CN1777333A - 一种通信系统中的随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随机接入方法，在该方法中，接入点AP根据接入信道所反映的网络负载情况，动态调整下一帧随机接入信道的数目，并通过下行公共控制信道广播。在请求分组发生碰撞需要重发时，移动终端MT利用二进制指数退避算法动态扩大竞争窗口的大小，并根据下行公共控制信道公布的随机接入信道数目和成功接入请求数目以及MT业务接入优先级，重发次数等参数，实时更新发送概率以降低重发碰撞概率。无论是在网络负载低或高的环境下，本发明都可以提高随机接入成功概率，减少接入时延，并为高等级用户提供更好的服务质量QoS保障。

Description

一种通信系统中的随机接入方法

技术领域

本发明涉及一种新的随机接入方法。

背景技术

随着移动业务应用的不断拓展和开发，下一代的无线蜂窝通信将是话音、数据、视频等多种具有不同性能参数业务的混合传输。随机接入协议作为网络协议中一个重要组成部分一直是人们研究的热点，特别希望能采用一种简单、高效的随机接入技术，满足人们随时随地信息访问、计算和通信的需求。

目前已有许多协议被提出以解决随机接入过程中的问题，有基于时隙ALOHA的协议、基于资源预留的协议和基于动态配置随机接入信道资源的协议等等。在很多现存的接入系统中都多采用时隙ALOHA这种简洁高效的接入方案，但该协议在网络吞吐量较大时，时延变化较大，性能表现不佳。而考虑网络状态所提出的动态接入方案，它根据网络负载调整网络参数，很大程度上提高了网络的利用率，但这些方案缺乏对不同等级接入业务的有效支持，当接入请求分组发生碰撞，需要退避重发时，具有不同业务需求的MT都使用相同的发送模式，没有考虑优先等级较高业务的接入请求，不能较好的保障实时业务的QoS需求，也不能满足当今高速全分组网络大量接入请求突发性的要求。因此提供一种新的随机接入方法，尽可能的在兼顾业务公平性的同时达到系统资源最佳的利用，成为多媒体移动通信系统中需要面对的一个基本问题。

发明内容

针对上述方案中存在的问题，本发明提出了一种新的随机接入方案，此方案显著提高了接入的成功概率，提高了随机接入资源效率，改善了整个系统的吞吐量，为不同业务等级的数据提供了不同的接入保障。

根据本发明，提供了一种通信系统中的随机接入方法，包括步骤：

(1)在接入点根据每帧内随机接入信道的状态信息，动态地调整下一帧的接入信道数目，并且通过下行公共控制信道广播接入信道的数目；

(2)移动终端在首次发送接入请求时，在竞争窗口以发送概率1发送所有业务等级的业务；

(3)移动终端在发送接入请求后，监听下行公共控制信道上广播的信息，如果在下行公共控制信道上接收到由所述接入点广播的其接入分组的确认信息，则述移动终端接入随机接入信道；

(4)如果接入分组未能成功发送而需要重发时，移动终端动态调整竞争窗口的大小，并且在竞争窗口内随机选择一个接入信道准备重发；在重发帧到达时，移动终端根据以下公式计算重发概率，并且随机选择数值x∈[0，1]，若X＝＜P(α)则进行本次重发；否则取消本次重发；

$P\left(\mathrm{\α}\right)=1-{\left(\frac{N_s^{\mathrm{\α}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\α}}}\left(\mathrm{\α}\right)\right)}^{\mathrm{\φ}\·\mathrm{\α}}$

其中： $\frac{N_s^{\mathrm{\α}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\α}}}\left(\mathrm{\α}\right)=\mathrm{\μ}\frac{N_s^{\mathrm{\α}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\α}}}\left(\mathrm{\α}\right)+(1-\mathrm{\μ})\frac{N_s^{\mathrm{\α}-1}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\α}-1}}(\mathrm{\α}-1)$

P(α)是第α次发送接入请求的发送概率，

是随机接入信道的信道利用率，其中

$\frac{N_s^{\mathrm{\α}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\α}}}\left(\mathrm{\α}\right)=\mathrm{\μ}\frac{N_s^{\mathrm{\α}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\α}}}\left(\mathrm{\α}\right)+(1-\mathrm{\μ})\frac{N_s^{\mathrm{\α}-1}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\α}-1}}(\mathrm{\α}-1),$

N_s ^α是在第α次接入请求和第α-1次接入请求之间的N_s(t)之和，N_s(t)是笫t帧接入成功的RACH信道数目，

N_total ^α是在第α次接入请求和第α-1次接入请求之间的N(t)之和，N(t)是第t帧的随机接入信道的数目，

φ是业务服务等级，φ∈[1，n]，

μ是随机接入信道的信道利用率的权重因子，其中0＜μ＜1；

(5)如果重发成功并且得到接入点发送的接入成功消息，则所述移动终端接入随机接入信道；

(6)如果未能重发或者重发失败，则重复步骤(4)直到业务被成功接入或者丢弃。

优选地，步骤(1)还包括步骤：

所述接入点根据发送的接入请求分组在接入信道中的发生碰撞信道数和被使用信道数，并且按照以下公式计算下一帧中随机接入信道数目：

其中N(t+1)是第t+1帧的随机接入信道的数目，

N_c(t)是第t帧发生碰撞的随机接入信道的数目，

N_y(t)是t帧接入成功的随机接入信道的数目，

C_idle(t)是指示标志，在t帧中所有RACH信道上都没有接入分组发生碰撞时，被赋值为1，否则为0，

ω是非空闲信道的权重参数，0＜ω≤1，

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{busy}}\left(t\right)=\frac{N_u\left(t\right)}{N\left(t\right)},$ N_u(t)＝N_s(t)+N_c(t)。

优选地，N(t+1)＝min{max{N(t+1)，1}，N_max}

N_max为在MAC帧中所能分配的最大随机接入信道的数目，并且最小RACH信道数目为1/

优选地，在步骤(4)中按照以下公式来动态调整竞争窗口CW的大小：

$\mathrm{CW}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{MAX}& \mathrm{MAX}\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}}\\ 2^{\mathrm{\&alpha;}}& n<2^{\mathrm{\&alpha;}}<\mathrm{MAX}\\ n& 2^{\mathrm{\&alpha;}}\&le;n\end{array}\right.$

其中α表示重发次数，n为下一帧的信道数，MAX是由系统所定义的最大值。

优选地，本发明的方法还包括步骤：

所述移动终端在竞争窗口中随机选择一个整数M，准备接入第M个随机接入信道，如果本帧随机接入信道的数量小于M，则在下一帧接入随机接入信道。

优选地，所述竞争窗口的初始大小为本帧中随机接入信道的数量。

根据本发明的基本构思，在接入点AP(Access Point)，根据接入信道所反映的网络负载情况，动态调整下一帧随机接入信道(RACH)的数目，并通过下行公共控制信道广播。在请求分组发生碰撞需要重发时，移动终端MT利用二进制指数退避算法动态扩大竞争窗口的大小，并根据下行公共控制信道公布的随机接入信道数目和成功接入请求数目以及MT业务接入优先级，重发次数等参数，实时更新发送概率以降低重发碰撞概率。无论是在网络负载低或高的环境下，本发明都可以提高随机接入成功概率，减少接入时延，并为高等级用户提供更好的服务质量QoS保障。

附图说明

图1示出了根据本发明的MAC帧结构；

图2示出了本发明的方法与现有方法的吞吐量随用户数变化的情况，其中定义吞吐量公式如下：

图3示出了本发明的系统与现有系统在50个用户情况下不同接入优先级业务的接入时延比较。

具体实施方式

本发明提出一种新的接入方案，利用网络状态信息，动态调整竞争窗口大小，发送概率和接入信道数目，具体包括步骤：

在AP中，根据发送的接入请求分组在接入信道中的发生碰撞信道数和被使用信道数，计算下一帧中随机接入信道数目并通过下行信道进行广播。同时，在下行信道中，AP广播成功接入分组的确认信息。

MT首次发送接入请求时，不分业务等级，在竞争窗口以概率1直接发送。竞争窗口的初始大小为本帧RACH信道个数。MT在发送接入请求后，监听下行公共控制信道广播信息，如得到下行信道广播中接入成功信息，本次接入结束；若发生接入碰撞，需要重新发送时，首先根据重发次数调整竞争窗口的大小，在竞争窗口中随机选择一接入信道重发，同时继续监听下行信道的广播信息，待重发帧到达时，根据记录的分配总的RACH信道数目和接入成功的请求分组数目计算信道利用率，并根据信道利用率，重发次数，业务接入优先级计算重发概率，并判断是否发送。若重发成功，得到接入成功信息，则本次接入结束；若未能发送或发送失败，则再次更新竞争窗口，继续进行随机接入过程，直到该业务成功接入或被丢弃。

在本发明中，利用接入信道的接入情况判断网络负载状况，AP动态调整随机接入信道的数目，MT动态调整重发概率，该方法有效的提高了随机接入的成功率和系统的利用率，降低了等待时延，并为高等级的业务提供了QoS保障。

下面结合附图并结合优选实施例来描述本发明的随机接入方法。

假设在一个半径为R的蜂窝小区中，有一个AP接入点，N个移动终端MT，MT和AP间通过无线链路连接。AP端负责广播公共控制信息。

AP：

在该动态接入信道分配方案上，根据公式(1)动态改变下一帧的随机接入信道数目：

参数介绍如下：

●N(t+1)：t+1帧RACH的数目

●N_c(t)：t帧发生碰撞的RACH数目

●N_s(t)：t帧接入成功的RACH信道数目

●C_idle(t)：指示标志。当t帧中所有RACH信道上都没有接入分组发生碰撞时，赋值为1；否则为0

●ω：权重参数，0＜ω≤1，仿真中取ω＝0.5

●ρ_busy(t)： ${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{busy}}\left(t\right)=\frac{N_u\left(t\right)}{N\left(t\right)},$ N_u(t)＝N_s(t)+N_c(t)                                     (6)

为了限定RACH信道数目，我们做如下规定：

N(t+1)＝min{max{N(t+1)，1}，N_max}                  (7)

N_max为在MAC帧中所能分配的最大RACH信道数目，最小RACH信道数目为1。当接入请求较多时，信道数迅速增长，达到N_max。在仿真中我们设定N_max＝8。当接入请求较少时，信道数迅速减小到1。这样，当前RACH信道的数目由之前的接入情况决定，不仅提高了资源的利用率，而且降低了接入时延。

MT：

MT端的重发概率计算公式(3)：

$P\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=1-{\left(\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\right)}^{\mathrm{\&phi;}\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}}---\left(3\right)$

参数介绍如下：

●P(α)：第α次发送接入请求的发送概率

●

RACH信道利用率， $\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\mathrm{\&mu;}\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)+(1-\mathrm{\&mu;})\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}-1}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}-1}}(\mathrm{\&alpha;}-1)---\left(4\right)$

●N^α _s：在第α次接入请求和第α-1次接入请求之间的N_s(t)之和。请求分组首次发送时，我们定义N_s ^α＝0(α＝1)，所以P(1)＝1

●N_total ^α：在第α次接入请求和第α-1次接入请求之间的N(t)之和。

●φ：业务服务等级

●μ：权重因子，0＜μ＜1。μ越低，之前接入情况对发送概率的影响就越低，在仿真中我们设定μ＝0.5。

当接入分组发生碰撞时需要重发时，MT动态调整竞争窗口，公式(2)如下：

$\mathrm{CW}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{MAX}& \mathrm{MAX}\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}}\\ 2^{\mathrm{\&alpha;}}& n<2^{\mathrm{\&alpha;}}<\mathrm{MAX}\\ n& 2^{\mathrm{\&alpha;}}\&le;n\end{array}\right.---\left(2\right)$

α表示重发次数，首次接入时，竞争窗口为RACH信道个数，发生碰撞重发接入请求时，窗口变大，窗口最大为MAX，在仿真中，我们设定MAX＝256。

当MT准备传输接入请求时，它从竞争窗口[1，CW]中随机选择一个整数M，MT接入第M个RACH信道。计算N_s ^α和N_total ^α的值，依发送概率P(α)发送接入请求，随后MT监听下行信道。如果MT收到接入确认信息，此次接入过程结束，α赋值为0。如果MT没有成功发送第α次接入请求，令α＝α+1，N_s ^α＝N_total ^α＝0，重复以上过程直到该业务接入成功或被丢弃。变量Φ指示用户接入优先级，Φ∈[1，n]，Φ＝1时，优先级最低，MT的接入请求发送概率也最低。

在相同网络终端和随机接入信道资源配置的情况下，由仿真图2，3可以看出本发明方案与普通时隙ALOHA系统随机接入方案在吞吐量和时延两个方面的性能差别。同样我们也对不同φ所对应的不同等级业务的接入情况进行了仿真，在固定用户数为50，请求到达率发生变化的情况下，本方案提供的三个等级业务的随机接入时延性能都较接入信道为4时隙ALOHA算法表现优异，三个业务之间时延曲线也有明显区别，在接入请求到达率为0.05的情况下，接入信道数为4的ALOHA算法时延大于20帧，三个等级业务时延分别为14，11，9帧。显然本方案在网络负载高的情况下可以更好地满足不同等级业务的QoS需求。

Claims (6)

1、一种通信系统中的随机接入方法，包括步骤：

(1)在接入点根据每帧内随机接入信道的状态信息，动态地调整下一帧的接入信道数目，并且通过下行公共控制信道广播接入信道的数目；

(2)移动终端在首次发送接入请求时，在竞争窗口以发送概率1发送所有业务等级的业务；

(3)移动终端在发送接入请求后，监听下行公共控制信道上广播的信息，如果在下行公共控制信道上接收到由所述接入点广播的其接入分组的确认信息，则述移动终端接入随机接入信道；

(4)如果接入分组未能成功发送而需要重发时，移动终端动态调整竞争窗口的大小，并且在竞争窗口内随机选择一个接入信道准备重发；在重发帧到达时，移动终端根据以下公式计算重发概率，并且随机选择数值x∈[0，1]，若x＝＜P(α)则进行本次重发，否则取消本次重发；

$P\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=1-{\left(\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)\right)}^{\mathrm{\&phi;}\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}}$

其中： $\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\mathrm{\&mu;}\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)+(1-\mathrm{\&mu;})\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}-1}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}(\mathrm{\&alpha;}-1)$

P(α)是第α次发送接入请求的发送概率，

是随机接入信道的信道利用率，其中

$\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\mathrm{\&mu;}\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}}}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)+(1-\mathrm{\&mu;})\frac{N_s^{\mathrm{\&alpha;}-1}}{N_{\mathrm{total}}^{\mathrm{\&alpha;}-1}}(\mathrm{\&alpha;}-1),$

N_s ^α是在第α次接入请求和第α-1次接入请求之间的N_s(t)之和，N_s(t)是第t帧接入成功的RACH信道数目，

N_total ^α是在第α次接入请求和第α-1次接入请求之间的N(t)之和，N(t)是第t帧的随机接入信道的数目，

φ是业务服务等级，Φ∈[1，n]，

μ是随机接入信道的信道利用率的权重因子，其中0＜μ＜1；

(5)如果重发成功并且得到接入点发送的接入成功消息，则所述移动终端接入随机接入信道；

(6)如果未能重发或者重发失败，则重复步骤(4)直到业务被成功接入或者丢弃。

2、根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)还包括步骤：

所述接入点根据发送的接入请求分组在接入信道中的发生碰撞信道数和被使用信道数，并且按照以下公式计算下一帧中随机接入信道数目：

其中N(t+1)是第t+1帧的随机接入信道的数目，

N_c(t)是第t帧发生碰撞的随机接入信道的数目，

N_s(t)是t帧接入成功的随机接入信道的数目，

C_idle(t)是指示标志，在t帧中所有RACH信道上都没有接入分组发生碰撞时，被赋值为1，否则为0，

ω是非空闲信道的权重参数，0＜ω≤1，

${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{busy}}\left(t\right)=\frac{N_u\left(t\right)}{N\left(t\right)},$ N_u(t)＝N_s(t)+N_c(t)。

3、根据权利要求2所述的方法，其中N(t+1)＝min{max{N(t+1)，1}，N_max}

N_max为在MAC帧中所能分配的最大随机接入信道的数目，并且最小RACH信道数目为1。

4、根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(4)中按照以下公式来动态调整竞争窗口CW的大小：

$\mathrm{CW}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{MAX}& \mathrm{MAX}\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}}\\ 2^{\mathrm{\&alpha;}}& n<2^{\mathrm{\&alpha;}}<\mathrm{MAX}\\ n& 2^{\mathrm{\&alpha;}}\&le;n\end{array}\right.$

其中α表示重发次数，n为下一帧的信道数，MAX是由系统所定义的最大值。

5、根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

所述移动终端在竞争窗口中随机选择一个整数M，准备接入第M个随机接入信道，如果本帧随机接入信道的数量小于M，则在下一帧接入随机接入信道。

6、根据权利要求1所述的方法，其中所述竞争窗口的初始大小为本帧中随机接入信道的数量。

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