網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)在LTE系統(tǒng)中信令時(shí)延分析*

王璨, 劉輝,2

（1 重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065；2 重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，重慶 400065）

在LTE中網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)快速增長，在該業(yè)務(wù)的使用過程中就造成了業(yè)務(wù)擁塞、接入碰撞、排隊(duì)時(shí)延、傳輸抖動(dòng)、丟分組率高等問題，也就直接影響了業(yè)務(wù)通信質(zhì)量，使得網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)出現(xiàn)畫面延時(shí)、停滯和掉線等現(xiàn)象。這就給網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來保證游戲業(yè)務(wù)的質(zhì)量提出了更高的要求。然而，接入網(wǎng)信令中的隨機(jī)接入一直是人們研究時(shí)延的熱點(diǎn)，尤其是在一些業(yè)務(wù)量峰值平均率高的系統(tǒng)中，特別希望能采用一種簡單，高效的隨機(jī)接入技術(shù)，以滿足人們隨時(shí)隨地不同業(yè)務(wù)訪問的需求。于是，本文就提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)下的隨機(jī)接入信令優(yōu)化方案，來降低網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的時(shí)延。

1 LTE網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)時(shí)延的要求

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展， LTE網(wǎng)絡(luò)也承載更多高寬帶業(yè)務(wù)。其中，網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的要求也相應(yīng)得到提升，向著更低時(shí)延，更高帶寬，更穩(wěn)定傳輸?shù)姆较蜓葸M(jìn)。

網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)在LTE中指的是終端用戶(人或機(jī)器)和遠(yuǎn)程設(shè)備(比如遠(yuǎn)程服務(wù)器)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)交互的業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)游戲分為兩大類型，即時(shí)類網(wǎng)絡(luò)游戲和非即時(shí)類網(wǎng)絡(luò)游戲。其具體時(shí)延要求如表1所示。本文就可以根據(jù)不同類型的網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)在信令中進(jìn)行優(yōu)化分析。

表1 網(wǎng)絡(luò)游戲的分類及要求

現(xiàn)在國內(nèi)外的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案是在IP網(wǎng)絡(luò)中對不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)分組分類進(jìn)行分組傳輸加快傳輸效率，以達(dá)到降低時(shí)延的效果，這方案就只考慮了在IP網(wǎng)絡(luò)中分類傳輸，沒有考慮到接入網(wǎng)的信令優(yōu)化，所以降低時(shí)延的效果還不夠充分。于是，本文從接入網(wǎng)信令的隨機(jī)接入進(jìn)行分析，找出影響即時(shí)類網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)時(shí)延與接入碰撞的具體參數(shù)，并進(jìn)一步優(yōu)化，降低時(shí)延。

2 隨機(jī)接入過程

隨機(jī)接入技術(shù)作為通信接入網(wǎng)中多媒體接入控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞，所以它是接入網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點(diǎn)。隨機(jī)接入是網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)端發(fā)生切換，或在與網(wǎng)絡(luò)端初同步之后；網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)第一次與網(wǎng)絡(luò)端傳輸上行數(shù)據(jù)之前，所以它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)連接過程中是最重要的一個(gè)過程，網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的隨機(jī)接入的具體過程如圖1所示。

圖1 隨機(jī)接入過程

網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的隨機(jī)接入過程中所持續(xù)時(shí)長，如表2所示。本文根據(jù)即時(shí)類業(yè)務(wù)和非即時(shí)類業(yè)務(wù)，對信令中的參數(shù)研究分析，得出優(yōu)化時(shí)間提前量（TA，Time Advance）和退避指示（BI，Backoff Indicator）可以解決用戶業(yè)務(wù)接入碰撞和降低用戶接入時(shí)延。

表2 隨機(jī)接入所用時(shí)延

3 在隨機(jī)接入過程中發(fā)送前導(dǎo)碼的網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)時(shí)延問題詳細(xì)分析

第一步，網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的隨機(jī)接入過程中發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼，如圖2所示。

圖2 隨機(jī)接入前導(dǎo)碼發(fā)送

根據(jù)當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的請求，UE發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。其中Preamble碼可以用來標(biāo)識發(fā)起網(wǎng)游業(yè)務(wù)的隨機(jī)接入請求的UE。Preamble碼同時(shí)也可以作為eNodeB進(jìn)行上行傳輸時(shí)延評估的依據(jù)，從而間接控制TA，若此時(shí)的TA不夠合理，當(dāng)前TA的數(shù)值過大，就會(huì)提高相對時(shí)延，若過小，接入碰撞就會(huì)增加。因此，本文通過3GPP的規(guī)定首先大致判斷UE接收范圍。又由于小區(qū)覆蓋的范圍不同，本文又將利用Preamble碼4種格式根據(jù)UE接收范圍值，合理地配置TA數(shù)值，再把小區(qū)劃分為廣域小區(qū)、普通小區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)。如表3所示。這樣，利用Preamble碼格式劃分出來的小區(qū)范圍，并即時(shí)地劃分TA值，達(dá)到降低時(shí)延與接入碰撞概率的效果。

表3 Preamble格式適用小區(qū)范圍

4 在隨機(jī)接入過程中接收隨機(jī)接入響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)時(shí)延問題詳細(xì)分析

第二步，網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的隨機(jī)接入過程中網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送的隨機(jī)接入響應(yīng)，如圖3所示。

圖3 隨機(jī)接入響應(yīng)

UE成功接收到網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR），則說明隨機(jī)接入過程第一步連接成功。RAR中包含的參數(shù)有backoff（回退）參數(shù)、Preamble碼標(biāo)識、上行傳輸TA、初始上行鏈路資源授權(quán)（UL-grant）和臨時(shí)小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(TC-RNTI)等參數(shù)。其中，RAR中涉及優(yōu)化時(shí)延的參數(shù)有BI和上行傳輸TA。

eNodeB會(huì)根據(jù)接收到網(wǎng)絡(luò)游戲的Preamble碼評估向UE發(fā)送定時(shí)提前命令，計(jì)算出UE的定時(shí)間提前量(TA)。TA為接入網(wǎng)中上下行鏈路轉(zhuǎn)化的時(shí)間間隔。在隨機(jī)接入過程中3GGP規(guī)定了TA的指示值域是0～1282。本文根據(jù)Preamble碼格式劃分的區(qū)域來劃分TA的值域，這樣也可以把TA擴(kuò)展域劃分為對應(yīng)的3種值域范圍，如表4所示。

表4 時(shí)間提前量TA時(shí)延調(diào)整的分類

在不同區(qū)域中對接入網(wǎng)中不同類型的業(yè)務(wù)，TA值可以在劃分的值域范圍內(nèi)做出相應(yīng)的時(shí)延調(diào)整。比如在各個(gè)小區(qū)中即時(shí)類網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)，就可以不改變該小區(qū)中計(jì)算得出的TA值，使其接入時(shí)延更低。而非即時(shí)類網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)，在計(jì)算出的TA值后，按照不同區(qū)域規(guī)定的TA值域范圍內(nèi)，對TA值進(jìn)行延時(shí)調(diào)整，適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大其值。

隨著網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)增多在隨機(jī)接入中發(fā)生碰撞沖突加劇，網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送的BI就可以根據(jù)不同的區(qū)域和游戲業(yè)務(wù)類型來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而降低時(shí)延。UE在接收到隨機(jī)接入響應(yīng)的時(shí)候，會(huì)有以下幾種不同的情況：

（1）如果UE在隨機(jī)接入響應(yīng)窗內(nèi)沒有接收到任何響應(yīng)信息，則認(rèn)為本次隨機(jī)接入響應(yīng)的接收失敗，需要重新選擇隨機(jī)接入時(shí)頻資源和前導(dǎo)序列，重新發(fā)送前導(dǎo)信息；

（2）如果UE在隨機(jī)接入響應(yīng)窗內(nèi)接收到了網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送來的隨機(jī)接入響應(yīng)，但該響應(yīng)中并不是UE發(fā)送的前導(dǎo)序列相匹配的RA-RNTI，則表示該響應(yīng)失敗。當(dāng)不匹配的響應(yīng)信息中含有退避指示BI時(shí)，該UE需按照BI指示設(shè)置退避參數(shù)backoff，并且退避一段時(shí)間后重發(fā)前導(dǎo)序列，在這種情況下可以根據(jù)當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)繁忙度來確定合適的退避時(shí)間，確保網(wǎng)絡(luò)游戲的通暢以達(dá)到系統(tǒng)時(shí)延降低。本文根據(jù)之前的Preamble的格式，把BI退避參數(shù)分為3種情況：優(yōu)先級：索引號為0～5；一般級：索引號為6～9；擁塞級：索引號為10～12。其索引號為表5所示。當(dāng)響應(yīng)信息中沒有退避指示時(shí)，UE則設(shè)置重發(fā)前導(dǎo)序列的退避參數(shù)backoff為0ms，立即重新請求連接；

表5 Backoff參數(shù)值

（3）如果UE在隨機(jī)接入響應(yīng)窗中接收到了網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送的隨機(jī)接入響應(yīng)，并且包含有與之前發(fā)送的前導(dǎo)序列相匹配的RA-RNTI，則認(rèn)為該次隨機(jī)接入響應(yīng)接收成功。

5 優(yōu)化方案

現(xiàn)在根據(jù)上文分析，首先把網(wǎng)絡(luò)游戲的業(yè)務(wù)類型劃分為兩種；又根據(jù)Preamble碼的格式把覆蓋小區(qū)分為3種類型，在不同小區(qū)中根據(jù)不同類型的網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的要求規(guī)定TA的范圍值；然后在系統(tǒng)繁忙時(shí)，出現(xiàn)擁塞和碰撞問題后，根據(jù)之前劃分的不同類型的游戲業(yè)務(wù)優(yōu)先級在相應(yīng)的小區(qū)內(nèi)，確定回退參數(shù)值，減少相對RACH調(diào)度平均時(shí)延。根據(jù)上述一系列的參數(shù)優(yōu)化來降低網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入的時(shí)延。本文重點(diǎn)針對兩個(gè)小區(qū)場景進(jìn)行優(yōu)化。

在廣域小區(qū)內(nèi)，為了達(dá)到降低系統(tǒng)時(shí)延，首先把網(wǎng)絡(luò)游戲分為即時(shí)類游戲和非即時(shí)類游戲，確立好優(yōu)先級節(jié)省RACH調(diào)度平均時(shí)延。然后，根據(jù)該地區(qū)的特點(diǎn)：覆蓋范圍廣、業(yè)務(wù)量小、出現(xiàn)接入碰撞、時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性小。計(jì)算得出TA值后，可以將其TA值劃分在最大的范圍[0～1282]中，若非即時(shí)類游戲可以按照游戲的優(yōu)先級適當(dāng)?shù)卦谥涤蚍秶鷥?nèi)擴(kuò)大其值，減小碰撞和擁塞的可能性，使網(wǎng)絡(luò)游戲的延時(shí)更低，若是即時(shí)類游戲，就可以不改變TA值，直接進(jìn)行連接；如果UE隨機(jī)接入發(fā)生沖突并接收的RAR有BI參數(shù)，就可將網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)調(diào)整至優(yōu)先級，以最快的時(shí)間進(jìn)行連接傳輸，因?yàn)樵搮^(qū)域用戶少，可以不需要避讓，這樣網(wǎng)絡(luò)游戲在連接發(fā)生碰撞的情況下也會(huì)相應(yīng)地降低時(shí)延。

表6 優(yōu)化方案表

在熱點(diǎn)小區(qū)內(nèi)，開始階段確立業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，減小調(diào)度時(shí)間。然后計(jì)算得出具體TA值，把TA值調(diào)整至最小的范圍[0～426]，如果是非即時(shí)類游戲，可以在繁忙時(shí)TA值相應(yīng)擴(kuò)大，適當(dāng)?shù)卦龃髸r(shí)延，錯(cuò)開擁塞和碰撞情況，讓即時(shí)類游戲優(yōu)先接入；在沖突的情況下把接收到的BI值，按照不同類型的業(yè)務(wù)分別調(diào)整至各自的級別，也是錯(cuò)開擁塞高峰，把優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)調(diào)整至優(yōu)先級，即時(shí)發(fā)送；反之，優(yōu)先級低調(diào)整至擁塞級，延時(shí)發(fā)送，保證網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的傳輸要求。因?yàn)榇藭r(shí)大量用戶同時(shí)接入系統(tǒng)處于擁塞狀態(tài)，需要退避，否則，系統(tǒng)時(shí)延更加嚴(yán)重，若設(shè)置較短時(shí)間發(fā)送并超出了發(fā)送的最大次數(shù)，就會(huì)停止隨機(jī)接入，玩網(wǎng)游的用戶就會(huì)出現(xiàn)游戲中斷或者連接不上游戲的現(xiàn)象。

通過對接入網(wǎng)信令中的隨機(jī)接入細(xì)致研究分析，提出了以上網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的優(yōu)化方案，如表6所示，可以使網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)在LTE中接入時(shí)延更低。

6 結(jié)束語

本文著重研究分析了網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)在隨機(jī)接入過程中的信令，從研究分析的結(jié)果中找出了在隨機(jī)接入信令中影響網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的時(shí)延參數(shù)，并提出了新的信令優(yōu)化方案，對于實(shí)際工程規(guī)劃與優(yōu)化和理論研究中都有一定的基礎(chǔ)指導(dǎo)作用。再經(jīng)過實(shí)際的相關(guān)優(yōu)化論證過后，在LTE中網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)會(huì)降低出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)游戲業(yè)務(wù)的時(shí)延、畫面停滯等現(xiàn)象的次數(shù)。

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