TD-LTE虚拟专网基于动态优先级的随机接入方法及系统

摘要

本发明提供了一种TD-LTE虚拟专网基于动态优先级的随机接入方法及系统，该随机接入方法包括前导序列传输步骤、随机接入响应步骤、MSG3发送步骤、冲突解决消息步骤。本发明的有益效果是：本发明利用不同优先级采用不同退避算法和重传次数上限相结合的方法，保证高优先级用户接入平均时延短，同时降低其掉话率；其次，根据系统负载情况动态选择优先级划分模式，提高系统吞吐量并降低掉话率。

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及TD-LTE虚拟专网基于动态优先级的 随机接入方法及系统。

背景技术

TD-LTE虚拟集群专网是针对特定用户的需求，建立在TD-LTE公用网络 上，以指挥调度为主体应用的多用途无线通信系统。与集群通信系统相比， 虚拟集群专网只需在现有公用网络基础上针对用户需求临时搭建具有集群 功能的用户群网络，这种方法建设成本低，方便搭建和拆除，同时公网的 网点数量较多，从而提高了虚拟集群系统的覆盖面积广，还有因为虚拟专 网直接依附于公网，便于统一维护管理。不同用户对虚拟集群专网有不同 要求，比如国家安全部门，为保证国家和人民的生命财产安全，必须建立 时延短、成功率高、安全性高和可靠性高的高性能集群通信系统；相比之 下食品、物流、交通运输和服务等相关部门对集群系统的时延和成功率要 求较低，而对接入用户数量和覆盖范围有更高要求。根据用户优先级高低， 当发生紧急随机接入时，保证高优先级用户能够迅速接入，以便其在指挥 调度中充分发挥作用。现有的随机接入算法中，单个无线接入控制信道采 用单一退避算法，不同优先级接入不同信道，这样信道的利用率不高，而 且系统的总体平均时延高和接入成功率低。

相关工作在国内外有很多，文章[1]研究了的基于小区负载的无线接入 功率控制方法，但没有考虑到优先级划分问题；文章[2]研究了基于优先级 和拥塞率控制的负载均衡，但并没有考虑退避算法的优化和优先级的动态 自适应调整；文章[10]研究在LTE自组网中PRACH(物理随机接入信道) 中干扰和重传对功率控制的影响，但是没用考虑到用户优先级问题；文章 [11]研究在TD-LTE集群中以优先计划分无线接入资源保证高优先级用户 优先接入，但是没有考虑系统的负载情况；

文章[3]研究不同场景下提高随机接入前导码的检测准确性，文章[4] 研究了LTE的PRACH(物理随机接入信道)高效的物理硬件实现方法，文 章[6]研究控制无线接入前导检测降低能耗，文章[16]研究在高传输延迟下 提高随机接入前导码检测准确度，文章[20]研究采用OFDMA(正交频分多 址)卫星通信中PRACH(物理随机接入信道)距离估计方法，文章[26]研 究LTE系统中用户面能耗控制方法。相关文章中，有关LTE无线接入中退 避算法和优先级划分的研究有很多，但是优先级均为系统固定划分且每个 信道采用单一退避算法。

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发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种TD-LTE虚拟专网基 于动态优先级的随机接入方法。

本发明提供了一种TD-LTE虚拟专网基于动态优先级的随机接入方 法，包括如下步骤：

前导序列传输步骤：UE从小区广播消息SIB2中读取用于竞争随机接 入的前导序列数目numberofRA-Preambles，随机从中选择一个随机接入前 导序列，发起随机接入；UE根据小区广播消息中读取物理随机接入信道 配置信息，调整发送功率，在连续3个子帧内随机选择一个物理随机接入 信道发送随机接入前导序列；

随机接入响应步骤：当演进NodeB检测到UE发送的前导序列，在 MAC层生成随机接入响应，UE通过物理下行控制信道的随机接入临时标 识来监听RAR消息；

MSG3发送步骤：UE接收到RAR消息，获得上行的时间同步和上行资 源，MSG3是随机接入过程第3条消息，为了区分不同的UE，在MSG3中会 携带一个UE特定的ID，用于区分不同的UE；

冲突解决消息步骤：如果在最大重传时间内，UE接收到eNodeB返回 的竞争决议消息，如果其中携带的UE的ID与自己在Msg3中上报给eNodeB 的相符，那么UE就认为自己赢得了此次的随机接入冲突，随机接入成功， 并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI置为自己的C-RNTI，否则的话，UE 认为此次接入失败，并进行随机接入的重传过程。

作为本发明的进一步改进，在随机接入方法中，利用控制退避时延窗 长度和退避重传次数上限相结合的方法，在保证高优先级平均时延下，提 高接入成功率，并以系统负载为限制，动态选择随机接入过程中的优先级 模式。

作为本发明的进一步改进，该随机接入方法包括基于优先级划分的多 模退避算法，在基于优先级划分的多模退避算法中，首先，通过不同优先 级用户采用不同退避算法，区分不同优先级用户；其次，多模退避算法采 用不同的退避窗长度和重传次数上限相结合，降低高优先级用户掉话率。

作为本发明的进一步改进，在随机接入方法中，将所有用户整体分为 3种大类型，对应为指挥调度类、普通话务类和数据缓冲类，根据三类用 户的不同平均时延需求，分别对应1优先级、2优先级和3优先级；因为 不同的算法采用了不同的窗长度，当不同优先级用户接入发生碰撞后，会 在不同长度的范围内随机重传。

作为本发明的进一步改进，在所述基于优先级划分的多模退避算法中 包括如下步骤：

计算各优先级用户的传输时延t_r，公式如下：

$t_r=\left(\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{n_c}{\Sigma }}\lambda ·w·m^i,(n_c\le B_{\max })\\ \underset{i=0}{\overset{B_{\max }}{\Sigma }}\lambda ·w·m^i,(n_c>B_{\max })\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，λ表示在退避时间内随机选择接入时间的参数，既λ∈(0,1)的均 匀分布的随机参数；m表示退避时间窗长度增量，1优先级m＝1.5，2优先 级m＝2，3优先级m＝2.5；n_c表示用户碰撞次数，这里为求得各优先级的 时延，以B_1max、B_2max、B_3max分别代替B_max，求得

确定各优先级重传次数上限B_1max、B_2max、B_3max，用β表示接入失败率，

$\beta =\frac{n_f}{n_s}---\left(4\right)$

其中，n_f是接入失败用户数量，n_s是接入成功用户数量，计算方法如下： 按照各优先级用户间平均时延关系可得

$\frac{{m_1}^{B_{1\max }}-1}{m_1-1}<\frac{{m_2}^{B_{2\max }}-1}{m_2-1}<\frac{{m_3}^{B_{3\max }}-1}{m_3-1}---\left(5\right)$

为满足β₁<β₂<β₃，假设

B_1max≥B_2max≥B_3max     (6)

根据3GPPTD-LTE系统规定，前导序列重传次数最大不超过10次，为尽 量提高1优先级群组的接入成功率，取B_1max＝10，联立不等式组(5)(6)， 可得

$\left(\begin{array}{c}7\le B_{2\max }\le 8\\ 4\le B_{3\max }\le 7\end{array}\right)---\left(7\right)$

由上述计算，确定不同退避算法的重传上限之间的限制关系，以此调 整系统设置，保证高优先级用户的随机接入性能。

作为本发明的进一步改进，该随机接入方法包括基于系统负载的动态 优先级划分方法，在基于系统负载的动态优先级划分方法中，根据系统负 载计算优先级组合方式，并求出了该算法的平均时延理论极限，结合实际 应用中的信令复杂度问题，优化系统平均延时和接入成功率。

作为本发明的进一步改进，在所述基于系统负载的动态优先级划分方 法中，包括如下步骤：

系统负载区间划分步骤：计算系统负载和平均时延的算法，以系统当 前的时间为负载的总监测时间，在系统非空闲状态下，可得如下关系：

$\left(\begin{array}{c}\tau =\frac{\mathrm{\Delta T}-t_g}{s}\\ \rho =\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{n_i}{\mathrm{K\Delta T}}\end{array}\right)---\left(8\right)$

式(8)中，τ是针对不同优先级用户的平均时延要求，例如最高优先 级用户的平均时延要求小于100ms，普通用户平均时延要求小于300ms；t_g是数据包产生时间，s是成功传输的数据包数量；如果取观测时间为全部 传输时间，以传输时延τ为限制，能够求得不同延时下系统负载要求，根 据上面给出的计算方法，计算出系统在满足不同平均延时的负载值ρ_x，

如下

$\rho =\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{n_i}{K}}{s·\tau +t_g}---\left(9\right)$

本发明以τ分别取100ms，150ms，200ms，250ms，300ms，对应求得ρ₁，ρ₂， ρ₃，ρ₄，ρ₅分别表示满足不同时延要求时，系统的负载上限，并以此划分 系统负载区间；

基于负载的最优的优先级组合模式步骤：建立数学优化模型，找出在系统 负载等于ρ_x情况下，使得系统平均时延和单位时间内掉话率乘积最小的优 先级组合模式，

$P\left({\rho }_x\right)\arg \min (\frac{t_r}{s}·\frac{\beta }{\mathrm{\Delta T}}),{\rho }_x\in \{{\rho }_1,{\rho }_2,{\rho }_3,{\rho }_4,{\rho }_5\}---\left(10\right)$

$t_r=a_1\underset{i_1=0}{\overset{n_1}{\Sigma }}{t}_{r_1}+a_2\underset{i_2=0}{\overset{n_2}{\Sigma }}{t}_{r_2}+a_3\underset{i_3=0}{\overset{n_3}{\Sigma }}{t}_{r_3}---\left(11\right)$

式(10)(11)中，s是成功传输的用户数量，ρ_x表示系统负载情况，t_r用 户总传输时延，t_g是数据包产生总时间，是对应优先级用户的时延，a_i是 对应优先级的判断参数，其中，a_i只取0和1，判断接入中是否有该优先 级；

动态优先级选择步骤：演进基站首先计算当前系统负载情况，判断ρ 的所处区间，根据负载区间对应的优先级组合模式配置系统的随机接入的 优先级划分，并按照用户的优先级发起随机接入。

本发明还提供了一种TD-LTE虚拟专网基于动态优先级的随机接入系 统，包括：

前导序列传输模块：用于UE从小区广播消息SIB2中读取用于竞争随 机接入的前导序列数目numberofRA-Preambles，随机从中选择一个随机接 入前导序列，发起随机接入；UE根据小区广播消息中读取物理随机接入 信道配置信息，调整发送功率，在连续3个子帧内随机选择一个物理随机 接入信道发送随机接入前导序列；

随机接入响应模块：用于当演进NodeB检测到UE发送的前导序列， 在MAC层生成随机接入响应，UE通过物理下行控制信道的随机接入临时 标识来监听RAR消息；

MSG3发送模块：用于UE接收到RAR消息，获得上行的时间同步和上 行资源，MSG3是随机接入过程第3条消息，为了区分不同的UE，在MSG3 中会携带一个UE特定的ID，用于区分不同的UE；

冲突解决消息模块：如果在最大重传时间内，UE接收到eNodeB返回 的竞争决议消息，如果其中携带的UE的ID与自己在Msg3中上报给eNodeB 的相符，那么UE就认为自己赢得了此次的随机接入冲突，随机接入成功， 并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI置为自己的C-RNTI，否则的话，UE 认为此次接入失败，并进行随机接入的重传过程。

作为本发明的进一步改进，在随机接入系统中，利用控制退避时延窗 长度和退避重传次数上限相结合的方法，在保证高优先级平均时延下，提 高接入成功率，并以系统负载为限制，动态选择随机接入过程中的优先级 模式。

作为本发明的进一步改进，该随机接入系统包括基于优先级划分的多 模退避算法，在基于优先级划分的多模退避算法中，首先，通过不同优先 级用户采用不同退避算法，区分不同优先级用户；其次，多模退避算法采 用不同的退避窗长度和重传次数上限相结合，降低高优先级用户掉话率； 在随机接入系统中，将所有用户整体分为3种大类型，对应为指挥调度类、 普通话务类和数据缓冲类，根据三类用户的不同平均时延需求，分别对应 1优先级、2优先级和3优先级；因为不同的算法采用了不同的窗长度，当 不同优先级用户接入发生碰撞后，会在不同长度的范围内随机重传。

本发明的有益效果是：本发明利用不同优先级采用不同退避算法和重 传次数上限相结合的方法，保证高优先级用户接入平均时延短，同时降低 其掉话率；其次，根据系统负载情况动态选择优先级划分模式，提高系统 吞吐量并降低掉话率。

附图说明

图1是本发明的随机接入过程图；

图2是本发明的单优先级平均时延图。

图3是本发明的单优先级掉话率图。

图4是本发明的不同模式平均时延图。

图5是本发明的不同模式掉话率图。

图6是本发明的不同模式掉话率图。

图7是本发明的不同模式吞吐量图。

图8是本发明的平均时延对比图。

图9是本发明的动态和固定动态优先级掉话率对比图。

图10是本发明的动态和固定动态优先级吞吐量对比图。

具体实施方式

1.在本发明中，UE(用户设备)选择合适的小区进行驻留以后,就可 以发起初始的随机接入过程了。在LTE系统中，随机接入是一个基本的功 能,UE只有通过随机接入过程,与系统的上行同步以后,才能够被系统调 度来进行上行的传输.LTE中的随机接入分为基于竞争的随机接入和无竞 争的随机接入两种形式。本发明是基于竞争的随机接入过程,可以分为四 个步骤,即本发明的TD-LTE虚拟专网基于动态优先级的随机接入方法，包 括如下步骤：

前导序列传输步骤：UE从小区广播消息SIB2中读取用于竞争随机接 入的前导序列数目numberofRA-Preambles，随机从中选择一个preamble序 列(随机接入前导序列)，发起随机接入；UE根据小区广播消息中读取 PRACH(物理随机接入信道)配置信息，调整发送功率，在连续3个子帧 内随机选择一个PRACH发送preamble序列；

随机接入响应步骤：当eNB(演进NodeB)检测到UE发送的前导序 列，在MAC层生成RAR(Random Access Respond，随机接入响应)，UE 通过PDCCH(物理下行控制信道)的RA-RNTI(Random Access RNTI, 随机接入临时标识)来监听RAR消息；

MSG3(message 3)发送步骤：UE接收到RAR消息，获得上行的时间 同步和上行资源。但此时并不能确定RAR消息是发送给UE自己而不是发送 给其他的UE的。由于UE的前导序列是从公共资源中随机选取的，因此， 存在着不同的UE在相同的时间-频率资源上发送相同的接入前导序列的可 能性，这样他们就会通过相同的RA-RNTI接收到同样的RAR。而且UE也无 从知道是否有其他的UE在使用相同的资源进行随机接入.为此UE需要通 过随后的MSG3和MSG4消息,来解决这样的随机接入冲突.MSG3是随机接 入过程第3条消息，为了区分不同的UE，在MSG3中会携带一个UE特定的 ID，用于区分不同的UE；

冲突解决消息步骤：如果在最大重传时间内，UE接收到eNodeB返回 的Contention-Resolution(竞争决议)消息，如果其中携带的UE的ID 与自己在Msg3中上报给eNodeB的相符，那么UE就认为自己赢得了此次的 随机接入冲突，随机接入成功。并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI(小 区无线网络临时标识)置为自己的C-RNTI。否则的话，UE认为此次接入失 败，并按照上面所述的规则进行随机接入的重传过程，过程如图1所示。

2随机接入技术的相关工作及原理

2.1基本退避算法和理论介绍

(1)UB(Uniform backoff algorithm，均匀退避算法)

UB算法是一种最简单的的而且最容易实现的退避算法。在该算法中， 如果用户随机竞争接入失败，则在一定的时间内重传，退避时间在退避窗 口内服从均匀分布，用户在退避窗内随机选择位置重传，重传最大时间w 为固定值，与重传次数无关。

固定的退避窗长度是UB算法的主要局限，当系统用户较少时，较大的 w(退避窗长度)会使得系统的平均时延增大；相反，较多的用户和较小的 w则会增大用户碰撞概率，导致系统的接入成功率降低。

(2)BEB(Binary exponential backoff algorithm，二进制指数退避 算法)

BEB算法被广泛的使用在IEEE802.16系统的MAC层中，该算法解决了 UB算法由于固定退避窗长度所导致的灵活性低的问题。为解决这一问题， BEB算法采用让每次重传的最大值服从二进制指数分布，而在本次重传中 的时间延时服从均匀分布。这样每次发生冲突，退避时延窗长度就会扩大 一倍，直到达到最大值，而当本次发送成功后，退避窗还原为初始值。

由于退避时延窗长度取决于重重次数大小，如果重传次数较多，用户会 在更长的窗长度内重传，这样用的平均时间会大大延长，重传的成功率会 降低；相反，更短的窗长度会降低用户的平均时延，并增大接入成功率， 这是BEB算法导致不公平的关键问题所在。

(3)最优接入控制算法

最优接入控制算法是算法的理论上限，即物理不可实现的。算法假设基 站可以精确检测出当前时刻等待接入的用户数目n，用户之间相互独立， 每个用户都以等概率p等待下一时刻接入。当前时刻只有一个用户接入， 那么该用户成功接入，如果在一个时隙内有两个以上用户进行接入，会引 起发生碰撞。在下一个时隙，发生碰撞的用户和其余等待接入用户一起竞 争接入。根据描述信道的成功率定义为信道中只有一个用户接入的概率， 表达式如下所示：

S＝np(1-p)^n-1

对p求导可得，当时，S可以取得最大值，当n区域无穷大时， S＝0.3679。如果所有用户在每个时隙都以接入，这时系统的吞吐量最 大，即单位时间内信道的接入成功率。该算法有一个要求，就是所有等待 接入用户能够准确知道当前时刻等待接入用户数目，这要求数据的实时更 新，是导致该算法不能在物理上实现的主要原因，但是该算法给出了吞吐 量和平均延时的理论值上限，对实际算法有对比参考意义。

2.2平均时延计算方法

根据上文2.1中介绍的退避算法，结合各优先级用户的不同需求，在二 进制指数退避算法的下，计算各优先级用户的传输时延t_r，公式如下：

$t_r=\left(\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{n_c}{\Sigma }}\lambda ·w·m^i,(n_c\le B_{\max })\\ \underset{i=0}{\overset{B_{\max }}{\Sigma }}\lambda ·w·m^i,(n_c>B_{\max })\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，λ表示在退避时间内随机选择接入时间的参数，既λ∈(0,1) 的均匀分布的随机参数；m表示退避时间窗长度增量；n_c表示用户碰撞次 数；w表示初始退避窗长度。

2.3系统负载计算方法

本发明是基于随机接入负载的动态优先级随机接入控制算法，负载是本 发明算法的重要参数，这里给出小区随机接入负载的计算方法[1]。表达式 如下：

${\rho }_i={\zeta }_i=\frac{n_i}{\mathrm{K\Delta T}}---\left(2\right)$

$\rho =\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}{\rho }_i---\left(3\right)$

式(2)中，ρ_i表示用户i占用系统负载百分率；n_i表示用户i在计算 时间内占用资源数；K表示可以调度的总资源数；ΔT表示计算时间。

式(3)中，ρ系统在观察时间内的负载情况，N表示等待接入用户总 数。

3基于系统负载的随机接入控制方法

本发明为保证不同优先级用户之间的区分度，不同优先级采用不同的 退避算法。选择退避算法时，如果为尽量避免用户碰撞而选择较长的退避 时延窗，那么系统的接入成功率增高，但是系统的平均时延也会增大并且 信道利用率降低；相反，如果选择较短的退避时延窗，那么系统的平均时 延降低和信道利用率提高，但是系统的接入成功率会降低。采用单一退避 算法的系统无法同时保证平均时延和接入成功率。针对以上问题，本发明 提出多种退避算法结合的方法，利用控制退避时延窗长度和退避重传次数 上限相结合的方法，在保证高优先级平均时延下，提高接入成功率。并以 系统负载为限制，动态选择随机接入过程中的优先级模式。

3.1基于优先级划分的多模退避算法

本发明提出单信道多模退避算法的主要原因是：首先，通过不同优先 级用户采用不同退避算法，区分不同优先级用户；其次，多模退避算法就 可以采用不同的退避窗长度和重传次数上限相结合，降低高优先级用户掉 话率。其中，退避算法的最大重传次数上限，它表示当该接入用户的重传 数目超过上限后，系统强制结束本次无线接入，并将其重传等待时间重置 为初始值或减少相应的时间，用户掉话并等待下次接入[3]。这里的重传次 数上限限制了系统的平均时延，同时也限制了掉话率。首先，如果重传次 数上限较大，系统整体的平均时延升高，但是掉话率降低；相反，重传次 数上限较小，系统整体的平均时延降低，但是掉话率升高，系统平均时延 和掉话率呈现反相关[4]。本发明算法设计，高优先级用户采用的是改进 BEB算法，其平均时延最短，掉话率最高，通过调整其重传次数上限，在 保证高优先级用户延时最低的情况下，通过调整重传次数上限使其掉话率 也低于其他优先级用户。

LTE的扁平体系架构可有效支持实现集群呼叫时延小的客户需求，LTE 标准中定义了9种不同的QCI(QoS Class Identifier，服务质量等级定 义)的值，每个QCI都与一个优先级相关联，9种QCI整体分为三大类， 分别为话务类、交互类和缓冲类，其中最长的系统平均时延限制是300ms。 根据以上公网的优先级设置，结合集群系统的指挥调度需求，将所有用户 整体分为3种大类型，对应为指挥调度类、普通话务类和数据缓冲类，根 据三类用户的不同平均时延需求，分别对应1优先级、2优先级和3优先 级。因为不同的算法采用了不同的窗长度，当不同优先级用户接入发生碰 撞后，会在不同长度的范围内随机重传，这样就降低了碰撞发生的概率， 并且很大程度上提高信道利用率[2]。下面给出算法的具体方法：

(1)根据上文2.3.2给出的用户时延计算方法，计算各优先级用户的 传输时延t_r，公式如下：

$t_r=\left(\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{n_c}{\Sigma }}\lambda ·w·m^i,(n_c\le B_{\max })\\ \underset{i=0}{\overset{B_{\max }}{\Sigma }}\lambda ·w·m^i,(n_c>B_{\max })\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，λ表示在退避时间内随机选择接入时间的参数，既λ∈(0,1)的 均匀分布的随机参数；m表示退避时间窗长度增量，1优先级m＝1.5，2优 先级m＝2，3优先级m＝2.5；n_c表示用户碰撞次数。

这里为求得各优先级的时延，以B_1max、B_2max、B_3max分别代替B_max，求 得

(2)确定各优先级重传次数上限B_1max、B_2max、B_3max，根据本发明算法， 为保证1优先级掉话率最低，可以减小1优先级重传次数上限B_1max，来降 低高优先级掉话率。用β表示接入失败率，

$\beta =\frac{n_f}{n_s}---\left(4\right)$

其中，n_f是接入失败用户数量，n_s是接入成功用户数量。计算方法如下：

根据前文中给出的t_r计算方法，按照各优先级用户间平均时延关系 可得

$\frac{{m_1}^{B_{1\max }}-1}{m_1-1}<\frac{{m_2}^{B_{2\max }}-1}{m_2-1}<\frac{{m_3}^{B_{3\max }}-1}{m_3-1}---\left(5\right)$

为满足β₁<β₂<β₃，假设

B_1max≥B_2max≥B_3max    (6)

根据3GPPTD-LTE系统规定，前导序列重传次数最大不超过10次，为尽 量提高1优先级群组的接入成功率，取B_1max＝10。联立不等式组(5)(6)， 可得

$\left(\begin{array}{c}7\le B_{2\max }\le 8\\ 4\le B_{3\max }\le 7\end{array}\right)---\left(7\right)$

由上述计算，可以确定不同退避算法的重传上限之间的限制关系，以 此调整系统设置，保证高优先级用户的随机接入性能。

3.2基于系统负载的动态优先级划分

虚拟集群专网的不同用户有着不同QoS需求，在竞争接入过程中为重 要用户应该优先竞争接入，因此，根据不同用户需求划分各用户的优先级 是十分必要的。不同用户由于所处优先级不同，接入时延和成功率都有区 别，整体原则是优先级越高对应的接入延时越低和接入成功率越高[5]。以 优先级区分可以按用户QoS需求采用不同接入算法，传统的优先级划分都 是固定的，既系统内用户的优先级都是不变的，然而这种划分方法主要缺 陷无法根据系统的情况调整自身，当系统负载较高时，如果采用较多的优 先级数目，会使系统的平均时延增大和接入成功率降低，因为对于低优先 级的用户采用的退避时延窗长度更长；当系统负载较低时，如果采用较少 的优先级数目，用户之间的区分度较低，难以保证不同用户的QoS需求[6]。 针对以上问题，本发明提出一种最小化高优先级用户平均时延和掉话率的 动态优先级划分方法，根据系统负载计算优先级组合方式，并求出了该算 法的平均时延理论极限，结合实际应用中的信令复杂度问题，优化系统平 均延时和接入成功率。

3.2.1动态优先级划分

(1)系统负载区间划分

结合第2章中，计算系统负载和平均时延的算法，以系统当前的时间为 负载的总监测时间，在系统非空闲状态下，可得如下关系：

$\left(\begin{array}{c}\tau =\frac{\mathrm{\Delta T}-t_g}{s}\\ \rho =\underset{i=0}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{n_i}{\mathrm{K\Delta T}}\end{array}\right)---\left(8\right)$

式(8)中，τ是针对不同优先级用户的平均时延要求，例如最高优先 级用户的平均时延要求小于100ms，普通用户平均时延要求小于300ms。t_g是数据包产生时间，s是成功传输的数据包数量。如果取观测时间为全部 传输时间，以传输时延τ为限制，可以求得不同延时下系统负载要求，根 据上面给出的计算方法，计算出系统在满足不同平均延时的负载值ρ_x。

如下

$\rho =\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{n_i}{K}}{s·\tau +t_g}---\left(9\right)$

本发明以τ分别取100ms，150ms，200ms，250ms，300ms，对应求得ρ₁， ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅分别表示满足不同时延要求时，系统的负载上限，并以此 划分系统负载区间。

(2)基于负载的最优的优先级组合模式

根据以上分析，建立数学优化模型，找出在系统负载等于ρ_x情况下， 使得系统平均时延和单位时间内掉话率乘积最小的优先级组合模式。

$P\left({\rho }_x\right)\arg \min (\frac{t_r}{s}·\frac{\beta }{\mathrm{\Delta T}}),{\rho }_x\in \{{\rho }_1,{\rho }_2,{\rho }_3,{\rho }_4,{\rho }_5\}---\left(10\right)$

$t_r=a_1\underset{i_1=0}{\overset{n_1}{\Sigma }}{t}_{r_1}+a_2\underset{i_2=0}{\overset{n_2}{\Sigma }}{t}_{r_2}+a_3\underset{i_3=0}{\overset{n_3}{\Sigma }}{t}_{r_3}---\left(11\right)$

式(10)(11)中，s是成功传输的用户数量；ρ_x表示系统负载情况；t_r用 户总传输时延，t_g是数据包产生总时间，是对应优先级用户的时延，；a_i是对应优先级的判断参数。其中，a_i只取0和1，判断接入中是否有该优 先级。根据以上算法可以算出在不同负载情况下，最优的优先级组合模式， 结果如下表3-1所示：

表3-1优先级判断表

(3)动态优先级选择

eNode(演进基站)首先计算当前系统负载情况，判断ρ的所处区间， 根据负载区间对应的优先级组合模式配置系统的随机接入的优先级划分， 并按照用户的优先级发起随机接入。因为实时计算最优的优先级模式会带 来过多的信令开销，所以eNode(演进基站)会按照一定的时间间隔更新 不同模式的优先级组合方式，同时可以根据当前要求增加优先级数目，满 足系统当前要求。对应关系如下表2-1所示：

表2-1负载和优先级对照表

4仿真设计

4.1相关参数的设定

考虑在TD-LTE公网的无线接入控制采用slotted Aloha协议，结合 Matlab仿真平台对本文相关算法进行性能仿真。将设计算法仿真结果与传 统的固定优先级随机接入算法进行对比，相关参数如表4-1所示。

表4-1仿真参数设置

4.2仿真结果及分析

本发明3个优先级采用了不同的退避算法，这里分别使用相同话务量 下，各优先级的平均时延和掉话率，图2是三种算法单独的平均时延显示， 结果显示，整体高优先级平均时延更低，随话务量增大低优先级用户平均 时延增加更快。图3是利用控制退避算法的重传上限调整各优先级用户的 掉话率，结果显示，在高优先级用户平均时延较低时，保证高优先级用户 掉话率也较低。

根据算法求得的5种动态优先级组合模式，将每种模式分别单独仿真。 图4是5种模式单独情况的平均时延，仿真结果分析看出，模式1、模式2、 模式3在较小和正常的话务量情况效果更好；模式4、模式5在较高的话 务量情况效果更好。

图5是5种模式单独的情况下的掉话率，模式1和模式2的掉话率明 显高于模式3、模式4、模式5。针对图5中模式3、模式4、模式5掉话 率曲线范围远小于模式1和模式2，为便于观察模式3、模式4、模式5掉 话率，给出图6，将这三种模式的掉话率单独显示。

图7是5种模式单独的情况下的吞吐量，可以看出模式1、模式2、模 式3在通话量较小和正常时吞吐量更大，模式4、模式5在较高的话务量 情况效果更好。

根据系统负载情况，动态先级接入和固定优先级接入两种算法以同样 的总数据发送量及相同的话务量进行仿真。

图8是平均时延仿真结果，结果显示，较小和正常话务量下两种算法 平均时延接近，当话务量较大时，动态优先级接入算法优于固定优先级算 法。同时给出了，动态优先级划分方法的平均时延理论下限，按照相同话 务量下，取全部模式下平均时延的最小值。因为在系统实时更新的情况下 才能达到算法的理论下限，所以在实际中不可实现，但是可以给实际应用 提供理论参考。

图9是掉话率仿真结果，结果显示，在话务量较低时两种算法均不会 掉话；随话务量增加，动态优先级算法掉话率明显小于固定优先级，而且 动态优先级算法掉话率增长趋势更为平缓。

图10是吞吐量仿真结果，结果显示，两种算法的整体趋势相近，在高 负载情况下动态优先级接入算法吞吐量下降速率更慢，动态优先级接入算 法吞吐量整体优于固定优先级接入算法。

本发明还公开了一种TD-LTE虚拟专网基于动态优先级的随机接入系 统，包括：

前导序列传输模块：用于UE从小区广播消息SIB2中读取用于竞争随 机接入的前导序列数目numberofRA-Preambles，随机从中选择一个随机接 入前导序列，发起随机接入；UE根据小区广播消息中读取物理随机接入 信道配置信息，调整发送功率，在连续3个子帧内随机选择一个物理随机 接入信道发送随机接入前导序列；

随机接入响应模块：用于当演进NodeB检测到UE发送的前导序列， 在MAC层生成随机接入响应，UE通过物理下行控制信道的随机接入临时 标识来监听RAR消息；

MSG3发送模块：用于UE接收到RAR消息，获得上行的时间同步和上 行资源，MSG3是随机接入过程第3条消息，为了区分不同的UE，在MSG3 中会携带一个UE特定的ID，用于区分不同的UE；

冲突解决消息模块：如果在最大重传时间内，UE接收到eNodeB返回 的竞争决议消息，如果其中携带的UE的ID与自己在Msg3中上报给eNodeB 的相符，那么UE就认为自己赢得了此次的随机接入冲突，随机接入成功， 并将在RAR消息中得到的临时C-RNTI置为自己的C-RNTI，否则的话，UE 认为此次接入失败，并进行随机接入的重传过程。

在随机接入系统中，利用控制退避时延窗长度和退避重传次数上限相 结合的方法，在保证高优先级平均时延下，提高接入成功率，并以系统负 载为限制，动态选择随机接入过程中的优先级模式。

该随机接入系统包括基于优先级划分的多模退避算法，在基于优先级 划分的多模退避算法中，首先，通过不同优先级用户采用不同退避算法， 区分不同优先级用户；其次，多模退避算法采用不同的退避窗长度和重传 次数上限相结合，降低高优先级用户掉话率；在随机接入系统中，将所有 用户整体分为3种大类型，对应为指挥调度类、普通话务类和数据缓冲类， 根据三类用户的不同平均时延需求，分别对应1优先级、2优先级和3优 先级；因为不同的算法采用了不同的窗长度，当不同优先级用户接入发生 碰撞后，会在不同长度的范围内随机重传。

本发明利用不同优先级采用不同退避算法和重传次数上限相结合的方 法，保证高优先级用户接入平均时延短，同时降低其掉话率；其次，根据 系统负载情况动态选择优先级划分模式，提高系统吞吐量并降低掉话率。

而且，本发明利用动态的优先计划分和多模退避算法相结合，充分保 证高优先级用户的平均时延和提高系统吞吐量，有效提高系统延时和成功 率性能及信道利用率。

本发明提出无线接入中基于系统负载的动态优先级划分方法和单信道 多模退避算法，以此提高TD-LTE虚拟集群专网性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。