一種基於動態分配PRACH資源的接入擁塞控制方法與流程
2023-05-26 11:03:16
本發明涉及無線通信技術領域，具體涉及一種智能電網lte通信系統中，基於動態分配prach資源的接入擁塞控制方法。
背景技術：
智能電網包括可以優先使用清潔能源的智能調度系統、可以動態定價的智能計量系統以及通過調整發電、用電設備功率優化負荷平衡的智能技術系統。當前的電力系統中，傳統的通信方式如plc(powerlinecommunication)已漸漸滿足不了電網建設的要求。lte系統以其高可靠性、高傳輸效率和成熟的技術被眾多國家和技術選做電網接入網的通信方式。目前，將lte應用於智能電網的相關研究也是該領域研究的熱點話題。在智能電網背景下，由於居民區、工業區、辦公樓等用電場合覆蓋面積非常大，使得電網終端的數量巨大,分布廣泛。智能電錶終端存在定時向上傳輸用電信息或者突發情況下區域內終端都爭相報告故障信息，大量的電網終端接入到lte網絡中，會給網絡的資源帶來很大的壓力，很容易出現海量終端同時申請資源的情況，突發海量設備的接入請求，屆時會引起ran和核心網絡的擁塞，延遲增大，分組丟失乃至中斷服務。因此，必須從終端的接入著手，在lte系統下研究隨機接入控制機制、接入方式、動態接入資源分配等方案，來降低海量電網終端接入引起的網絡擁塞及接入的失敗概率。從而滿足大容量的用戶接入，實現對海量用戶的資源調度。
國內外眾多學者、專家都在該領域有相當多的研究。目前，基於access類限制(acb)的機制是處理ran超載問題的最佳方式,但是當網絡同時到達用戶數增多時，acb的接入成功率迅速下降，而且接入延遲也相當大。此外tiagop.c.deandrade在文章「randomaccessmechanismforranoverloadcontrolinlte/lte-anetworks」中提出的dacb算法，在基本acb的基礎上，引入負載估計，依據負載情況動態改變acb參數。同時，阻塞嚴重時禁止低優先級的接入，從而儘可能保證高優先級接入。但是該方法只適用於用戶數不是很大的情況，而且該方法下高優先級的接入時延還有待提高，尤其是針對電網一些時延敏感的業務。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於動態分配prach資源的接入擁塞控制方法，將ue業務進行等級劃分，根據負載估計的情況動態配置prach資源，在參與接入的ue數量較多造成網絡擁塞時，優先保證高優先級ue的接入，阻塞低優先級ue的接入；同時減小高優先級ue的接入時延。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基於動態分配prach資源的接入擁塞控制方法，包括以下步驟：
s1.將所有的ue業務劃分為高、低兩個等級；
s2.初始化接入擁塞所涉及的所有參數；
s3.enb通過廣播信道下發隨機接入所需的基本信息；enb通過廣播信道下發隨機接入所需的基本信息包括：負載門限值、可使用前導碼個數、每個prach所處的時頻位置和ue發生衝突時的退避時間bi值。
s4.含有高、低優先級的ue接入流到達接入時隙，從可用前導碼中以等概率的方式隨機選擇一個前導碼通過隨機接入信道prach傳給enb；若發生前導碼衝突的情況，衝突的ue根據系統信息提供的退避時間窗隨機退避一定的時間，再重新選擇前導碼傳給enb，記錄前導碼的重傳次數；具體地，所述步驟s4包括以下子步驟：
s41.含有高、低優先級的ue接入流到達接入時隙，從可用前導碼中以等概的方式隨機選擇一個前導碼通過隨機接入信道prach傳給enb；
s42.初始化前導碼重傳參數為0；
s43.判斷存在前導碼衝突的情況；
(1)若存在前導碼衝突的情況，進入步驟s44；
(2)若不存在前導碼衝突的情況，保存當前的前導碼重傳次數，進入步驟s5；
s44.衝突的ue根據系統信息提供的退避時間窗隨機退避一定的時間，再重新選擇前導碼傳給enb,對前導碼重傳次數進行更新，更新後的前導碼重傳次數等於更新前的前導碼重傳次數加一，返回步驟s43繼續進行前導碼衝突判斷。
進一步地，所述前導碼衝突的情況包括：兩個及以上的ue在同一時頻資源上選擇相同前導碼。
s5.enb解碼前導碼，根據接收的前導碼發送相應的rar消息給ue，ue收到rar消息後，向enb提出資源申請；所述rar消息包括對應ue發送的前導碼，供ue確認自己為rar信息的接收對象。
s6.enb在檢測周期t內，對隨機接入負載情況進行監測，實現網絡負載估計；具體地，所述的步驟s6包括以下子步驟：s61.enb在檢測周期t內，對各個ue成功接入網絡所耗費的前導碼重傳次數roi進行監控；s62.enb根據監控情況，估計網絡負載：
式中，roii表示在檢測周期t內第i個設備的roi值，lran表示當前的網絡負載估計值。
s7.enb根據負載估計的情況動態配置prach資源，實現接入擁塞的控制。具體地，所述的步驟s7包括以下子步驟：
s71.enb識別來自ue的資源申請消息，並給相應ue發送競爭解決消息；
s72.比較負載估計值lran和負載門限值α，根據比較結果動態改變prach配置參數，進行prach資源的動態分配，實現接入擁塞的控制：
(1)若lran＞α，則增大每幀的接入時隙數目，同時阻塞低優先級ue的接入；
(2)若lran＞α，則減小每幀接入時隙數目。
進一步地，步驟s4中系統信息提供的退避時間窗按照基於等級的退避方式實現：當ue沒有成功接入時，用戶會進行按照退避參數bi進行退避，等級越高的ue，bi值越小，等級越低的ue,bi值越大；退避時間tbi如下：
式中，i＝1表示高優先級用戶，高優先級用戶的退避時間tb1為uni(0,bi1)，uni(0,bi1)表示高優先級用戶在區間(0,bi1)服從均勻分布，bi1為高優先級用戶的bi值；i＝2表示低優先級用戶，低優先級用戶的退避時間tb2為uni(0,bi2)，uni(0,bi2)表示低優先級用戶在區間(0,bi2)服從均勻分布，bi2為低優先級用戶的bi值。
本發明的有益效果是：將ue業務進行等級劃分，根據負載估計的情況動態配置prach資源，尤其在海量ue準備同時接入到網絡時，能夠保證高優先級用戶的接入成功率和接入延遲，具有較好的性能；結合ue沒有成功接入時退避方式的設置，通過調節每幀接入時隙數目，即可實現動態配置prach資源，配置方式簡單，接入擁塞控制方便。
附圖說明
圖1為本發明的流程圖；
圖2為仿真過程中當前網絡中高優先級和低優先級用戶成功接入用戶數佔各自總用戶數比例。
圖3為本發明與dacb的平均接入時延對比圖。
具體實施方式
下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。
如圖1所示，一種基於動態分配prach資源的接入擁塞控制方法，包括以下步驟：
s1.將所有的ue(userequipment，表示用戶終端或用戶設備)業務劃分為高、低兩個等級；
s2.初始化接入擁塞所涉及的所有參數；
s3.enb(evolvednodeb，lte中基站的名稱，可直接理解為基站)通過廣播信道下發隨機接入所需的基本信息；enb通過廣播信道下發隨機接入所需的基本信息包括：負載門限值、可使用前導碼個數(一般用於競爭的為54個)、每個prach(physicalrandomaccesschannel，隨機接入信道)所處的時頻位置和ue發生衝突時的退避時間bi(backofftime)值。
s4.含有高、低優先級的ue接入流到達接入時隙，從可用前導碼中以等概率的方式隨機選擇一個前導碼通過隨機接入信道prach傳給enb；若發生前導碼衝突的情況，衝突的ue根據系統信息提供的退避時間窗隨機退避一定的時間，再重新選擇前導碼傳給enb，記錄前導碼的重傳次數；具體地，所述步驟s4包括以下子步驟：
s41.含有高、低優先級的ue接入流到達接入時隙，從可用前導碼中以等概的方式隨機選擇一個前導碼通過隨機接入信道prach傳給enb；
s42.初始化前導碼重傳參數為0；
s43.判斷存在前導碼衝突的情況；
(1)若存在前導碼衝突的情況，進入步驟s44；
(2)若不存在前導碼衝突的情況，保存當前的前導碼重傳次數，進入步驟s5；
s44.衝突的ue根據系統信息提供的退避時間窗隨機退避一定的時間，再重新選擇前導碼傳給enb,對前導碼重傳次數進行更新，更新後的前導碼重傳次數等於更新前的前導碼重傳次數加一，返回步驟s43繼續進行前導碼衝突判斷。
在本申請中，所述前導碼衝突的情況包括：兩個及以上的ue在同一時頻資源上選擇相同前導碼。
s5.enb解碼前導碼，根據接收的前導碼發送相應的rar(randomaccessresponse，隨機接入響應)消息給ue，ue收到rar消息後，向enb提出資源申請；所述rar消息包括對應ue發送的前導碼，供ue確認自己為rar信息的接收對象。
s6.enb在檢測周期t內，對隨機接入負載情況進行監測，實現網絡負載估計；具體地，所述的步驟s6包括以下子步驟：s61.enb在檢測周期t內，對各個ue成功接入網絡所耗費的前導碼重傳次數roi進行監控，roi越大，前導重傳越頻繁，網絡負載越大；s62.enb根據監控情況，估計網絡負載：
式中，roii表示在檢測周期t內第i個設備的roi值，lran表示當前的網絡負載估計值。當lran＝0時，網絡沒有擁塞，反之，lran接近於1時則表示網絡擁塞情況嚴重。
s7.enb根據負載估計的情況動態配置prach資源，實現接入擁塞的控制。具體地，所述的步驟s7包括以下子步驟：
s71.enb識別來自ue的資源申請消息，並給相應ue發送競爭解決消息；
s72.比較負載估計值lran和負載門限值α，根據比較結果動態改變prach配置參數，進行prach資源的動態分配，實現接入擁塞的控制：
(1)若lran＞α，則增大每幀的接入時隙數目，同時阻塞低優先級ue的接入；
(2)若lran＞α，則減小每幀接入時隙數目。
進一步地，步驟s4中系統信息提供的退避時間窗按照基於等級的退避方式實現：當ue沒有成功接入時，用戶會進行按照退避參數bi進行退避，等級越高的ue，bi值越小，等級越低的ue,bi值越大；退避時間tbi如下：
式中，i＝1表示高優先級用戶，高優先級用戶的退避時間tb1為uni(0,bi1)，uni(0,bi1)表示高優先級用戶在區間(0,bi1)服從均勻分布，bi1為高優先級用戶的bi值；i＝2表示低優先級用戶，低優先級用戶的退避時間tb2為uni(0,bi2)，uni(0,bi2)表示低優先級用戶在區間(0,bi2)服從均勻分布，bi2為低優先級用戶的bi值。步驟s4中，系統信息提供的退避時間窗，即服從均勻分布的區間(0,bi1)或(0,bi2)。
在傳統lte基站(enb)檢測前導概率跟前導重傳次數成正比，公式為：
detectp＝1-exp(-i)，
其中i表示前導碼重傳次數，每幀的接入時隙數目與設備接入成功率成正比，每幀的接入時隙數目越大，enb的檢測前導概率越大，則成功接入的設備數越多，故對enb的檢測前導概率引入一個因子q：
q＝exp(-b/l)
detectp1＝detectp*q，
其中b代表單位時間內高優先級嘗試接入的ue數目，l代表單位時間內可用的rao數目，rao表示隨機接入機會(randomaccessopportunity)，在某個隨機接入時隙的一個前導碼就代表一個rao。
在本申請的實施例中，為了驗證本發明的性能改善，這裡主要和dacb算法進行對比，驗證採取如下仿真場景、參數：
考慮一個單小區，只有一個基站，假設所有用戶是同時到達，並同時提出接入申請。仿真時模擬了用戶數從2000遞增到20000這個過程，並統計了不同用戶數申請接入時系統的性能指標，如下表所示：
為了展示仿真結果，採用了如下定義的指標：
成功接入概率：每個時隙成功接入的用戶數之和除以總用戶數n。
平均接入時延：首先，定義一個用戶的時延為從它發出接入申請到接入成功的時間。
則平均接入時延為所有成功接入用戶的時延總和除以成功接入用戶的總數。這個指標反映了不同網絡負載情況下成功接入lte所花費的平均時間。
仿真的結果見附圖2、3。圖2表示當前網絡中高優先級和低優先級用戶成功接入用戶數佔各自總用戶數比例，成功接入概率越高，表示當前成功接入的設備數就越多。同時，從圖2可以看出，在ue數目屬於(1000,20000)區間時，基於動態分配prach資源的接入擁塞控制機制下得到的高優先級接入成功率明顯高於dacb方法。由圖2知，當請接入ue設備數量小於1000時，接入資源完全能滿足接入請求量，故接入成功率為100％。ue設備超過1000時，隨著ue數量逐漸遞增，接入成功率呈現下降趨勢，接入成功率與ue數量呈現反相關關係。圖3所示是本發明方法與dacb的平均接入時延對比圖，平均時延越低表示負載成功接入網絡所耗費的時間越少，從圖3中可以看出，系統的平均接入時延尤其是高優先級用戶的平均接入時延在動態分配prach方法下得到了很大的改善。尤其是當用戶數超過10000時，dacb方法的時延變得不可忍受，並且時延曲線增漲速率非常大，而本文提出的動態分配prach方法的時延較小並且曲線變化相對緩慢。因為本文提出的新方法主要是為了解決高優先級的延遲敏感，採取了一種通過估計高優先級的負載情況對低優先級進行阻塞的機制，所以新方法中低優先級的接入成功率沒有明顯的提高。但是由於引入了動態配置prach，低優先級和高優先級的接入時延都有不同程度的提高，如圖3所示，新方法仿真得到的接入時延始終比dacb小。此外，本發明方法下高優先級的延時一直低於400ms，相比dacb其很好解決了高優先級的延遲敏感問題。
從以上分析的仿真結果來看，動態配置prach接入控制方法的性能比dacb方法提高了很多，這種性能的提高受益於準確估計網絡的負載狀況並且動態調整prach配置參數。