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TSM系统中随机接入成功率的分析

原创 Linux操作系统 作者:tivoli2000 时间:2009-02-16 17:33:14 0 删除 编辑
 

1概述
  在TSM系统中,终端的工作模式可以根据终端的工作状态分成空闲模式、连接模式和接入模式。在空闲模式下终端和网络之间没有上行信令连接,需要按照一定的规律解读网络广播的系统消息及寻呼消息;在专用模式下存在上/下行信令连接以及专用业务信号,终端可以进行正常的业务处理或是终端的特殊过程,如位置区更新过程等;接入模式是空闲模式和专用模式的桥梁与纽带,通过接入模式,建立终端和网络之间的上行同步关系、分配资源等,使终端从空闲模式进入专用模式。根据终端接入模式的不同阶段又分为几个子过程,即上行同步建立过程、随机接入过程、第二次签名过程以及主信令链路建立过程。本文中将这几个过程统称为随机接入过程。
  移动通信系统的随机接入是一个非常重要的过程,其性能直接影响到系统的性能,提高随机接入的成功率是所有移动通信系统不可避免的问题。通过对随机接入过程的研究,可以更好地提高TSM系统的接通率,避免网络系统由于超负荷而影响系统的接通率。
  本文主要介绍在TSM系统中,影响终端随机接入成功率的因素及他们之间的关系。本文首先介绍TSM系统中的随机接入过程,指出影响随机接入的因素;再根据影响随机接入过程的因素提出一个可以量化的数学模型进行TSM系统中随机接入性能的仿真;最后对TSM系统随机接入过程的仿真结果进行分析。

2随即接入过程的描述
  TSM系统的物理层是同步的CDMA系统,对上/下行同步的要求比较苛刻,因此在TSM系统的帧结构(如图1所示)中专门定义了一个UpPTS时隙用于上行同步的建立。
  为了便于同步捕获和信道检测,在TSM系统中,共定义了32个下行同步码序列(SYNC)、12 8个训练码序列(midamble)、128个扰码序列(scramble)和256个上行同步码序列(SYNC1)。他们被分成32个码组,每个码组由1个下行同步码、4个训练码、4个扰码和8个上行同步码序列组成,每个码组用于描述一个小区。更详细的内容可以参考TSM0502[1]。

  若接入允许判断的结果是允许接入,终端将离开空闲模式,经随机延迟0~T帧后(T值由系统信息广播),终端从当前服务小区的8个上行同步码中随机地选取1个允许的签名号(sig nature),并在UpPTS物理信道上发送SYNC1(签名突发)以建立同步,该过程也可称为签名过程。其中在发送SYNC1消息的系统帧号需要满足下面的要求:
  

P1,P2和使用(1)还是(2)从系统信息3中获得,这2个参数可以确定终端能在哪些SFN中发起SYNC1过程。具体可以参考TSM 0408协议[2]。
  发送SYNC1后,在接下来的4帧内终端将监听FACH信道,检测是否收到网络返回的物理信息(physical informatin)消息。若在4帧之内收到了属于自己的物理信息消息,则上行同步建立过程完毕,终端将进入随机接入过程;若在4帧之内未收到属于自己的物理信息消息,终端将最多重复M+1次(M值由系统信息广播)签名过程。当SYNC1达到最大重传次数时,终端将终止立即指派过程,返回空闲模式。
  在收到属于自己的物理信息消息的2帧之后,终端将在对应的RACH(随机接入信道)上发送信道请求(channel requst)消息,该消息中包括了随机5 b的RR(参考数),并启动定时器T3126(该定时器的长度由系统信息广播)。发送信道请求消息的功率和定 时提前量将根据该物理信息消息中所提供的相关参数进行调整。
  发送了信道请求消息后,终端将开始监听对应的AGCH(接入允许信道),检测是否收到网络返回的立即指派(immediate assignment)消息。若终端在定时器 T3126溢出之前收到属于自己的立即指派消息,则相应的定时器将被关闭,立即指派过程结束,这时终端将从网络规定的时间开始使用立即指派消息所指定的专用信道,进入主信令链路建立过程。
  若终端在T3126溢出之前一直未收到属于自己的立即指派消息,终端将最多重复N次(N值由系统信息广播)立即指派过程,即从发送SYNC1开始。若已达到最大重复次数,终端将终止立即指派过程,返回空闲模式。
  当遇到网络繁忙等情况时,网络可以通过返回立即指派拒绝(immediate assignment reject)消息来拒绝终端的信道请求消息。当终端第一次收到属于自己的立即指派拒绝消息后,将启动定时器T3122(该定时器的长度从立即指派拒绝消息中得到),并继续监听AGCH直到T 3126溢出。启动定时器T3122的目的是为了防止该终端在定时器溢出之前在本小区内发起新 的非紧急呼叫的RR连接建立过程。在定时器T3126溢出之前,若终端继续收到属于自己的立 即指派拒绝消息,该消息将被忽略;若收到属于自己的立即指派消息,相应的定时器关闭,立即指派过程结束,进入主信令链路建立过程。
  此外,若遇到终端和网络丢失同步等情况,网络还可以在立即指派消息中要求终端在接入专用信道之前重新建立上行同步,该过程可称为第二次签名过程。但无论第二次签名过程是否成功,终端都将在指定的时间使用网络所指派的DCH(专用信道)。具体流程如图2所示。

  从整个过程来分析,可以得到影响随接接入过程成功率的主要因素有2点:
  签名码的使用 每个小区只有8个签名码,而每个用户只能随机地从这8个签名码中选取一个,如果2个用户或是2个以上用户选用了相同的签名码,则这些终端的随机接入都不能成功。
  在信道请求中的随机参考数的使用 在进行主信令信道请求过程中,每个消息中都有5 b的随机参考数,主要用于在接收立即指派时,判定接收到的立即指派是否是该终端的。由于不同终端对该数据的选取是不相关的,如果两个或是两个以上的终端选择了相同的随机参考数,则信道请求失败。
  除此之外,影响终端随机接入的还有P1和P2参数的使用、接入等级的使用、系统资源以及信号质量等,所有的这些问题在实际应用中都可以解决,但是随机接入过程是一个短暂的过程,不可能也没有必要给每个终端分配一个专用的随机接入信道,那么所有的终端只能共用一个上行信道,从而在进行随机接入过程中终端不得不使用签名码和随机参考数。同时也不能保证终端进行每次随机接入都能成功。本文研究小区驻留终端数、终端平均呼叫次数以及随机接入成功率之间的关系。

3仿真模型的建立
  
设每个终端发起随机接入的次数表示为N(t),并且前后两次随机接入过程是相互独立的,每个终端单位时间t内发起的随机接入次数为λ,那么终端在单位时间内发起的随机接入过程符合强度为λ的泊松分布,即:
  
  在同一时刻,有m个终端在该小区中,每个终端在单位时间之内发起随机接入次数为Ni(t),其中i=0,1,2,…,m,那么在同一个小区中,在单位时间内发起随机接入的终端数有M(t),可以表示为:
  
  
由于Ni(t)都是符合泊松分布的过程,根据联合的泊松分布过程性质可以得到M(t)是一个强度为的泊松分布过程[3]。为了分析方便可以设定每个终端的发起随机接入过程的强度是相同的,即为λ,则驻留有M终端的小区中发起随机接入的强度为mλ。在t时间内,发起随机接入的次数M(t)的概率表示为P1:
  
  
根据式(3),如果t的长度取为一帧的长度,那么可以计算出在小区中一帧之内发起随机接入数目的分布关系。
  在终端选择签名码过程中,假如有k个终端同时发起随机接入,那么一个特定终端选择的签名码和其他终端不相同的概率为P2:
  
  在终端选择签名码没有冲突的条件下,从32个随机数中选择一个作为终端的随机参考数,终端之间选择随机参考数是相互独立的,可以计算出一个特定终端选择随机参考数的成功率为P3:
  
  
根据上面的分析,可以得到一个终端在发起随机接入的成功率为P:
  
  
设定mλt为呼叫负载,Ps为随机接入的成功率,在仿真中省去信道请求中的随机参考数冲突的影响,得到图3随机接入成功率与呼叫负载量之间的关系图。
  从图3中可以看出在呼叫负载量为2.5时,最大的随机接入成功率可达到75%。同时也可以从图中看出在呼叫负载量达到一定的限度时,会出现呼叫阻塞现象。

4结语
  对于随机接入及冲突控制,早在卫星通信中就有广泛的研究,从纯ALOHA系统到时间分片的AL OHA系统,随机接入最大的成功率为18.8%~36.8%[4]。TSM系统不仅保留了ALOHA时间分片接入优点,还增加了几个信道可以同时进行接入的能力,大大提高了TSM系统随机接入的成功率,最大的随机接入成功率达到了75%。
  影响TSM随机接入成功率的因素有很多,在本文中没有讨论通信线路误码以及系统资源等问题对随机接入成功率的影响。并且在分析和仿真中,没有考虑第一次不成功以后重新开始新一轮的随机接入过程对随机接入成功率的影响。本文仅只是对影响随机接入成功率的主要过程及因素进行仿真,总体上反映出了TSM系统的随机接入能力的情况。

参考文献

[1]China Wireless Telecommunication Standard;3G Digital Cellula r Telecommunications System; Multiplexing and Multiple Access on the Radio Path, CWTS TSM 05.02 V3.0.0 (2002-08).
[2]China Wireless Telecommunication Standard;3G Digital Cellular Telecommunicat ions System;Mobile Radio Interface Layer 3 Specification;Part 1: Radio Resource Management,CWTS TSM 04.08 V3.0.0(2002-08).
[3]Sang Wu Kim. Stabilization of Slotted ALOHA SpreadS pectrum Communication Networks.IEEE.
[4]邓亚平.计算机网络[M].北京:北京邮电大学出版社,1992.
[5]Li Xiaohua. Contention Resolution in Randomaccess Wireless Networks Bas ed on Orthogonal Complementary Codes, Digital Object Identifier 10. 1109/TCOMM,2003.
[6]李小文.TDSCDMA第三代移动通信系统信令与实现[M].北京:人民邮电出版社,2003.
[7]朱庆棠,陈良均.随机过程及应用[M].成都:电子科技大学出版社,1996。

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