现接入拥塞的控制：

(1)若L_RAN＞α，则增大每帧的接入时隙数目，同时阻塞低优先级UE的接入；

(2)若L_RAN＞α，则减小每帧接入时隙数目。

进一步地，步骤S4中系统信息提供的退避时间窗按照基于等级的退避方式实现：当UE没有成功接入时，用户会进行按照退避参数BI进行退避，等级越高的UE，BI值越小，等级越低的UE,BI值越大；退避时间T_bi如下：

式中，i＝1表示高优先级用户，高优先级用户的退避时间T_b1为Uni(0,BI₁)，Uni(0,BI₁)表示高优先级用户在区间(0,BI₁)服从均匀分布，BI₁为高优先级用户的BI值；i＝2表示低优先级用户，低优先级用户的退避时间T_b2为Uni(0,BI₂)，Uni(0,BI₂)表示低优先级用户在区间(0,BI₂)服从均匀分布，BI₂为低优先级用户的BI值。步骤S4中，系统信息提供的退避时间窗，即服从均匀分布的区间(0,BI₁)或(0,BI₂)。

在传统LTE基站(eNB)检测前导概率跟前导重传次数成正比，公式为：

detectp＝1-exp(-i)，

其中i表示前导码重传次数，每帧的接入时隙数目与设备接入成功率成正比，每帧的接入时隙数目越大，eNB的检测前导概率越大，则成功接入的设备数越多，故对eNB的检测前导概率引入一个因子Q：

Q＝exp(-B/L)

detectp1＝detectp*Q，

其中B代表单位时间内高优先级尝试接入的UE数目，L代表单位时间内可用的RAO数目，RAO表示随机接入机会(Random Access opportunity)，在某个随机接入时隙的一个前导码就代表一个RAO。

在本申请的实施例中，为了验证本发明的性能改善，这里主要和DACB算法进行对比，验证采取如下仿真场景、参数：

考虑一个单小区，只有一个基站，假设所有用户是同时到达，并同时提出接入申请。仿真时模拟了用户数从2000递增到20000这个过程，并统计了不同用户数申请接入时系统的性能指标，如下表所示：

为了展示仿真结果，采用了如下定义的指标：

成功接入概率：每个时隙成功接入的用户数之和除以总用户数N。

平均接入时延：首先，定义一个用户的时延为从它发出接入申请到接入成功的时间。

则平均接入时延为所有成功接入用户的时延总和除以成功接入用户的总数。这个指标反映了不同网络负载情况下成功接入LTE所花费的平均时间。

仿真的结果见附图2、3。图2表示当前网络中高优先级和低优先级用户成功接入用户数占各自总用户数比例，成功接入概率越高，表示当前成功接入的设备数就越多。同时，从图2可以看出，在UE数目属于(1000,20000)区间时，基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制机制下得到的高优先级接入成功率明显高于DACB方法。由图2知，当请接入UE设备数量小于1000时，接入资源完全能满足接入请求量，故接入成功率为100％。UE设备超过1000时，随着UE数量逐渐递增，接入成功率呈现下降趋势，接入成功率与UE数量呈现反相关关系。图3所示是本发明方法与DACB的平均接入时延对比图，平均时延越低表示负载成功接入网络所耗费的时间越少，从图3中可以看出，系统的平均接入时延尤其是高优先级用户的平均接入时延在动态分配PRACH方法下得到了很大的改善。尤其是当用户数超过10000时，DACB方法的时延变得不可忍受，并且时延曲线增涨速率非常大，而本文提出的动态分配PRACH方法的时延较小并且曲线变化相对缓慢。因为本文提出的新方法主要是为了解决高优先级的延迟敏感，采取了一种通过估计高优先级的负载情况对低优先级进行阻塞的机制，所以新方法中低优先级的接入成功率没有明显的提高。但是由于引入了动态配置PRACH，低优先级和高优先级的接入时延都有不同程度的提高，如图3所示，新方法仿真得到的接入时延始终比DACB小。此外，本发明方法下高优先级的延时一直低于400ms，相比DACB其很好解决了高优先级的延迟敏感问题。

从以上分析的仿真结果来看，动态配置PRACH接入控制方法的性能比DACB方法提高了很多，这种性能的提高受益于准确估计网络的负载状况并且动态调整PRACH配置参数。

Claims (8)

1.一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.将所有的UE业务划分为高、低两个等级；

S2.初始化接入拥塞所涉及的所有参数；

S3.eNB通过广播信道下发随机接入所需的基本信息；

S4.含有高、低优先级的UE接入流到达接入时隙，从可用前导码中以等概率的方式随机选择一个前导码通过随机接入信道PRACH传给eNB；若发生前导码冲突的情况，冲突的UE根据系统信息提供的退避时间窗随机退避一定的时间，再重新选择前导码传给eNB，记录前导码的重传次数；

S5.eNB解码前导码，根据接收的前导码发送相应的RAR消息给UE，UE收到RAR消息后，向eNB提出资源申请；

S6.eNB在检测周期T内，对随机接入负载情况进行监测，实现网络负载估计；

S7.eNB根据负载估计的情况动态配置PRACH资源，实现接入拥塞的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：eNB通过广播信道下发随机接入所需的基本信息包括：负载门限值α、可使用前导码个数、每个PRACH所处的时频位置和UE发生冲突时的退避时间BI值。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S4包括以下子步骤：

S41.含有高、低优先级的UE接入流到达接入时隙，从可用前导码中以等概的方式随机选择一个前导码通过随机接入信道PRACH传给eNB；

S42.初始化前导码重传参数为0；

S43.判断存在前导码冲突的情况；

(1)若存在前导码冲突的情况，进入步骤S44；

(2)若不存在前导码冲突的情况，保存当前的前导码重传次数，进入步骤S5；

S44.冲突的UE根据系统信息提供的退避时间窗随机退避一定的时间，再重新选择前导码传给eNB,对前导码重传次数进行更新，更新后的前导码重传次数等于更新前的前导码重传次数加一，返回步骤S43继续进行前导码冲突判断。

4.根据权利要求3所述的一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：所述前导码冲突的情况包括：两个及以上的UE在同一时频资源上选择相同前导码。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S5中RAR消息包括对应UE发送的前导码，供UE确认自己为RAR信息的接收对象。

6.根据权利要求1所述的一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：所述的步骤S6包括以下子步骤：

S61.eNB在检测周期T内，对各个UE成功接入网络所耗费的前导码重传次数ROI进行监控；

S62.eNB根据监控情况，估计网络负载：

$L_{RAN}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{ROI}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}({\mathrm{ROI}}_i+1)};$

式中，ROI_i表示在检测周期T内第i个设备的ROI值，L_RAN表示当前的网络负载估计值。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：所述的步骤S7包括以下子步骤：

S71.eNB识别来自UE的资源申请消息，并给相应UE发送竞争解决消息；

S72.比较负载估计值L_RAN和负载门限值α，根据比较结果动态改变PRACH配置参数，进行PRACH资源的动态分配，实现接入拥塞的控制：

(1)若L_RAN＞α，则增大每帧的接入时隙数目，同时阻塞低优先级UE的接入；

(2)若L_RAN＞α，则减小每帧接入时隙数目。

8.根据权利要求1所述的一种基于动态分配PRACH资源的接入拥塞控制方法，其特征在于：步骤S4中系统信息提供的退避时间窗按照基于等级的退避方式实现：当UE没有成功接入时，用户会进行按照退避参数BI进行退避，等级越高的UE，BI值越小，等级越低的UE,BI值越大；退避时间T_bi如下：

$T_{bi}=\left\{\begin{array}{c}Uni(0,{\mathrm{BI}}_1)\\ Uni(0,{\mathrm{BI}}_2)\end{array}\right.,i=1,2;$

式中，i＝1表示高优先级用户，高优先级用户的退避时间T_b1为Uni(0,BI₁)，Uni(0,BI₁)表示高优先级用户在区间(0,BI₁)服从均匀分布，BI₁为高优先级用户的BI值；i＝2表示低优先级用户，低优先级用户的退避时间T_b2为Uni(0,BI₂)，Uni(0,BI₂)表示低优先级用户在区间(0,BI₂)服从均匀分布，BI₂为低优先级用户的BI值。