趙季紅，韓海芳，曲 樺

（1.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 西安710061；2.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 西安710049）

1 引言

3 GPP組織協(xié)議TS 36.300中指出：無線接納控制是對(duì)新的無線承載請(qǐng)求進(jìn)行判決以決定是否接納[1]。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，同時(shí)，對(duì)服務(wù)質(zhì)量也越加敏感。用戶希望能夠隨時(shí)隨地快捷地接入網(wǎng)絡(luò)中，并且享受低時(shí)延、高速率、無縫切換等優(yōu)質(zhì)服務(wù)，這就要求移動(dòng)通信系統(tǒng)提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保障[2]。但是，移動(dòng)通信系統(tǒng)的無線資源是有限的，如果接入過多用戶會(huì)導(dǎo)致用戶服務(wù)質(zhì)量降低，所以合理的呼叫接納控制方法是解決有限的無線資源與用戶高服務(wù)質(zhì)量要求這對(duì)矛盾的關(guān)鍵。目前，接納控制的主要策略有完全共享策略、完全區(qū)分策略、自適應(yīng)帶寬預(yù)留方案和固定帶寬預(yù)留方案[3]。這些策略能在一定程度上降低新用戶的呼損率和切換用戶的掉話率，但是不能完全滿足用戶對(duì)通信質(zhì)量的需求。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，LTE-Advanced（以下簡(jiǎn)稱LTE-A）系統(tǒng)引入了載波聚合（carrier aggregation，CA）、多用戶MIMO（multi-input multi-output）、多點(diǎn)協(xié)同傳輸（coordinated multi point transmission，CoMP）和中繼站（relay node，RN）等新技術(shù)，其中中繼站的引入不僅能夠擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，還能提高網(wǎng)絡(luò)容量且中繼站通常使位于小區(qū)邊緣的用戶受益[4]。中繼站的引入使得LTE-A系統(tǒng)演變?yōu)長(zhǎng)TE-A中繼系統(tǒng)，其接納控制方法是固定帶寬預(yù)留方案。該方案的特點(diǎn)是為切換業(yè)務(wù)預(yù)留部分資源，新呼叫和切換呼叫競(jìng)爭(zhēng)使用共享資源，預(yù)留資源僅供切換呼叫使用，但是當(dāng)新用戶到達(dá)率較高時(shí)，容易造成新用戶阻塞率的增加，并且在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，用戶是隨機(jī)產(chǎn)生的，有可能在某一地區(qū)產(chǎn)生大量的用戶，而該部分的系統(tǒng)資源不夠用戶使用，這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的接納率下降[5]。為了規(guī)避此種現(xiàn)象，降低新用戶的阻塞率，本文在LTE-A中繼系統(tǒng)中對(duì)固定帶寬預(yù)留方案進(jìn)行改進(jìn)，提出了LTE-A中繼系統(tǒng)基于資源共享的呼叫接納控制方法。在該方法中，用戶通過小區(qū)內(nèi)某一站點(diǎn)請(qǐng)求接入系統(tǒng)，如果該站點(diǎn)內(nèi)的新用戶和切換用戶共享資源已經(jīng)被使用完，切換用戶可以使用該站點(diǎn)為切換用戶預(yù)留的資源接入系統(tǒng)，而新用戶則可以通過該站點(diǎn)所在小區(qū)內(nèi)的站點(diǎn)間資源共享成功后接入系統(tǒng)。這種改進(jìn)方法不僅降低了新用戶的阻塞率和切換用戶的掉話率，而且提高了系統(tǒng)的資源利用率。

2 算法描述

2.1 系統(tǒng)模型

本文中的系統(tǒng)模型如圖1所示。

每個(gè)小區(qū)有7個(gè)站點(diǎn)，包括1個(gè)eNB和6個(gè)中繼站。eNB位于小區(qū)的中心，6個(gè)中繼站均勻放在距離小區(qū)中心（eNB）2/3半徑處的圓上，eNB和中繼站都采用全向天線。由于中繼站的發(fā)射功率小于eNB的發(fā)射功率，所以中繼站的覆蓋范圍小于eNB的覆蓋范圍，用戶根據(jù)接收到的各個(gè)站點(diǎn)的信干噪比選擇通過eNB接入系統(tǒng)還是通過某一中繼站接入系統(tǒng)。eNB承擔(dān)系統(tǒng)40%的負(fù)荷，各個(gè)中繼站承擔(dān)系統(tǒng)10%的負(fù)荷。

圖1 系統(tǒng)模型

2.2 算法描述

[2]中已經(jīng)指出，接納控制需要處理兩種類型的用戶發(fā)起的連接請(qǐng)求，一種是新用戶發(fā)起的連接請(qǐng)求，另一種是切換用戶發(fā)起的連接請(qǐng)求。其中新用戶發(fā)起的連接請(qǐng)求是由當(dāng)前小區(qū)中的用戶發(fā)起的連接，切換用戶的連接請(qǐng)求是由其他小區(qū)中的移動(dòng)用戶發(fā)起的，這屬于用戶因移動(dòng)性需要切換到當(dāng)前小區(qū)中的連接請(qǐng)求。因此，在研究接納控制算法時(shí)，系統(tǒng)用戶請(qǐng)求只包括新用戶和切換用戶的連接請(qǐng)求。又因?yàn)橥ㄔ捴袛啾群艚凶枞屓穗y以接受，所以在呼叫接納控制中切換呼叫要比新呼叫具有更高的優(yōu)先級(jí)別[6]。本算法的判決依據(jù)是當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)，不采用預(yù)測(cè)機(jī)制，即不考慮如果準(zhǔn)入該用戶請(qǐng)求是否會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷過高。WCDMA的商用經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明追求精確的預(yù)測(cè)機(jī)制只能帶來復(fù)雜度提高和更多的臨界點(diǎn)異常，在最終效果上不會(huì)比不預(yù)測(cè)的效果更好[7]。

本文中，首先為各個(gè)站點(diǎn)設(shè)置了兩類門限，一類是拒絕門限，另一類是新用戶有償接入門限。拒絕門限是站點(diǎn)所有業(yè)務(wù)都拒絕接入的門限，是站點(diǎn)最大業(yè)務(wù)量的95%；新用戶有償接入門限實(shí)際上是站點(diǎn)為切換用戶預(yù)留的帶寬資源門限，是站點(diǎn)最大業(yè)務(wù)量的80%。對(duì)于每個(gè)站點(diǎn)而言，新用戶有償接入門限小于拒絕門限。中繼站的拒絕門限是中繼站最大業(yè)務(wù)量的95%，中繼站的新用戶有償接入門限是中繼站最大業(yè)務(wù)量的80%；eNB的拒絕門限是eNB最大業(yè)務(wù)量的95%，eNB的新用戶有償接入門限是eNB最大業(yè)務(wù)量的80%。

LTE-A中繼系統(tǒng)基于資源共享的接納控制算法流程如圖2所示。

圖2 基于資源共享的接納控制算法

針對(duì)圖2所示的接納控制算法流程，若用戶通過小區(qū)內(nèi)某一站點(diǎn)請(qǐng)求接入系統(tǒng)，先要經(jīng)過以下判斷：

·如果該站點(diǎn)負(fù)荷大于或等于拒絕門限，則不論是新用戶還是切換用戶都不得接入系統(tǒng)；

·如果該站點(diǎn)負(fù)荷小于新用戶有償接入門限，不論是新用戶還是切換用戶，都可以接入系統(tǒng)；

·如果該站點(diǎn)負(fù)荷大于或等于新用戶有償接入門限而小于拒絕門限，切換用戶被接納，新用戶則需要進(jìn)行等待，等到該站點(diǎn)與其所在小區(qū)內(nèi)的其他站點(diǎn)之間資源共享成功，并為新用戶讓出足夠資源后才可接入系統(tǒng)，否則新用戶被拒絕。

所述站點(diǎn)間資源共享過程如下。

目標(biāo)站點(diǎn)是與請(qǐng)求站點(diǎn)進(jìn)行資源共享的站點(diǎn)，目標(biāo)用戶是本來通過請(qǐng)求站點(diǎn)接入系統(tǒng)的用戶轉(zhuǎn)為通過目標(biāo)站點(diǎn)接入系統(tǒng)的用戶。

資源共享?xiàng)l件如下：

其中，Lr表示請(qǐng)求站點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)荷，Lr（A）表示請(qǐng)求站點(diǎn)的新用戶有償接入門限，Lr（B）表示請(qǐng)求站點(diǎn)的拒絕門限，式（1）表示新用戶請(qǐng)求接入站點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)荷介于該站點(diǎn)的新用戶有償接入門限和拒絕接入門限之間。SINRt表示通過請(qǐng)求站點(diǎn)已經(jīng)接入系統(tǒng)的用戶接收到的目標(biāo)站點(diǎn)的信干噪比，LSINR表示選擇的目標(biāo)用戶接入系統(tǒng)的信干噪比門限值，式（2）表示選擇的目標(biāo)用戶接收到的目標(biāo)站點(diǎn)信干噪比滿足其接入系統(tǒng)閾值。Lt表示目標(biāo)站點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)荷，Lt（B）表示目標(biāo)站點(diǎn)的拒絕門限，式（3）表示目標(biāo)站點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)荷小于目標(biāo)站點(diǎn)的拒絕門限。

如果新用戶A通過eNB請(qǐng)求接入系統(tǒng)，而此時(shí)eNB的負(fù)荷滿足式（1），即此時(shí)eNB的負(fù)荷剛好介于eNB的新用戶有償接入門限和拒絕門限之間。系統(tǒng)檢測(cè)已經(jīng)通過eNB接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）。

首先，如果通過eNB已接入系統(tǒng)的用戶不滿足式（2），拒絕接納用戶A。

其次，如果通過eNB已接入系統(tǒng)的用戶滿足式（2），但是eNB周圍的中繼站都不滿足式（3），拒絕接納用戶A。

最后，如果通過eNB接入系統(tǒng)的用戶i接收到中繼站j的信干噪比滿足式（2），且中繼站j滿足式（3），用戶i是選擇的目標(biāo)用戶，中繼站j是目標(biāo)站點(diǎn)，系統(tǒng)把用戶i從通過eNB接入系統(tǒng)轉(zhuǎn)為通過中繼站j接入系統(tǒng)，資源共享成功，從而實(shí)現(xiàn)了eNB和中繼站之間的資源共享。

如果對(duì)于用戶i，有多個(gè)中繼站同時(shí)滿足式（2），選擇用戶i接收到的最大信干噪比的那個(gè)中繼站為目標(biāo)站點(diǎn)。檢測(cè)eNB的負(fù)荷信息，如果eNB負(fù)荷低于eNB的新用戶有償接入門限，則接納用戶A，同時(shí)停止判斷已通過eNB接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）的檢測(cè)過程；如果eNB負(fù)荷仍然高于eNB的新用戶有償接入門限，則繼續(xù)把通過eNB接入系統(tǒng)的滿足式（2）的用戶轉(zhuǎn)為通過滿足式（3）的站點(diǎn)接入系統(tǒng)，直到eNB的負(fù)荷低于eNB的新用戶有償接入門限；如果通過eNB接入系統(tǒng)的目標(biāo)用戶都被轉(zhuǎn)為通過其目標(biāo)站點(diǎn)接入系統(tǒng)后，eNB的負(fù)荷仍然高于eNB的新用戶有償接入門限，則拒絕接納用戶A。雖然用戶A被拒絕，但是在一定程度上降低了eNB的負(fù)荷。

如果新用戶A請(qǐng)求通過中繼站i接入系統(tǒng)，而此時(shí)中繼站i的負(fù)荷滿足式（1），即此時(shí)中繼站i的負(fù)荷剛好介于中繼站的新用戶有償接入門限和拒絕門限之間。系統(tǒng)檢測(cè)已經(jīng)通過中繼站i接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）。

首先，如果通過中繼站i已接入系統(tǒng)的用戶不滿足式（2），則拒絕接納用戶A。

其次，如果通過中繼站i已接入系統(tǒng)的用戶滿足式（2），但是與中繼站i相鄰的兩個(gè)中繼站和eNB都不滿足式（3），則拒絕接納用戶A。

最后，如果通過中繼站i接入系統(tǒng)的用戶j接收到站點(diǎn)k（此時(shí)的站點(diǎn)是與中繼站i相鄰的兩個(gè)中繼站和eNB中的某一個(gè)）的信干噪比滿足式（2）且站點(diǎn)k滿足式（3），用戶j是選擇的目標(biāo)用戶，站點(diǎn)k是選擇的目標(biāo)站點(diǎn)。系統(tǒng)把用戶j從通過中繼站i接入系統(tǒng)轉(zhuǎn)為通過站點(diǎn)k接入系統(tǒng)，資源共享成功。如果站點(diǎn)k是中繼站，實(shí)現(xiàn)了中繼站和中繼站之間的資源共享；如果站點(diǎn)k是eNB，實(shí)現(xiàn)了中繼站和eNB之間的資源共享。如果對(duì)于用戶j，有多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)滿足式（2），選擇用戶j接收到的最大信干噪比的那個(gè)站點(diǎn)為目標(biāo)站點(diǎn)。檢測(cè)中繼站i的負(fù)荷信息，如果中繼站i的負(fù)荷低于中繼站的新用戶有償接入門限，則接納用戶A，同時(shí)停止判斷已通過中繼站i接入系統(tǒng)的用戶是否滿足式（2）的檢測(cè)過程；如果中繼站i的負(fù)荷仍然高于中繼站的新用戶有償接入門限，則繼續(xù)把通過中繼站i接入系統(tǒng)的滿足式（2）的用戶轉(zhuǎn)為通過滿足式（3）的站點(diǎn)接入系統(tǒng)，直到中繼站i的負(fù)荷低于中繼站的新用戶有償接入門限；如果通過中繼站i接入系統(tǒng)的目標(biāo)用戶都被轉(zhuǎn)為通過其目標(biāo)站點(diǎn)接入系統(tǒng)后，中繼站i的負(fù)荷仍然高于中繼站的新用戶有償接入門限，則拒絕接納該用戶A。雖然用戶A被拒絕，但是在一定程度上降低了中繼站i的負(fù)荷。

3 仿真與性能分析

在本文中，對(duì)1 000個(gè)用戶進(jìn)行仿真，用戶在小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布。新用戶和切換用戶的比例是4∶1，新用戶和切換用戶均服從泊松分布，但是各自的到達(dá)率不同，每個(gè)用戶的服務(wù)過程服從負(fù)指數(shù)分布，服務(wù)速率是1/300，平均服務(wù)時(shí)長(zhǎng)是300 s。每個(gè)小區(qū)的信道資源是20，在LTE-A系統(tǒng)中，切換用戶的保護(hù)信道數(shù)是2。根據(jù)新用戶和切換用戶各自不同的到達(dá)率，分別對(duì)LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案、LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案和改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的資源利用率、呼損率和掉話率進(jìn)行仿真對(duì)比如圖3～圖5所示。

圖4 新用戶的阻塞率

圖5 切換用戶的掉話率

從圖3可以看出，在用戶到達(dá)率相同的情況下，本文提出的改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方法的資源利用率最高，其原因是在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的信道資源對(duì)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行初始化分配后，一個(gè)小區(qū)內(nèi)負(fù)荷較輕的站點(diǎn)可以通過資源共享接納負(fù)荷較重的站點(diǎn)下的接納請(qǐng)求。

從圖4可以看出，LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的阻塞率最高，LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的阻塞率次之，改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的阻塞率最低。這是因?yàn)橹欣^站的引入使得LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的邊緣用戶能夠接收到更好的信號(hào)質(zhì)量，提高了用戶接入系統(tǒng)的概率，降低了新用戶的阻塞率，因此LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的阻塞率低于LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的阻塞率；改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案在新用戶請(qǐng)求接入站點(diǎn)的負(fù)荷達(dá)到新用戶有償接入門限時(shí)，不是拒絕新用戶，而是通過該站點(diǎn)與該站點(diǎn)所在小區(qū)內(nèi)其他站點(diǎn)之間的資源共享，使通過該站點(diǎn)已接入系統(tǒng)的用戶切換到通過小區(qū)內(nèi)的共享站點(diǎn)接入系統(tǒng)，為新用戶騰出資源，提高了系統(tǒng)的資源利用率，降低了新用戶的阻塞率，所以改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的阻塞率最低。

從圖5可以看出，LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的掉話率最高，LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的掉話率次之，改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的掉話率最低。這是因?yàn)橹欣^站的引入拉近了LTE-A中繼系統(tǒng)邊緣用戶與接入站點(diǎn)之間的距離，提高了用戶接入系統(tǒng)的概率，降低了切換用戶的掉話率，因此LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的掉話率低于LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案的掉話率；改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案中，由于已接入系統(tǒng)的用戶需要切換到本小區(qū)內(nèi)目標(biāo)站點(diǎn)為新用戶讓出資源，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)內(nèi)7個(gè)站點(diǎn)之間的負(fù)荷均衡，提高了系統(tǒng)的資源利用率，所以改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方案的掉話率最低。

4 結(jié)束語

本文提出了一種LTE-A中繼系統(tǒng)基于資源共享的呼叫接納控制方法，該方法根據(jù)接入站點(diǎn)的當(dāng)前負(fù)荷以及用戶是新用戶還是切換用戶采取不同的接納控制方法。之后將該方法與LTE-A系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案和LTE-A中繼系統(tǒng)固定帶寬預(yù)留方案進(jìn)行了仿真比較，比較結(jié)果顯示改進(jìn)的LTE-A中繼系統(tǒng)接納控制方法提高了資源利用率，降低了新用戶的阻塞率和切換用戶的掉話率，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了eNB和中繼站、中繼站和中繼站、中繼站和eNB之間的資源共享。

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