N-frequency 小区的NodeB辅助的上行同步算法分析

时间：2012-10-02　来源：　作者：鼎桥通信技术有限公司　点击：次

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摘要随机接入是TD-SCDMA系统性能的一个关键性过程。UE在进行业务前，需要发起随机接入过程以建立上下行同步。在上行同步过程中，多个UE可能在同一子帧发送相同SYNC-UL，由此产生的碰撞会导致上行同步的失败，直接影响UE的接入成功率和系统无线资源的利用。在N-Frequency小区中，由于所有UE都须从主载波上发起上行同步过程，多UE同步接入时发生SYNC-UL碰撞几率会大大增加。本文在分析了N-frequency小区随机接入上行同步过程碰撞概率的基础上，提出了N-frequency小区中利用NodeB辅助的上行同步的优化算法，该算法简单、容易实现，能有效地提高UE上行同步的成功率。

1、TD-SCDMA网络中UE的随机接入过程简述

TD-SCDMA是一个同步的CDMA系统, UE在发起CS/PS业务前, 需要发起随机接入过程, 建立上行和下行同步。整个随机接入过程包括下行同步的获取、系统消息的读取、建立上行同步和随机接入。UE要驻留一个小区时，需要先读取小区的DwPCH，获取小区的SYNC-DL，从而相应获取小区的扰码和基本中间码。从连续的DwPTS中检测出PCCPCH的位置，读取BCH上的系统信息，从而获取小区的FPACH, SCCPCH, PRACH公共信道等资源信息。相应的从为随机接入而分配给UpPTS的8 个SYNC-UL 中选取一个，在UpPCH上发送SYNC-UL；并在相应的FPACH信道上，当UE获取FPACH上NodeB的响应时，就可以在随后的PRACH和DPCH上完成RRC连接和相应的业务。
从上面的随机接入过程可以看出，在NodeB侧的上行同步码SYNC-UL的获取是非常关键的。一个小区内在一个无线子帧，如有多个UE同时发起上行同步，各自从8个SYNC-UL中任选一个，如果有两个或多个UE选择的SYNC-UL相同，则会发生碰撞。导致NodeB侧SYNC-UL检测错误，UE上行同步失败，导致UE接入失败，接入率的降低和系统资源的浪费。而UE会继续尝试上行同步过程，这会增加对相邻小区UpPCH的干扰，导致系统性能的降低。这种碰撞发生的概率和UE的接入到达率有关系；同时需要接入的UE越多，发生碰撞的概率越高。本文在分析了N-Frequency小区上行同步过程中SYNC-UL碰撞概率的基础上，提出了NodeB辅助的上行同步算法，降低了在N-Frequency 小区中SYNC-UL的碰撞发生概率。并进一步分析了该算法在NodeB侧和UE侧的算法实现流程和在具体的应用场景下算法的优化性能。

2、N-Frequency 小区的SYNC-UL碰撞概率分析

由于TD-SCDMA的时分特性，相比GSM等其他无线系统，对同步性能有相对特殊的要求。UE在获取下行链路的同步后，由于UE和NodeB距离的不同，UE发送的信号到达NodeB的传输时延也不同，为保证不同UE发送的信号能在同一时间到达NodeB, 在UE发起业务之前，需要发起上行同步过程。在TD-SCDMA系统中，定义了一个上行同步时隙UpPTS，NodeB在GP和UpPTS时隙中接受UE发送的SYNC-UL码。按照系统的定义，每个SYNC-DL对应一组8个SYNC-UL码字。UE根据获取的SYNC-DL，随机地从SYNC-UL码组中选取一个上行同步码，并以一定的相对UpPTS的时间提前量发送。NodeB通过相关运算检测出UE的SYNC-UL，获取SYNC-UL的定时和功率信息，并相应地算出UE在PRACH上使用的发送功率和时间调整值，在　FPACH中发送给UE，从而使所有UE发送的信号能在同一时间到达NodeB。如在同一子帧内，两个或多个UE所选的SYNC-UL码相同，则会发生上行同步信号的碰撞，导致在NodeB侧SYNC-UL检测失败。在[1]中分析了随机接入过程中碰撞检测的性能，NodeB侧能正确检测出碰撞的概率大约为98.74%。在目前N-Frequency小区中，由于只有主载频上配有UpPTS, UE需要在主载波上完成随机接入过程，然后才能在主、辅载频上进行业务。由于N-Frequency小区能承载的UE数量理论可以是单载频小区的N倍以上，故而N-Frequency小区UE的接入到达率可以认为是单载频小区的N倍左右，而所有UE都须通过主载频的UpPCH发起上行接入，故而SYNC-UL碰撞率会大大提高，影响SYNC-UL的成功检测。下面分析N-Frequency小区的SYNC-UL碰撞概率。
假定一个载波的用户接入到达率采用泊松分布(Poisson Distribution):

(1)
k 是同时上行接入的用户数，

， T是sub-frame interval：5ms，

是平均上行接入UE数。从上式可以看出，在5ms子帧内到达的接入用户数

时，上行同步时不会发生SYNC-UL碰撞；

时，发生SYNC-UL碰撞的概率是

；

时，发生SYNC-UL碰撞的概率是

；这样可以算出用户的SYNC-UL的碰撞概率:

(2)
对N-Frequecy小区，假定每个载波的UE到达用户分布情况是相同的，则N-freqency小区的到达接入用户概率分布是：

(3)
相应的可以算出在

个用户时，发生上行SYNC-UL碰撞的概率

，则N-Frequency小区中发生SYNC-UL的碰撞概率:

(4)
通过上述公式可以看出，在N-frequency 小区中，

发生时发生上行同步时SYNC-UL碰撞的概率相比单载波小区增加

倍，接近指数规律增加。小区发生SYNC-UL碰撞概率可以表达成：

(5)SYNC-UL碰撞的概率大大提高。N-Frequency小区相对单载波小区的碰撞概率比率与用户的同时到达率的关系，
如图1所示：

图 1 N-Frequency 小区和单频点小区碰撞概率比和同时接入用户关系

对3载波小区（

），每秒钟每载波有20个用户接入（

）的情况下，对

，SYNC-UL碰撞概率增加接近9倍；

，SYNC-UL碰撞概率增加几乎为27倍。对6载波小区（

），每秒钟每载波有20个用户接入（

）的情况下，对

，SYNC-UL碰撞概率增加近似于36倍；

，SYNC-UL碰撞概率增加接近218倍。可以看出随着同时接入UE数进一步增加时，N-Frequency小区上行同步时SYNC-UL碰撞概率会显著增加。这些由于SYNC-UL碰撞而没有完成上行同步过程的UE，会在下面的几个子帧中重新发起上行链路的同步过程，而这时如果有新的UE需要发起上行同步过程，则会进一步增加SYNC-UL的碰撞几率，严重影响了先前发起同步过程的UE和新到达UE的上行同步过程的成功率，降低了系统的性能和资源利用率，增加了相邻小区UpPCH的干扰功率，影响系统性能。

3、N-Frequency 小区NodeB辅助的上行同步算法分析

从上面的分析可以看出，N-Frequency小区虽然节约了辅载波上的公共信道资源，减少了DwPCH和UpPCH在辅载波上的分配，但是却增加了UE上行同步时SYNC-UL的碰撞几率，降低了小区的上行同步成功率。而上行同步是UE发起业务和切换的前提，从而严重影响了系统的性能。为克服上述情况，下面分析了上行SYNC-UL处理过程，提出了一种上行同步算法，可以显著减少N-Frequency小区的SYNC-UL碰撞概率。
由于UE在发起上行链路同步过程时, UE 是不知道网络侧的情况的,UE 只是盲目地在UpPCH上发送SYNC-UL,然后去侦听FPACH上NodeB给UE的响应。NodeB在正确检测出SYNC-UL后，NodeB会把检测出的SYNC-UL ID、在空口上发送FPACH的帧号和接收到UE的SYNC-UL帧号的增量

、TA值和PRACH的期望功率在FPACH信道上发送出去，UE收到FPACH后，给根据SYNC-UL ID和

判断是否是自己的响应。如是自己的响应，则会发起后面的RACH和FACH上的发送和接收过程。如不是，则会BACKOFF-N帧后继续尝试上行同步过程。如NodeB侧检测出 SYNC-UL碰撞，则NodeB不会在FPACH上发送响应[2]。如UE在发送SYNC-UL后几帧内如没有收到FPACH上的信息，会继续尝试上行同步过程。
从上面的分析可以看出，UE在发送SYNC-UL前，不知道NodeB侧的情况，UE只是随机发起上行链路的同步过程。而在NodeB侧，NodeB只是在正确检测出SYNC-UL时才会利用FPACH信道发送响应。在发生SYNC-UL碰撞时，FPACH上是不会发送任何信息，这样FPACH资源在发送下一次响应前是空闲的。
在N-Frequency小区中，由于只有主载波上可以发起上行链路的同步接入过程，使得SYNC-UL发生碰撞的概率大大增加。为改善这种情况，提出了NodeB辅助的UE上行同步优化算法。具体分析如下：
在NodeB侧，如NodeB检测出有多个用户同时接入，SYNC-UL发生碰撞，NodeB侧在后续的无线子帧中，在FPACH上发送响应，相应的内容包括在空口上的发送FPACH的帧号和接收到UE的SYNC-UL帧号的增量

和一个无效的SYNC-UL ID，象征NodeB侧检测到SYNC-UL碰撞。
NodeB侧的算法的流程如图2所示：

图2 NodeB 侧FPACH处理

在UE侧，UE接收FPACH信道并解出FPACH的内容，如发现SYNC-UL ID 为预设的SYNC-UL Collision ID，则知道小区内发生了多个UE上行同步，SYNC-UL发生碰撞；UE通过

就可以知道有多个UE发生接入时的SFN值，知道在下面的N个连续子帧中前面发生碰撞的多个UE会重新发生上行链路的同步过程，则新UE则会采取N帧避让过程(N值的选取可以根据情况设定为4帧或8帧)，在后续子帧的FPACH上继续接收FPACH信道的内容。如发现FPACH上没有消息，或UE无法解出FPACH信道上的内容，或解出的信息不符合上行同步过程的要求，则认为NodeB侧没有发生SYNC-UL碰撞的问题，该UE就从8 个SYNC-UL 中任选一个，发起上行链路同步过程。UE侧的算法的流程如图3所示。
对已发送了SYNC-UL的UE, 侦听FPACH内容后，如发现NodeB侧发生了SYNC-UL碰撞，则可以结束上一次的上行同步过程，不必等到N帧结束，开始下一次的BACKOFF-N 的上行同步过程。

4、NodeB辅助的UE上行同步优化算法的性能分析

在没有NodeB辅助的UE 的上行链路同步过程中，如多个UE同时接入并发生SYNC-UL碰撞，则发生碰撞时同时接入的

图3 UE 侧FPACH接收和SYNC-UL发送处理
UE数为

，在后续的N个子帧中再次尝试进行上行同步，此时有

个新到达的用户也需要接入。每个5　ms子帧中的平均用户数为

,如不采用NodeB辅助的上行同步算法, 在重新发起上行同步过程的4 (系统实现值N=4) 个子帧中，先前已发生上行同步碰撞的UE和新到达的接入UE发生碰撞的概率是相同的。

时,发生2个UE，3个UE碰撞的概率

，

如表1所示:

表1 发生碰撞的概率


	9/128	54/128
	1/128	12/128

随着

增加，UE上行同步SYNC-UL的碰撞概率将会接近于1。
采用NodeB辅助的上行同步算法，在已发生上行SYNC-UL碰撞重新发起行同步过程的N个子帧中，碰撞发生的概率分析如下:

时发生2个UE上行SYNC-UL碰撞的概率为

；发生3个UE碰撞的概率为0。
而对于新到达的须接入的UE，其发生2个UE碰撞的概率则为泊松分布中到达接入UE为2时发生的概率：

3载波时为4.6861e-006，6载波时为9.3694e-006，改善程度为没有采用本算法时的概率小15004倍和7504倍，对UE上行同时时碰撞问题的改善显著提高。
从上面的分析可以看出,采用NodeB辅助的上行同步算法可以很好的消除已发生上行同步碰撞再次尝试接入时的碰撞概率，极好地降低新到达用户的上行同步时发生碰撞概率，提高了UE上行同步成功率；而且由于UE上行同步SYNC-UL碰撞概率的减小，减少了UE上行SYNC-UL发送次数，减轻了本小区和相邻小区UpPCH上的干扰功率，提高了整个网络的性能。

5、结束语

在N-Frequency小区中，由于只有主载频上有UpPCH用于所有UE的接入，用户的上行同步过程发生碰撞的概率远大于单载频小区。在分析了N-Frequency上行同步发生碰撞问题的基础上，本文提出了一个基于NodeB辅助的上行链路的同步算法，可以较好的减少已发生碰撞的UE再次进行上行同步过程中发生碰撞的概率，而且可以显著地减少新接入UE的上行同步发生碰撞的概率，提高了UE随机接入的成功率，减小了对本小区和相邻小区UpPCH上的干扰，提高了整个网络的性能和资源的利用率。该算法也可以应用于单频点小区。