（通信与信息系统专业论文）lte随机接入中的前导码管理与退避算法.pdf

中文摘要 摘要：为了满足人们对新型业务的需求和对移动终端高速率的要求，第三代合作 伙伴计划( 3 g p p ) 在2 0 0 4 年底启动了其长期演进( l t e ) 技术的标准化工作。计 划引入全新的空中接口和先进的无线技术，从而达到更大的传输速率，更小的接 入时延和更大的系统容量。 随机接入技术作为通信系统中媒体接入控制( m a c ) 的一项关键技术，其性 能的优劣直接关系到整个系统性能的好坏。为了满足l t e 系统在系统容量和时延 方面上的特殊要求，随机接入的研究成为了l t e 系统研究的重点之一。如何解决 用户接入碰撞和降低用户接入时延是l t e 随机接入研究中的主要关注点。 本论文分析了几种常见的随机接入技术，明确了l t e 系统中随机接入过程的 作用、分类和流程，重点研究了l t e 随机接入过程中前导码的管理和退避算法两 方面的内容。在随机接入前导码管理的研究中，论文就涉及到前导码管理方案的 不同提案进行了讨论，并在此基础上提出了一种基于资源共享的前导码管理方案。 此方案结合了动态管理方案和静态管理方案两方面的优点，其适用范围更广，从 而减少了为了管理前导码分配而引入系统信息所带来的开销，并通过数学推导和 仿真两方面验证了此方案在用户接入成功率上的性能。在l t e 随机接入退避算法 的研究中，论文分析了几种常见的退避算法，通过仿真对其在时延和吞吐率方面 的性能作了比较，在讨论退避算法在l t e 中应用形式的基础上，选择了一种适合 应用于l t e 系统中的退避算法( 伪贝叶斯算法) ，将此算法应用到了基于资源共享 的前导码管理方案中，并通过仿真分析了其在时延和吞吐率方面的性能。 关键词：l t e ；随机接入；前导码管理；退避算法 分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i no r d e rt om e e tt h en e e d so fn e ws e r v i c ea n dt h er e q u i r e m e n t so fh i g h t r a n s m i s s i o nr a t eo fm o b i l et e r m i n a l ，t h et h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) i n i t i a l i z et e c h n o l o g ys t a n d a r d i z a t i o nw o r kn a m e dl o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) b yt h e e n do f2 0 0 4 i ti sp l a n st oi n t r o d u c ean e wa i ri n t e r f a c ea n da d v a n c e dw i r e l e s s t e c h n o l o g yt oa c h i e v eag r e a t e rt r a n s m i s s i o nr a t e ，as m a l l e ra c c e s sd e l a ya n dag r e a t e r s y s t e mc a p a c i t y r a n d o ma c c e s si sak e yt e c h n o l o g yi nm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) o f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i t sp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eg o o do rb a do ft h e s y s t e mp e r f o r m a n c e i no r d e rt om e e to ft h es p e c i a ld e m a n do ft h el t es y s t e mc a p a c i t y a n dd e l a y , r a n d o ma c c e s sh a sb e c o m eo n ei m p o r t a n ts t u d yo ft h el t es y s t e m t h e r e s e a r c ho fr a n d o ma c c e s sp r o c e d u r ei nl t ef o c u s e do nh o wt or e s o l v et h ec o l l i s i o n a n dr e d u c et h ea c c e s sd e l a y t h i sp a p e ra n a l y z e ds e v e r a lc o m m o nr a n d o ma c c e s st e c h n o l o g i e s ，d e s c r i b e di n d e t a i lt h ef u n c t i o n s ，c l a s s i f i c a t i o na n dp r o c e s so fr a n d o ma c c e s si nl t e ，f o c u s e do n t h er e s e a r c ho fp r e a m b l em a n a g e m e n ta n db a c k o f f a l g o r i t h m si nl t er a n d o ma c c e s s p r o c e d u r e i nt h er e s e a r c ho fp r e a m b l em a n a g e m e n t ，t h ed i f f e r e n tp r o p o s a l sa b o u t p r e a m b l em a n a g e m e n ts c h e m e sa r ed i s c u s s e d ，a n dab a s e dr e s o u r c es h a r i n gp r e a m b l e m a n a g e m e n ts c h e m ei sp r o p o s e d t h i ss c h e m ec o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fb o t h d y n a m i cm a n a g e m e n ta n ds t a t i cm a n a g e m e n t ，w h i c hr e d u c e st h ec o s to fs y s t e m i n f o r m a t i o na b o u tt h ep r e a m b l ea l l o c a t i o n , d u et ob r o a d e rs c o p eo fi t sa p p l i c a t i o n a n d t h ep e r f o r m a n c eo na c c e s ss u c c e s sr a t i oo ft h i ss c h e m ei sv e r i f i e dt h r o u g hm a t h e m a t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n i nt h er e s e a r c ho fb a c k o f fa l g o r i t h m s ，a n a l y z e ds e v e r a l c o m m o nb a c k o f fa l g o r i t h m s ，c o m p a r e dt h e i rp e r f o r m a n c eo nd e l a ya n dt h r o u g h p u tr a t e t h r o u g hs i m u l a t i o n ，b a s e do nt h ed i s c u s s i o no nt h ea p p l i c a t i o nf o r mo ft h eb a c k o f f a l g o r i t h mi nt h el t e ，f o u n dt h er i v e s t sp s e u d o b a y e s i a na l g o r i t h mi ss u i t a b l ef o r a p p l i c a t i o ni nl t es y s t e m r i v e s t sp s e u d o b a y e s i a na l g o r i t h mi sa p p l i e dt ot h eb a s e d r e s o u r c es h a r i n gp r e a m b l em a n a g e m e n ts c h e m ea n di t sp e r f o r m a n c eo nd e l a ya n d t h r o u g h p u tr a t ei sa n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：l t e ；r a n d o ma c c e s s ；p r e a m b l em a n a g e m e n t ；b a c k o f fa l g o r i t h m s c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 图目录 图1 13 g p p 组织协议演进方向1 图2 1 纯a l o h a 协议的原理示意图。6 图2 2 时隙a l o h a 协议的原理示意图7 图2 3 通过接收c t s 避免碰撞的示意图8 图2 4 树型算法的原理示意图9 图3 1 竞争随机接入过程的步骤1 5 图3 2 非竞争随机接入过程的步骤1 6 图4 1l t e 的时隙结构和资源元素1 9 图4 2f d d 模式下的帧结构2 0 图4 3t d d 模式下的帧结构2 0 图4 4f d d 帧结构下随机接入信道的时分和频分复用2 1 图4 5 调度信道和随机接入前导码的码分复用2 1 图4 6t d d 帧结构下随机接入信道的时分和频分复用2 2 图4 7z c 序列的自相关和互相关。2 3 图4 8 随机接入前导码的结构2 4 图4 9 前导码时域产生方法2 5 图4 1 0 前导码频域产生方法一2 5 图4 1 1 专用前导码和非专用前导码使用同一个随机接入的时频块2 6 图4 1 2 专用前导码和非专用前导码使用不同的随机接入的时频块2 7 图4 1 3 软专用前导码分组方式。2 8 图4 1 4 竞争随机接入过程的流程图3 4 图4 1 5 非竞争随机接入过程的流程图3 5 图4 1 6 专用用户在三种方案下接入成功率的理论值3 7 图4 。1 7 竞争用户在三种方案下接入成功率的理论值3 7 图4 1 8 专用用户在三种方案下接入成功率的仿真结果3 8 图4 1 9 竞争用户在三种方案下接入成功率的仿真结果3 8 图5 1 各种退避算法的时延4 5 图5 2 各种退避算法的吞吐率4 6 图5 3r p b 算法与最优接入算法的时延4 6 图5 4r p b 算法与不使用退避算法的时延4 8 图5 5r p b 算法与不使用退避算法的吞吐率4 8 图5 6r p b 算法应用在不同的前导码管理方案中的时延5 0 图5 7r p b 算法应用在不同的前导码管理方案中的吞吐率5 0 图5 8 应用在基于资源共享的前导码管理方案中不同退避算法的时延5 1 表目录 表3 1m a c 层的功能与链路方向的关系一1 3 表4 1 随机接入前导码参数2 4 表4 2 传统方案中前导码的选择机制2 9 表4 3 基于资源共享的前导码管理方案中前导码的选择机制2 9 表4 4 公式中的符号表示3 0 表4 5 随机接入过程仿真参数表3 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 互伟 i签字日期：勿巧年月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王名 签字日期：砌可年厂月，日 鱼 j 町 ： 毋畛 年 、叮y q e 轹 一 签 期 师 日 导 字签 致谢 本论文的工作是在我的导师谈振辉教授的悉心指导下完成的，谈振辉教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 谈振辉老师对我的关心和指导。 谈振辉教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向谈振辉老师表示衷心的谢意。 谈振辉教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实习期间，关皓师姐、黄敏、腾勇等同事对我论文中的理论研究工作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 在实验室工作及撰写论文期间，张金宝师兄、李佳俊、吴怡梦、乔夏君等同 学对我论文中的理论研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务需求，第三代合作伙 伴计划( 3 g p p ) 在2 0 0 4 年底启动了其长期演进( l t e ) 技术的标准化工作。希望 达到以下几个主要目标： 保持3 g p p 在移动通信领域的技术及标准优势； 填补第三代移动通信系统和第四代移动通信系统之间存在的巨大技术差 距： 希望使用已分配给第三代移动通信系统的频谱，保持无线资源的优势； 解决第三代移动通信系统存在的专利过分集中的问题。 第三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 是领先的3 g 技术规范机构，它是由欧洲的e t s i 、 日本的a r i b 、t t c 、韩国的t t a ，以及美国的t i 在1 9 9 8 年年底发起成立的，旨 在研究制定并推广基于演变的g s m 核心网络的3 g 标准，即w c d m a 、 t d s c d m a 、e d g e 等。2 0 0 4 年1 1 月，根据众多移动通信运营商、设备商和研究 机构的要求，3 g p p 通过了关于“e v o l v e du t r a n ( u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k ) a n du t r a w ，又称为3 g p pl t e 的立项工作。项目以制定3 g 演进型系统 技术规范作为目标，在时间上按照3 g p p 的工作流程分为两个阶段：从2 0 0 4 年1 2 月到2 0 0 6 年6 月为技术可行性研究阶段( s t u d y r e m s ) 。从2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年 6 月为具体技术规范的撰写阶段( w o r ki t e m s ) 。按照计划，2 0 0 7 年6 月3 g p p 将 完成项目，发布3 g 演进型系统的第一个版本的技术规范。但是由于一些问题仍没 有解决，研究阶段推迟到2 0 0 6 年9 月才结束。3 g p p 最近已经将其工作范围扩大 为3 g 系统的增强和演进，从而从规则上具备了制定i m t - a d v a n c e d 标准的职权。 图1 1 显示了3 g p p 组织协议演进的方向。 r e l 9 9r e l 4r e l 5 r e l 6 r e l 7r e l 8 图1 13 g p p 组织协议演进方向 f i g u r e1 1t h ee v o l u t i o no f3 g p pp r o t o c o l s 2 0 0 5 年3 月3 g p p 制定了相应的工作计划及工作小组，各个小组开始了各个 方面的具体研究工作，其中包括r a n l ( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 工作组对于l t e 系统物理层的研究；r a n 2 、r a n 3 和s a 2 ( s e r v i c ea n ds y s t e m sa s p e c t s ) 工作组 对于网络架构和接入网协议功能的研究；r a n 4 工作组对于无线射频以及接入网性 能评估的研究。 1 1l t e 系统的需求与关键技术 在2 0 0 5 年的春天，3 g p p 为l t e 设定了需求和目标【。这些需求分成以下几 个不同的领域： 容量： 系统性能； 与部署有关的需求； 结构和迁移； 无线资源管理； 复杂性和其他方面。 系统的最大带宽为2 0 m h z ，在这样的带宽下，下行峰值速率为1 0 0 m b s 、上 行峰值速率为5 0 m b s 。延时需求被分为两个部分，控制平面需求和用户平面需求。 控制平面的延时是指终端从非激活状态到激活状态转变所需要的时间。用户平面 的延时是指长度比较小的口包从终端发送到无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ， r a n ) 的边缘节点所需要的时间。 与部署有关的需求包括部署场景，频谱捷变，频谱配置以及和其他3 g p p 无线 接入技术如g s m 和w c d m a h s p a 的交互和共存。除此之外，系统支持多种带宽 包括1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 和1 5 m h z ，以及“成对 和 “非成对 的频段部署，以保证将来在系统部署上的灵活性。 l t e 中基于分组的r a n 的结构，要求尽量减少引入的接口数量，支持端到端 的q o s 保证。 无线资源管理被分为两个部分，首先要加强对端对端q o s 的有效支持，其次 要支持更高层的传输以及跨越不同无线接入技术的负载共享和策略管理。 为了满足l t e 系统在性能上的需求和预先设定的目标，引入了很多先进的技 术。这其中包括在下行链路采用能够有效对抗多径衰落、提高频谱效率的o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x ) 技术；采用自适应链路技术使编码调制 参数能够适应无线信道的变化；通过在发射端和接收端配置多个天线，从而提高 系统的容量、改善系统性能；而上行链路则采用峰均比( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ， p a p r ) 较低的分布式或集中式单载波频分复用提供多址接入；在帧结构和频谱规 划上，尽可能与现有3 g 标准相兼容。 在3 g p pl t e 中，最终将要实现所有业务通过分组域传输，如何保证各种分组 2 业务、特别是实时性要求较高的分组业务的服务质量，将成为一个关键的问题。 l t e 将提供分离的用户平面和控制平面，将取消3 g 标准中原有的专用传输信道， 所以业务将通过一个共享传输信道来承载，因此资源调度将发挥至关重要的作用。 1 2 l t e 中的随机接入技术 随机接入技术是通信系统中媒体接入控制( m a c ) 的一项重要技术。这项技 术适用于系统负载较轻时的多址接入。它实现方式简单，但无法解决用户之间的 冲突碰撞问题。当系统负荷增加时，接入系统的用户终端数目较多，系统的容量 会因用户之间的频繁碰撞而严重受损。目前，比较典型的随机接入模式有：a l o h a 时隙a l o h a 、c s m a c d c a ，以及基于资源预留的接入机制。 在l t e 系统中，随机接入主要用于用户的初始注册以及用户资源带宽的申请。 根据接入应用的不同，随机接入过程分为竞争和非竞争两种，在竞争随机接入的 过程中，系统主要完成两个任务，建立用户与基站的上行同步；完成用户信息的 注册以及突发业务的资源调度申请。而在非竞争随机接入过程中只完成建立上行 同步的任务。 上行链路的定时同步主要是通过基站估计用户的定时信息并将其反馈给用户 作为定时提前量的调整，也有可能通过基站在接收端将用户的定时偏差控制在循 环保护间隔以内。 用户信息的注册主要是指用户身份( d ) 的获取。此外，资源调度的申请也 可以在竞争随机接入过程中完成。 l t e 中随机接入的要求主要是在时延这一技术指标上，从空闲状态到激活状 态的时延要求小于1 0 0 m s 。这段时延包括以下几个部分： 随机接入时延； 空中接口时延： u t r a n 处理时延 u e ( u s e re q u i p m e n t ) 处理时延； 资源分配时延。 其中随机接入时延是最重要的时延，在所有时延中所占的比重最大。 1 3 论文的主要工作及安排 论文是在l t e 系统的框架下，研究其中一项非常关键的技术随机接入过 程。随机接入过程是用户接入网络的步骤，它是制约系统时延的关键因素。做好 对随机接入过程的优化，对整个系统的性能将会有显著的提高。它是l t e 系统中 技术研究热点之一，3 g p p 组织中关于随机接入过程的提案非常多。到目前为止， 随机接入的框架性设计虽然已经基本确立，但是许多具体细节还有待继续完善。 通过对已经确立的随机接入的框架进行分析，可以从以下几个方向对其加以 改进，从而进一步提高它的性能： 1 接入资源的优化。 接入资源包括时间资源、频率资源和码字资源三个主要的方面。在w c d m a 中，随机接入资源只包括时间资源和码字资源，且配置固定，适应性差。相比于 w c d m a 来说，l t e 不仅增加了频率接入资源。更重要的是，其资源配置灵活， 可以应用在不同的网络状况和场景中，资源配置的灵活性也是本论文的重点研究 方向之一。 2 随机接入过程的优化和接入时延的减少。 为了满足切换用户和链路失败用户接入时延小的要求，l t e 中将它们的随机 接入过程单独归为一类，减少了随机接入的步骤，降低了接入时延。在竞争型的 初始接入中，引入了退避算法来提高系统吞吐量，降低接入时延。本论文的另一 个研究方向的重点放在退避算法在l t e 系统的应用中。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 按照l t e 系统的要求搭建一个随机接入的仿真平台。 2 对现有的l t e 随机接入过程中前导码管理方案进行研究，并在此基础上提 出一种基于资源共享的前导码管理方案。 3 从理论上分析传统的前导码管理方案与基于资源共享的前导码管理方案 的性能，并在随机接入的仿真平台上进行验证。 4 对现有的随机接入过程中的退避算法进行分析比较，并仿真了它们的性 能。 5 讨论了退避算法在l t e 中的应用形式，并将伪贝叶斯算法应用在基于资源 共享的前导码管理方案中。 论文结构安排如下： 第一章引言，介绍了本课题的研究背景及其实际意义，并指出本论文的研究 内容以及论文的贡献。 第二章随机接入技术，介绍了几种比较典型的随机接入技术，并对其性能和 特性做了简单的比较。 第三章l t e 中的随机接入过程，介绍了l t e 媒体接入控制层( m a c ) 的功能 和过程。在此基础上，重点介绍了m a c 层中随机接入过程的分类和具体步骤。明 确了已列入l t e 技术文档中关于随机接入过程的内容。 4 第四章l t e 随机接入过程中的前导码管理，将随机接入前导码的管理作为研 究重点。首先，介绍了l t e 中用于传输随机接入前导码的随机接入信道。并对前 导码包含的内容以及形成的过程做了简单的介绍。其次，讨论了l t e 中对于随机 接入前导码管理的不同方案。在此基础上，提出了一种基于资源共享的前导码管 理方案。此方案折中了不同方案的性能，适用范围更广，从而减少了为了管理前 导码分配而引入系统信息的开销。 第五章l t e 随机接入过程中的退避算法，主要研究l t e 中退避算法的应用。 首先，介绍了最常用的几种退避算法，给出了退避算法在理论上的上限。接着介 绍了一种能够接近这一上限的伪贝叶斯算法。最后，讨论了退避算法在l t e 中的 应用形式，并将伪贝叶斯算法应用在了基于资源共享的前导码管理方案中。 最后对整个论文进行了总结和展望。为今后的工作提供技术参考。 5 2 随机接入技术 多址接入协议可以分为竞争和非竞争协议两大类。非竞争协议通过某种方式 分配专用信道资源( 时间、频率或码字等) ，以避免碰撞。如：t d m a 、f d m a 和 c d m a 。而竞争协议则存在碰撞的可能性。多个用户在接入网络时，需要向网络 发送信息，但不能准确知道其他用户是否也在发送数据，也就是说每个用户均是 自由接入系统的，因此数据的传输具有突发性和随机性。随机接入协议属于信道 共享技术，它规定用户按照一定的规则发送数据信息，使所有用户共享信道资源。 随机接入方式使用户可以自由接入网络，但是该方式不可避免地引入了同时接入 网络的用户之间的信息碰撞，而碰撞又会导致信息的丢失和重发，因此碰撞是导 致性能下降的主要原因，而吞吐率、时延、和接入成功率是考察随机接入协议性 能的主要指标。常用的随机接入协议包括a l o h a 、c s m a 、树型多址协议和 p r m a ( p a c k e tr e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等，本章分别对上述几种协议进行介绍。 2 1 a l o h a 协议 a l o h a 是最早提出的随机接入协议弘儿川，其工作原理为：每个用户均可以自 由地发送数据帧，如果不同用户之间的数据帧有部分的重复，则碰撞发生，所有 碰撞的数据需要重新发送。重发的策略是让各用户等待一段随机的时间后，再重 新发送数据。a l o h a 的吞吐率和负载的关系为s = n e - 2 ，故当负载n = o 5 时 可达到理论最大吞吐率s = o 1 8 。纯a l o h a 协议的效率比较低，由于可能发生碰 撞的时期为两个包长，碰撞很容易发生。图2 1 为纯a l o h a 协议的原理示意图。 帕囫圈燮- 嗍口墨回竺- 岫口三兰兰羔圈- 田白阪送成功i 用户4巨竺竺竺l - 帧到蓬王 土 王土土 土 - 图2 1 纯a l o h a 协议的原理示意图 f i g u r e2 1s k e t c ho ft h ep r i n c i p l eo fp u r ea l o h a 6 时隙a l o h a 协议的性能要比纯a l o h a 协议有所提耐2 1 1 3 ，其特点是：将信道 在时间上划分为等长的时隙，要求各用户在时间上同步，数据只能在时隙开始处 发送。时隙a l o h a 的吞吐率和负载的关系为s = n e 一，当负载为n = 1 时，时隙 a l o h a 可以达到理论最大吞吐率s = 0 3 6 。图2 2 为时隙a l o h a 协议的工作原 理图。 用户1 用户2 敬 + 碰撞重传 j 卜、 h p 、 y 。 黪，。? ? t 一一 t i 鼍碰撞重，专 陂到达m炙到达 卜 毒。7，捌 t一一 tl | 一 一 帧到达帧到达 图2 2 时隙a l o h a 协议的原理示意图 f i g u r e2 2s k e t c ho f t h ep r i n c i p l eo fs l o t t e da l o h a 2 2c s m a 协议 载波侦听协议( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 是应用于以太网、无线 局域网等网络的多址技术。它的特点是用户在传输之前监听信道，在信道空闲的 时候发起传输。如果传输媒介被监听到忙碌，传输将推迟一段时间进行。 c s m a 协议通过检测信道的情况，据此来调整自己的行为。按照调整方式的 不同协议可以分为以下几类【2 j ： 1 持续c s m a ：当一个用户要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲就 立即发送数据；如果信道忙则等待，同时继续监听直到信道空闲；如果发生碰撞， 则随机等待一段时间后，再重新开始监听信道。长的传播延迟和同时发送帧，会导 致多次碰撞，降低系统性能。 2 非持续c s m a ：当一个用户要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲 就立即发送数据；如果信道忙则放弃监听，随机等待一段时间，再开始监听信道。 非持续c s m a 会减少发送数据导致碰撞的概率，具有更好的信道利用率，但会使 得数据在网络中的平均时延增加。 3 尸持续c s m a ：它应用于时隙信道，按照概率p 发送帧。当一个用户要发 送数据时，首先监听信道；如果信道忙则坚持监听到下一个时隙；如果信道空闲， 7 便以概率p 发送数据，以概率1 一p 推迟到下一个时隙；如果下一个时隙信道仍然 空闲，则仍以概率尸发送数据，以概率l 一尸推迟到下一个时隙；这样一直持续下 去，直到数据被发送出去，或因其他用户发送而检测到信道忙为止，若是后者， 则等待一段随机的时间后重新开始监听。p 持续c s m a 的性能依赖于概率p 的选 取。 4 带碰撞检测的c s m a ( c s m aw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，c s m a c d ) ：这种方 式一旦检测到碰撞，立即终止当前传输中的帧，并等待一段时间后重新尝试。从 而节省时间和带宽。它广泛用于l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 中m a c 子层，是当 前以太网l a n 的基础。 8 0 2 1 1 采用了c s m a c d 协议作为多址接入技术。具体方法如下【6 】： 1 在传输之前，用户先监听网络媒介。 2 一个用户如果想要传输数据，首先发送一个包含了数据长度信息瓦缸的 r e q u e s t t o - s e n d ( r t s ) 包。 3 接收端反馈回一个c l e a r - t o s e n d ( c t s ) 控制包，该包包含了相同的信息 咒缸。如果发送端没有收到c t s 包，则用户不进行传输。 4 当用户监听到r t s 时，则在+ 乏巧的时间内不做任何操作。 5 当用户监听到c t s 时，则在咒衄的时间不做任何操作。 由于r t s 和c t s 的包都非常短。因此它们发生碰撞的概率很低。而且，这种 方法减少了用户在隐藏情景下发生碰撞的概率，如图2 3 所示。 图2 3 通过接收c t s 避免碰撞的示意图 f i g u r e2 3s k e t c ho fa v o i d i n gc o l l i s i o nt h r o u g hr e c e i v i n gc t s 2 3树型多址协议 为了解决a l o h a 类协议的不稳定性问题，提出了树型多址协议。它在不同 网络环境中有不同的实现方式，其基本思想如下【2 】： 设网络中有, 个用户，所有用户按l 刀编号。而且所有用户都能独立地监听 信道和检测碰撞。如果某时刻发生了碰撞，则未参与碰撞的用户将不再向信道中 发送数据，直到碰撞解决。发生了碰撞的用户中，编号在l 刀2 范围内的用户被 推入堆栈中，编号在刀2 以范围内的用户在下一时隙发送数据。下一时隙会有三 种情况出现： 1 如果仍然有碰撞，则编号在2 3 n 4 范围内的用户被推入堆栈中，编号 在3 拧4 靠范围内的用户在下一时隙发送数据。 2 如果没有碰撞且有数据正常发送，则在数据发送完毕后，将堆栈顶部的用 户弹出，在下一时隙发送数据。 3 如果没有碰撞也没有数据在信道中传输，则将堆栈顶部的用户弹出，在下 一时隙发送数据。 重复上面操作，直到堆栈清空，才算碰撞完全解决。图2 4 显示了树型算法的 原理。树型算法的一种常见的实现方式是：在发生碰撞以后每个用户生成一个0 1 浮点随机数，如果值小于o 5 则推入堆栈，大于o 5 的可以参与下一时隙的竞争。 1 次重发 用户1 用户2 用户3 用户4 f7 缓 碰撞i 成功 k ，才，荔 1 次重发 ” 一鼍 7 碰撞；成功 磁 1 次重发2 次重发 碰撞碰撞； 成功 1 次重发2 次重发 碰撞碰撞!成功 一i 细一 图2 4 树型算法的原理示意图 f i g u r e2 4s k e t c ho f t h ep r i n c i p l eo f t r e ea l g o r i t h m 9 树型算法的最大优势在于它的稳定性，无论输入负载如何变化，系统总可以 保持一定的吞吐率。a l o h a 类协议采取了控制发送概率、随机延迟等方法，是将 竞争在时间上向后分散开来，这种策略对短时的碰撞有效，如果负载长时间保持 在一个较高的门限上，将碰撞推迟到后面只会增加后面碰撞的概率，导致碰撞更 加频繁，最终导致系统吞吐率急剧下降。树型算法在于每次发生碰撞之后，禁止 部分发生碰撞的用户继续参与竞争，降低下一时隙竞争用户的个数，从而降低碰 撞发生的概率，保证了协议的稳定性。 2 4 预约时隙协议 预约方案同时具有a l o h a 和t d m a 的优点。它要求连续的信息广播和不同 用户间良好的同步。有两类资源预约方法：直接预约和间接预约。 预约时隙a l o h a 协议采用直接调度的方案。它的原理非常简单，包含了竞 争和预约两个部分。因此，在时间上被分为两个阶段，竞争阶段和预约阶段。在 竞争阶段，终端使用a l o h a 协议进行竞争接入。预约阶段则包含了比较长的时 隙。如果一个用户在竞争阶段成功得到一个短的时隙，那么它可以在对应的预约 时隙进行传输。 分组预约多址接入( p a c k e t r e s e r v a t i o nm u l t i p l e a c c e s s ，p r m a ) 是一种间接的 预约协议。它和a l o a h 类协议相比最大的改进在于考虑了业务流量特性。它将 业务数据包划分为两大类：周期性数据包和随机数据包。在p r m a 中，上行信道 被划分成等长的时隙，连续个时隙组成一个帧，每帧中的时隙分为“保留”和 “可用两类。基站通过下行信道，以每帧时间为周期广播通告所有用户个时 隙的状态为“保留”和“可用 。 对于周期性数据包，用户在可用时隙中采用时隙a l o h a 协议竞争获取时隙。 如果成功发送数据，则在后续时间用户始终占有该时隙，基站将该时隙状态广播 为“保留”，其他用户不会试图在该时隙中发送数据。如果移动站停止在该保留时 隙发送数据，基站认为该时隙已经被释放，将该时隙重新广播为“可用”。对于周 期性数据包，仅需要在发送第一个数据包时参与竞争。 对于随机性数据包，用户直接在可用时隙采用时隙a l o h a 协议发送数据帧。 当一个随机数据包被成功发送，在下一帧，基站仍然保持对应时隙为“可用”状 态。在发生碰撞之后，用户分别按照概率p 和g 重新发送周期性数据包和随机性数 据包。通过设置p q ，可以使周期性数据包比随机性数据包具有更高的发送优先 级。 1 0 2 5本章小结 本章主要介绍了几种常见的随机接入协议，包括a l o h a 、时隙a l o h a 、 c s m a 、树型多址协议和预约时隙a l o h a 协议。时隙a l o h a 协议比纯a l o h a 协议在性能上有很大的提高；另外也介绍了c s m a 接入协议的性能，由于采用了 监听机制，c s m a 在信道利用率上比a l o h a 类协议有很大的提高。树型多址协 议则是解决了a l o h a 类协议不能解决的公平性问题。而预约时隙a l o h a 协议 则更适用于移动接入网中。用户首先通过时隙a l o h a 协议接入到网络中，然后 再由基站以t d m a 或其他的方式分配给用户预留的时隙进行数据传输。 3l t e 中的随机接入过程 l t e 系统的随机接入协议采用基于资源预留的时隙a l o h a 协议，即用户是 先申请后调度接入。l t e 是传统3 g 系统的演进系统，l t e 的随机接入继承了传统 3 g 系统的部分功能，同时也存在一些区别。首先，由于两个系统的上行传输技术 的不同，而导致了其上层技术包括随机接入技术的改变。l t e 的上行采用的是基 于s c f d m a 的传输技术，下行采用的是基于o f d m a 的传输技术：而传统的3 g 系统都是基于c d m a 的传输技术。这将会导致随机接入信道的本质的不同。其次， 随机接入的目的也有所不同。在l t e 中随机接入的目的包括上行定时同步调整和 用户资源需求的申请；而在传统的3 g 系统中随机接入只是用来用户开机后的信息 注册。此外，l t e 对时延的严格要求也区别于传统的3 g 系统，同时也为它的设计 带来了新的挑战。l t e 经过多年时间的标准化讨论，基本已经确定了随机接入设 计的基准。但是，仍有一些具体问题留待继续讨论研究。 随机接入过程是l t e 系统m a c 层中最重要的功能之一。本章将分别介绍l t e m a c 层的相关内容以及随机接入过程的具体流程。 3 1l t em a c 层的描述 m a c 层为l a y e r 2 的一个子层，l a y e r 2 分为3 个子层：媒体接入控制( m a c ) 、 无线链路控制( r a d i ol i n kc o n t r o l ，i u c ) 和分组数据汇聚协议( p a c k e td a t a c o n v e r g e n c ep r o t o c o l ，p d c p ) 。m a c 层提供给上层的服务包括：数据传输与无线资 源分配。下层( 物理层) 给m a c 层提供的服务包括：数据传输服务、h a r qf e e d b a c k 的信令传输、调度请求( s c h e d u l i n gr e q u e s t ) 的信令传输、测量。 3 1 1l t em a c 层的功能 e u t r a 定义了两个m a c 实体，分别在u e 端和e n b ( e u t r a nn o d e b ) 端。这些m a c 实体处理以下传输信道【7 】： 广播信道b r o a d c a s tc h a n n e l ( b c h ) ； 下行共享信道d o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ( d l s c h ) ； 寻呼信道p a g i n gc h a n n e l ( p c h ) ； 上行共享信道u p l i n ks h a r e dc h a n n e l ( u l s c h ) ： 随机接入信道r a n d o ma c c e s sc h a n n e l ( r a c h ) ； 1 2 心层中主要支持以下功能： 逻辑信道和传输信道之间的映射； 数据信息以传输块( t r a n s p o r tb l o c k s ，t b ) 形式通过复用或解复用实现层 与层之间的传输； 调度信息报告； h a r q 纠错； 通过动态调度处理不同l i e 之间的优先级； 同一l i e 中不同逻辑信道之间的优先级处理； 逻辑信道的优先级问题； 传输格式的选择。 在u e 端和e n b 端的m a c 实体执行的功能并不相同，如表3 1 所示。 表3 1m a c 层的功能与链路方向的关系 t a b l e3 1t h er e l a t i o n s h i po f t h ef u n c t i o no fm a ca n dl i n kd i r e c t i o n m a c 层的功能u e e n b下行 上行 xxx 逻辑信道和传输信道之间的映射 xxx xx 复用 xx xx 解复用