自適應(yīng)TD-LTE公網(wǎng)集群系統(tǒng)競爭Preamble序列配置方案

隋　宇，陳輝煌，程小蓉

(1.廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣州 510080；2.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663)

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自適應(yīng)TD-LTE公網(wǎng)集群系統(tǒng)競爭Preamble序列配置方案

隋宇1，陳輝煌2，程小蓉2

(1.廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣州 510080；2.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663)

摘要：集群通信系統(tǒng)憑借其組網(wǎng)簡單的優(yōu)勢，在應(yīng)急通信中得到了廣泛的應(yīng)用，但現(xiàn)有的基于TD-LTE的寬帶集群通信系統(tǒng)所采用的隨機(jī)序列的利用率和發(fā)送成功率都不高。針對此問題，在對現(xiàn)有TD-LTE系統(tǒng)的隨機(jī)接入Preamble序列配置現(xiàn)狀展開研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合公網(wǎng)集群通信系統(tǒng)支持資源共用但不相互干擾的性能要求，提出一種適用于公網(wǎng)集群通信系統(tǒng)的競爭Preamble序列配置方案。該方案提出在低接入負(fù)載的環(huán)境中采用共用模式，用戶根據(jù)系統(tǒng)的分配，選擇適當(dāng)?shù)腜reamble序列完成接入；而在高接入負(fù)載的環(huán)境中采用分類模式，將集群用戶分為4個集合，根據(jù)用戶分類的不同選取不同的Preamble序列完成接入。仿真結(jié)果證明，該方案提高了Preamble序列的利用率和發(fā)送成功率，避免了混合接入碰撞，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：TD-LTE；集群系統(tǒng)；隨機(jī)接入；Preamble序列

0引言

集群通信系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)中后期，是一種通過動態(tài)信道分配，實(shí)現(xiàn)多用戶共享無線信道的移動通信系統(tǒng)[1]。它具有易于建設(shè)，呼叫接續(xù)迅速，安全性高等特點(diǎn)，在鐵路運(yùn)輸、油田作業(yè)以及災(zāi)難救援現(xiàn)場等多種場景下，能夠?yàn)橛脩籼峁┍憬莸耐ㄐ欧?wù)，由此在全球范圍得到廣泛應(yīng)用，甚至許多國家還將它接入移動無線通信系統(tǒng)中，為公共通信提供服務(wù)。但是，隨著集群通信技術(shù)在交通運(yùn)輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，它除了需要提供傳統(tǒng)的語音和低速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)外，還需要提供視頻傳輸、動態(tài)帶寬分配、移動辦公等業(yè)務(wù)；同時需要實(shí)現(xiàn)時延更小、上下行數(shù)據(jù)速率更快、頻譜利用率更高、覆蓋范圍更廣；此外，在可靠性和安全性方面還需要網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障修復(fù)、能夠?qū)崿F(xiàn)端到端加密、阻止非授權(quán)接入等；最后，還需要實(shí)現(xiàn)接入終端的多樣性、能夠完成升級和平滑演進(jìn)?？梢娫械恼瓗Ъ和ㄐ偶夹g(shù)無法滿足上述對于集群通信系統(tǒng)新的要求和挑戰(zhàn)，寬帶集群通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。

在寬帶集群通信系統(tǒng)中，憑借著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支撐層面的眾多優(yōu)勢，基于TD-LTE(time-division long-term evolution)的集群通信系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展[3]。它集合了TD-LTE與集群通信的優(yōu)勢能夠提供速率更高，時延更小的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；同時，它具有廣泛全面的產(chǎn)業(yè)鏈，結(jié)合集群通信易于提升性能和價格低的特點(diǎn)，能夠促進(jìn)這種網(wǎng)絡(luò)在各行業(yè)中的推廣；此外TD-LTE從多方面考慮保障數(shù)據(jù)傳輸安全性的手段，能夠保障網(wǎng)絡(luò)通信的隱私性和數(shù)據(jù)的安全性。

現(xiàn)在的TD-LTE系統(tǒng)采用一種典型的ZC(zadoff-chu)序列[4]來用作隨機(jī)接入前導(dǎo)，通過給eNode B分配一個專屬的根值u，并通過u值生成的一個基本序列來表示[5]。在小區(qū)內(nèi)，UE(user equipment)通過獲取eNode B廣播的u值生成基本序列，繼而通過隨機(jī)循環(huán)移位過程獲得64個上行Preamble序列的其中之一。根據(jù)u值生成基本ZC序列的計算方法為

(1)

(1)式中，Nzc為Preamble序列包含碼字的數(shù)目。根據(jù)上行前導(dǎo)符號在格式上的區(qū)別，其取值分別為839或139，其中839為普通時隙的接入，139為TD-LTE制式下特殊時隙的接入。在這個基本序列的基礎(chǔ)上，經(jīng)過循環(huán)移位Cv，最終生成的序列為

(2)

每當(dāng)用戶發(fā)起隨機(jī)接入，通過不同移位Cv的選取，從而確定Preamble序列。ZC序列最重要的特性在于其自相關(guān)性：當(dāng)循環(huán)移位后的ZC序列與原序列循環(huán)相關(guān)運(yùn)算時，將在移位處對應(yīng)的位置得到一個幅值為Nzc的沖擊，而其他位置的幅值則均為0，這樣就能通過搜尋沖擊位置，完成偏移時間的估計。

1TD-LTE系統(tǒng)隨機(jī)接入Preamble序列配置(共用式)

在不區(qū)分用戶類型以及共用時配置的情況下，所有競爭接入UE時，通過隨機(jī)選擇上行Preamble序列的方式完成接入，選擇方法如圖1

圖1　共用式競爭Preamble序列配置Fig.1　Participating competing preamble sequence configuration

當(dāng)用戶得到由系統(tǒng)設(shè)定的A，B集合門限后，從合乎條件的集合中隨機(jī)選取一個Preamble序列。下面從數(shù)學(xué)角度對共用式配置中競爭Preamble序列的選擇性能進(jìn)行分析。表1給出了本文公式中所用到的符號參量。

表1　公式中的符號參量

其中，假設(shè)同時到達(dá)PRACH信道資源的用戶數(shù)服從參數(shù)為λ的泊松分布。

UE發(fā)送Preamble序列無碰撞的條件概率為

(3)

那么，用戶發(fā)送Preamble序列無碰撞概率為

(4)

通過(3)式、(4)式，在考慮A，B集合的情況下，集群與公網(wǎng)的A，B集合接入用戶的Preamble序列發(fā)送無碰撞概率可得

(5)

A，B集合各自的利用度期望uti_A，uti_B可表示為

(6)

由(5)-(6)式可看出，在共用模式下Preamble序列到達(dá)率λ (λt,λp,λA,λB) 以及可用的競爭Preamble序列數(shù)R(RA,RB) 是影響競爭Preamble序列發(fā)送的主要因素。另一方面在共用模式下，A，B集合之間的門限值較為固定，即RA和RB的實(shí)際值通常為常量，因此難以有針對性地根據(jù)Preamble序列到達(dá)率的變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

2TD-LTE公網(wǎng)集群系統(tǒng)隨機(jī)接入Preamble序列配置(分類式)

為了將公網(wǎng)用戶與集群用戶間的接入合理地區(qū)別開，避免在特殊情況下發(fā)生混合碰撞；此外，也為了上行前導(dǎo)序列資源的充分利用，實(shí)現(xiàn)集合A，B之間劃分門限地動態(tài)配置，進(jìn)而減少特殊情況下的集中碰撞的發(fā)生概率，可以采用分類式競爭Preamble序列的配置方案，此時的序列選擇方法如圖2所示。

圖2　分類式競爭Preamble序列配置Fig.2　Classified competing preamble sequence configuration

圖2中，將競爭Preamble序列劃分為4個集合，分別是：集群A，B集合以及公網(wǎng)A，B集合，用戶可以根據(jù)自身所屬網(wǎng)絡(luò)類型的不同，在發(fā)起接入時選擇不同集合的Preamble序列。如此，通過在競爭Preamble序列選擇上區(qū)分公網(wǎng)用戶與集群用戶上，避免不同網(wǎng)絡(luò)之間的混合接入碰撞，動態(tài)門限的調(diào)整也使Preamble序列的利用更加充分。

根據(jù)以上分析，在綜合考慮集合A，B劃分和集群與公網(wǎng)用戶區(qū)分的情況下，各類競爭Preamble序列集合的發(fā)送性能可總結(jié)為

(7)

(7)式中：suc和uti分別表示競爭Preamble序列中的無碰撞概率和利用度期望；為了達(dá)到門限值動態(tài)確定的目的，XA，XB，YA，YB間應(yīng)同時滿足(8)式。

(8)

在分類式動態(tài)配置之后，UE對競爭Preamble序列的選擇在整個集合上被分成了4個均勻的互相不干擾的子集合。這樣的配置能夠有效提高Preamble序列的利用率，減少和避免混合接入碰撞和集中性碰撞。

3到達(dá)率動態(tài)預(yù)測

門限值的動態(tài)設(shè)定是以不同類型Preamble序列的到達(dá)率λ的不同作為依據(jù)而動態(tài)調(diào)整的。在已知λ的情況下，小區(qū)可進(jìn)行最優(yōu)化門限值的設(shè)定。然而，各類λ會隨著用戶的行為而不斷改變，我們需要根據(jù)λ的變化而周期的改變對門限進(jìn)行設(shè)定。

基本包絡(luò)模型[6]：人類的某些活動是呈一定的周期性規(guī)律的，雖然對單個對象而言可能不易看出某個特定的周期值，但從整體宏觀來看可能存在一個近似的周期框架，足以反映人類的潛在活動規(guī)律。通過計算周期框架內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計平均值，可以預(yù)測到某時刻未知的行為數(shù)據(jù)。

利用人類活動存在潛在性的周期這一特征，可以建立起隨機(jī)接入Preamble序列到達(dá)率的周期框架：將一個周期的總時長設(shè)定為一天，周期內(nèi)的時間采樣點(diǎn)設(shè)定為不大于10s的時間間隔，那么在一個周期內(nèi)總共存在8 640個統(tǒng)計采樣點(diǎn)。統(tǒng)計每個采樣點(diǎn)中各類型隨機(jī)接入Preamble序列各自的到達(dá)率，同時根據(jù)各周期持續(xù)統(tǒng)計結(jié)果，求得各采樣點(diǎn)的數(shù)學(xué)期望。

基于趨勢調(diào)整的指數(shù)平滑模型[7]的數(shù)據(jù)分析：在指數(shù)平滑模型中，需要對按時間序列的觀測結(jié)果賦予各不相等的權(quán)重值，各結(jié)果的權(quán)重值一般遵循“重近遠(yuǎn)輕”的原則，即近期的數(shù)據(jù)的影響力更高，但遠(yuǎn)期數(shù)據(jù)的作用也不能忽視，如此可以提高預(yù)測結(jié)果的精度。其基本計算方法如(9)式。

Est(t)=β·Act(t)+(1-β)·Est(t-1)

(9)將t時刻設(shè)為當(dāng)前時刻。(9)式中，Est(t)為當(dāng)前時刻對下一時刻的預(yù)測值，Act(t)表示當(dāng)前時刻的實(shí)際檢測統(tǒng)計值，而Est(t-1)則表示上一時刻對當(dāng)前時刻t的預(yù)測結(jié)果，β表示平滑系數(shù)，其取值為(0,1)的常數(shù)。

通過上述對2個模型的分析與介紹，采用基本包絡(luò)模型預(yù)測用戶隨機(jī)接入行為存在的周期性；利用基于趨勢可調(diào)整的指數(shù)平滑模型，根據(jù)時間序列未來的延伸趨勢，預(yù)測出用戶接入的短時刻發(fā)展方向；最后，根據(jù)預(yù)測的用戶接入潛在的周期特征，以及用戶接入的短時刻發(fā)展方向，得到隨機(jī)接入Preamble序列的到達(dá)率的預(yù)測公式為

(10)

(10)式中：Estbase和Estins分別為前文所描述的2種模型計算所得的預(yù)測結(jié)果；ω為對應(yīng)的權(quán)重值，其取值為(0,1)的常數(shù)，計算方法與β相同。這樣，就能夠通過Estfin值，預(yù)測下一時段中各類型Preamble序列的到達(dá)率。

4仿真與性能分析

為驗(yàn)證所提出機(jī)制的有效性，本文通過仿真對該機(jī)制的性能進(jìn)行驗(yàn)證，并與規(guī)定傳統(tǒng)配置方案的性能進(jìn)行對比[8]。其中，規(guī)定傳統(tǒng)配置方案為方案1，改進(jìn)配置方案為方案2。仿真相關(guān)參數(shù)如表2所示[9-10]。

表2　仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真參數(shù)方面，Preamble序列采用了長度為837碼字的ZC序列，64個Preamble序列中取前40個用于競爭Preamble序列，且將A，B集合大小分別初始化為30和10，將A，B集合的初始化比例設(shè)置為(3∶1)的原理來自于集合各自的選擇條件：A集合∈{[路損]；[Msg3,>路損]}；B集合∈{[>Msg3,<路損]}[11]。

從接入強(qiáng)度方面考慮，仿真采用用戶接入強(qiáng)度期望ε代替各類型Preamble序列的到達(dá)率，也就是說在單位時間內(nèi)小區(qū)中潛在的發(fā)起接入的用戶數(shù)量是總?cè)藬?shù)num與ε之積。為了能夠模擬接入發(fā)起的隨機(jī)性和不同用戶間的獨(dú)立性，在仿真初始時為所有用戶分別隨機(jī)分配一個(0，1)的rand值，當(dāng)rand<ε時，對應(yīng)用戶開始接入；當(dāng)rand<ε/2且rand末尾數(shù)字為偶數(shù)時，選擇集合B，反之則將集合A作為選擇。

圖3為在2種不同方案下，競爭Preamble序列運(yùn)行性能的比較。其中，圖3a對比了各方案發(fā)送的成功率，而圖3b對比了各自的網(wǎng)絡(luò)利用率。圖3中方案1的集合A和集合B的大小比例為固定的(30∶10)，且不分是公網(wǎng)用戶還是集群用戶；方案2在3種預(yù)測的周期中將公網(wǎng)用戶和集群用戶動態(tài)區(qū)分，并能夠?qū)崿F(xiàn)A，B集合大小的動態(tài)配置；此外，為了方便區(qū)別和對比，在原基礎(chǔ)上引入方案1s，它在原方案1中添加了調(diào)整機(jī)制，通過比較A，B集合在固定的較長時間段里各自的歷史接入量，分別調(diào)整對應(yīng)集合的大小，其調(diào)整步長固定且在調(diào)整過程中不區(qū)分公網(wǎng)與集群用戶。

圖3中，網(wǎng)絡(luò)處于低用戶接入強(qiáng)度時(接入量為每無線幀15次及以內(nèi)，接入強(qiáng)度為0.006—0.008)，各方案具有大致相同的曲線走勢，其原因在于當(dāng)接入強(qiáng)度較低時，方案2的可用接入資源比較充分，不必更多的開銷用于資源配置，因此可以采用共用式的方式進(jìn)行配置；但當(dāng)接入的強(qiáng)度高于門限值(接入量為不少于每幀20次，接入強(qiáng)度為0.008時)，方案2的配置方式將切換為分類式的完成配置，此時它根據(jù)用戶所屬的不同類型的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測相應(yīng)的接入量，并將競爭Preamble集合分類；同時，需要預(yù)測各自A，B集合的接入量，從而完成A，B集合大小的動態(tài)配置。圖中當(dāng)接入強(qiáng)度高于轉(zhuǎn)換門限后，在分類式配置的作用下，方案2實(shí)現(xiàn)了接入量分布的改善，競爭Preamble序列的發(fā)送成功率和利用率隨預(yù)測周期精度的提高而提升，且始終高于方案1。此外，方案1 s的發(fā)送成功率也優(yōu)于方案1，而在接入量超過0.008后其發(fā)送成功率低于方案2，其原因在于方案1 s通過統(tǒng)計歷史接入量，實(shí)現(xiàn)了對A，B集合固定步長的調(diào)整，從一定程度上改善了接入量的分布狀況，但其調(diào)整方式較為單一，無法完全滿足用戶接入的隨機(jī)變化，不過方案1 s的控制開銷不高，執(zhí)行簡單，適合于在低負(fù)載環(huán)境應(yīng)用。

圖3　競爭Preamble序列的運(yùn)行性能Fig.3　Sending performance comparison ofcompeting preamble sequence

圖4為方案1與方案2(period_3)中A，B集合Preamble序列發(fā)送成功率對比。可以看到，方案2使B集合曲線逐漸與A集合靠近，最終達(dá)到相對穩(wěn)定的走勢。

圖5顯示出網(wǎng)間接入?yún)^(qū)分與否的性能差別，方案temp作為對比，從而得出在區(qū)分和不區(qū)分集群和公網(wǎng)接入的情況下，網(wǎng)絡(luò)的性能差別。在方案temp中不區(qū)分公網(wǎng)和集群接入用戶，而僅完成A，B集合的動態(tài)配置。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，在門限值轉(zhuǎn)換之后，方案temp的運(yùn)行結(jié)果處于方案1與方案2(period_3)之間。換言之，在方案temp中，經(jīng)過A，B集合的動態(tài)配置，可以改善網(wǎng)絡(luò)接入量的分布，進(jìn)而在方案1的基礎(chǔ)上提升網(wǎng)絡(luò)的性能，而方案2不僅與方案temp具有相同的算法，還能夠完成集群與共網(wǎng)之間的接入量的動態(tài)配置，它的接入量更加合理，同時也減少甚至避免了混合沖突在不同網(wǎng)絡(luò)間的發(fā)生。

圖4　A，B集合競爭Preamble序列Fig.4　A,B set competing preamble sequence

圖5　網(wǎng)間接入?yún)^(qū)分與否的性能對比Fig.5　Performance comparison of the division andun-divided network access

5結(jié)束語

本文優(yōu)化配置方案在克服傳統(tǒng)配置方案缺點(diǎn)的前提下，相比傳統(tǒng)方案提升了Preamble序列的利用率，提高了其發(fā)送成功率；針對集中性的碰撞有著明顯的緩和作用，能夠減少和避免不同網(wǎng)絡(luò)用戶間的混合碰撞，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源共享而業(yè)務(wù)上互不干擾的目標(biāo)，使得TD-LTE公網(wǎng)集群通信網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入能力明顯提升，對于系統(tǒng)接入性能的提高有一定意義。

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Adapted competing Preamble sequence configuration scheme of the trunking communication system in TD-LTE public network

SUI Yu1, CHEN Huihuang2, CHENG Xiaorong2

(1.Development Institute CO.,LTE. of Guangdong Power Grid，Guangzhou 510080, P.R.China;、2.Guangdong Electric Power Design Institute CO.,LTE. of China Engineering Group，Guangzhou 510663, P.R.China)

Abstract:The trunked communication system has been widely used in emergency communications, with the advantage of constitude samply. But the utilization rate and transmission success rate of the random sequence used by existing TD-LTE based trunked communication system is not high. In this paper, we improve the random access Preamble sequence configuration scheme of the existing trunking communication system in TD-LTE public network, based on the study of the random access Preamble sequence configuration algorithm of the existing TD-LTE system, and according to the requirement that the trunking communication system in public network can share resources without any interference, we propose that the sharing mode should be used when the access load is low, and subscribers will choose a apropriate Preamble Sequence to access the chanel according to the system; on the other hand, when the access load is high, subscribers will be divided into four categories, and choose different Preamble Sequence according to their category and access into chanels. The result of simulation shows that, the improved scheme can increase the transmission success rate and utilization rate of Preamble sequence, avoid hybrid collisions between trunking system users and public network users, and increase the network operating efficiency.

Keywords：TD-LTE; trunking communication system; random access; preamble sequence

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.012

收稿日期：2015-07-08

修訂日期：2016-04-10通訊作者：隋宇yu_sui_astoria@163.com

中圖分類號：TN914；TP393.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-825X(2016)03-0354-06

作者簡介：

隋宇(1983-)，男，吉林通化人，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信規(guī)劃與設(shè)計。E-mail: yu_sui_astoria@163.com。

陳輝煌(1980-)，男，廣東梅州人，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信規(guī)劃與設(shè)計。

程小蓉(1981-)，女，河北滄州人，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信規(guī)劃與設(shè)計。

(編輯：張誠)