支持機(jī)器類型通信的動態(tài)接入攔截方法

胡茂智，唐 倫

（重慶郵電大學(xué) 移動通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

0 引 言

3GPP組織在高級長期演進(jìn) （long term evolution advanced，LTE－A）中引入了機(jī)器到機(jī)器 （machine to machine，M2M）通信技術(shù)，旨在提供一種可靠、智能的機(jī)器通信網(wǎng)絡(luò)，也稱機(jī)器類型通信 （machine type communication，MTC）。不同于以話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主的人與人（human to human，H2H）通信，MTC有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，如：機(jī)器設(shè)備 （machine device，MD）數(shù)量非常龐大、會話持續(xù)時間非常短、單次傳輸數(shù)據(jù)量非常小、對時延和時延抖動不敏感等［1，2］。

通常情況下，在LTE－A 系統(tǒng)中，機(jī)器設(shè)備初次接入網(wǎng)絡(luò)時要執(zhí)行競爭隨機(jī)接入過程，如圖1所示［3－5］。這一過程可以分為4個步驟：①機(jī)器設(shè)備發(fā)送先導(dǎo)序列，為第一次調(diào)度傳輸申請上行資源；②eNode B 響應(yīng)機(jī)器設(shè)備的隨機(jī)接入請求，并給與必要的調(diào)度信息；③機(jī)器設(shè)備發(fā)起第一次調(diào)度傳輸，發(fā)送Layer2／Layer3消息；④eNode B發(fā)送競爭解決消息，成功解碼的機(jī)器設(shè)備反饋肯定的確認(rèn)（ACK）。當(dāng)機(jī)器設(shè)備成功接收到競爭解決消息之后即可認(rèn)為隨機(jī)接入過程結(jié)束，接入成功。

圖1 LTE－A 競爭隨機(jī)接入過程

然而，在添加M2M 應(yīng)用后，無線接入網(wǎng) （radio access network，RAN）中可能存在數(shù)量極其巨大的機(jī)器設(shè)備，如果這些機(jī)器設(shè)備同時發(fā)起接入嘗試，將產(chǎn)生海量的信令交互，造成嚴(yán)重的碰撞、時延和丟包率，而發(fā)生碰撞的機(jī)器設(shè)備不斷發(fā)起重新接入嘗試，將引發(fā)RAN 的擁塞，甚至癱瘓。

文獻(xiàn) ［6］中提出了一些適用于M2M 通信接入控制的改進(jìn)方案，如退避機(jī)制、分時隙接入方案、接入分類攔截（ACB）方案、基于Pull機(jī)制的控制方案、PRACH 資源分離方案和PRACH 資源動態(tài)分配方案等。本文在ACB方案的基礎(chǔ)上，提出了一種基于貝葉斯估計的攔截參數(shù)動態(tài)調(diào)整算法，并在3GPP LTE－A 場景下搭建了M2M 通信模型進(jìn)行計算機(jī)仿真，以評估算法性能。

1 系統(tǒng)模型

根據(jù)接入分類攔截 （ACB）方案，任何機(jī)器設(shè)備都可以劃歸于一個或多個接入分組 （Access Class，AC）。不采用ACB方案時，則所有的分類都可以接入PRACH；采用ACB方案時，系統(tǒng)將通過系統(tǒng)信息塊 （SIB）向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的機(jī)器設(shè)備廣播ACB信息，包括獲準(zhǔn)接入的分組和攔截其他分類的參數(shù)［7，8］。攔截參數(shù)有2個：攔截概率p 和退避時間τ，分別決定了機(jī)器設(shè)備初次接入被準(zhǔn)許的概率和發(fā)起重新接入的最大退避時間。

若某個機(jī)器設(shè)備屬于一個獲準(zhǔn)接入的分類，則此機(jī)器設(shè)備可以發(fā)起PRACH 接被允許接入的分類，則將處于“被攔截”狀態(tài)。獲準(zhǔn)接入分組中的機(jī)器設(shè)備發(fā)起接入時，將產(chǎn)生一個介于 ［0，1）的隨機(jī)數(shù)，如果此隨機(jī)數(shù)小于攔截概率p，則此機(jī)器設(shè)備獲準(zhǔn)接入，否則將被攔截［9］。如果機(jī)器設(shè)備被攔截，則它將在延遲一段時間之后重新發(fā)起接入嘗試。

以機(jī)器設(shè)備發(fā)起RRC初始連接場景為例，假設(shè)獲準(zhǔn)發(fā)起接入嘗試分組中的機(jī)器設(shè)備總數(shù)為N，且這些機(jī)器設(shè)備不會在同一時刻發(fā)起接入，而是在有限的時間TA內(nèi)發(fā)起接入。在t時刻，0≤t≤TA，發(fā)起接入的機(jī)器設(shè)備總數(shù)的概率密度函數(shù)為［5］

假設(shè)在接入持續(xù)時間TA內(nèi)，可用的隨機(jī)接入信道數(shù)為IA。信道的持續(xù)時間小于信道間隔，可以將TA等分為IA個離散的隨機(jī)接入時隙 （接入時隙），第i個時隙的起點(diǎn)為第i個隨機(jī)接入信道，每個時隙的長度為相鄰2個隨機(jī)接入信道之間的 間隔，持 續(xù)時間為 ［ti－1，ti］，且t0＝0，tIA＝TA。隨機(jī)接入信道的時頻結(jié)構(gòu)如圖2所示［10］。

所有的MTC 機(jī)器設(shè)備都可以量化為在某個時隙內(nèi)接入，在時隙i內(nèi)新接入的MTC總數(shù)Ni服從參數(shù)為α，β的Beta分布，記為Ni～Be（ α， β） ，與接入機(jī)器設(shè)備的概率密度函數(shù)和機(jī)器設(shè)備總數(shù)有關(guān)［11］

圖2 隨機(jī)接入信道的時頻結(jié)構(gòu)

如果系統(tǒng)中可用于M2M 通信的先導(dǎo)序列數(shù)為M，第i個接入時隙準(zhǔn)備發(fā)起接入的機(jī)器設(shè)備總數(shù)為Ni，獲準(zhǔn)接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)為Ji，Ji≤Ni，成功發(fā)送的先導(dǎo)序列數(shù)為Ki。當(dāng)Ni＝n時，Ki＝k的概率為P （Ki＝k｜Ni＝n） ，由三部分組成［12］：

（1）Ni＝n個準(zhǔn)備發(fā)起接入的機(jī)器設(shè)備中有Ji＝j(luò)個獲準(zhǔn)接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)，剩下的機(jī)器設(shè)備出于“被攔截”狀態(tài)；

（2）獲準(zhǔn)接入的j個機(jī)器設(shè)備中有k 個發(fā)送的先導(dǎo)序列未重復(fù)，接入成功；

（3）剩下的j－k個機(jī)器設(shè)備因?yàn)檫x擇了重復(fù)的先導(dǎo)序列發(fā)生碰撞。

假設(shè)獲準(zhǔn)發(fā)起接入的Ji個機(jī)器設(shè)備選擇先導(dǎo)序列的概率均等，都為，則第m 個先導(dǎo)序列被某個機(jī)器設(shè)備選中的概率為。則沒有一個機(jī)器設(shè)備選中此先導(dǎo)序列的概率為

接入成功的概率，即僅有一個機(jī)器設(shè)備選中這個先導(dǎo)序列的概率，亦即一個先導(dǎo)序列被成功發(fā)送的概率為

可以看到，接入成功率為等待接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)量和攔截概率的函數(shù)。

我們關(guān)心于攔截概率p 如何取值，使得被成功發(fā)送的先導(dǎo)序列數(shù)最多，也就是使得接入成功的機(jī)器設(shè)備數(shù)最多。為此，我們對被成功發(fā)送的先導(dǎo)序列數(shù)求取均值

將上式對p 求微分，得

由于在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，RAN 中存在的機(jī)器設(shè)備數(shù)量保持穩(wěn)定且數(shù)量巨大，可以視為遠(yuǎn)大于可用的先導(dǎo)序列數(shù)，所以將式 （2）帶入式 （1），得

發(fā)生碰撞的概率，即至少有2個機(jī)器設(shè)備選中同一個先導(dǎo)序列的概率為

當(dāng)?shù)却尤氲臋C(jī)器設(shè)備數(shù)趨近于無窮大時，有

未被攔截的機(jī)器設(shè)備在發(fā)起競爭隨機(jī)接入過程后，先導(dǎo)序列存在3 種狀態(tài)，未被選中、發(fā)送成功或發(fā)生碰撞，因此發(fā)生碰撞的先導(dǎo)序列數(shù)服從多項式分布，即

基于以上分析，如果能夠知道在某一時隙等待接入的機(jī)器設(shè)備總數(shù)，那么就能動態(tài)的調(diào)節(jié)攔截概率，使得該時隙的接入成功率最大。而在實(shí)際系統(tǒng)中，接入分組的機(jī)器設(shè)備總數(shù)是未知的，在某個接入時隙發(fā)起接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)量也是時刻變化的，因此我們引入了一種基于貝葉斯估計的動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制，通過估計當(dāng)前發(fā)起接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)來自適應(yīng)的調(diào)整攔截參數(shù)，以達(dá)到或接近于最佳通過率。

2 競爭終端數(shù)量估計

圖3 隱式馬爾科夫模型

已知給定等待接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)量和發(fā)生碰撞先導(dǎo)序列數(shù)量條件下的后驗(yàn)信息服從狄利克雷分布，則有

式中：δ（）x ——沖擊函數(shù)，當(dāng)x＝0時δ（）x ＝1，當(dāng)x≠0時δ（）x ＝0。

式中：。

根據(jù)前面的分析，，p（ θ｜ ρ，α） 為狄利克雷概率密度函數(shù)，因此有

根據(jù)維特比算法，令

則根據(jù)最大化后驗(yàn)概率準(zhǔn)則，我們可以得到等待接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)的估計值

3 動態(tài)接入攔截 （DAB）方案

動態(tài)接入攔截方案的執(zhí)行過程如圖4所示。如果當(dāng)前時隙為隨機(jī)接入時隙 （一個子幀有2個隨機(jī)接入時隙），機(jī)器設(shè)備可以發(fā)起接入嘗試，否則機(jī)器設(shè)備必須等待下一個隨機(jī)接入時隙的到來。整個接入過程分為4個步驟：

第1步：基站調(diào)用近似MAP算法估計當(dāng)前接入時隙可能的等待接入機(jī)器設(shè)備數(shù)。

第3步：系統(tǒng)通過廣播信道向等待接入的機(jī)器設(shè)備發(fā)送系統(tǒng)信息塊 （SIB），包括分組指示和攔截參數(shù)等。

第4步：等待接入的機(jī)器設(shè)備在發(fā)送先導(dǎo)序列之前，按照ACB方案發(fā)起隨機(jī)接入過程。首先判斷接收到來自eNode B的SIB中包含得分組指示和攔截參數(shù)是否允許自己在當(dāng)前時隙發(fā)起接入，如果獲準(zhǔn)，則向基站發(fā)送資源申請消息；否則，執(zhí)行退避機(jī)制。

圖4 動態(tài)接入攔截方案執(zhí)行過程

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真參數(shù)配置

本文使用MATLAB 搭建了一個添加MTC 的LTE－A系統(tǒng)無線接入網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。根據(jù)文獻(xiàn) ［6］，M2M 設(shè)備到達(dá)時間服從2 種分布類型：均勻分布的到達(dá)時間為60s，Beta分布的到達(dá)時間限定為10s?？晒㎝2M 設(shè)備使用的先導(dǎo)序列數(shù)量為54 （總數(shù)為64）。仿真參數(shù)配置見表1。

根據(jù)第2節(jié)系統(tǒng)模型對隨機(jī)接入過程的分析，我們可以根據(jù)先導(dǎo)序列的狀態(tài)得到如下的3個指標(biāo)：①先導(dǎo)序列發(fā)送成功概率：成功概率定義為eNode B 成功接收的先導(dǎo)序列數(shù)除以該時隙可用的先導(dǎo)序列數(shù)。②先導(dǎo)序列利用率：利用率定義為接入成功的機(jī)器設(shè)備所占用的先導(dǎo)序列數(shù)除以該時隙可用的先導(dǎo)序列數(shù)。③先導(dǎo)序列碰撞概率：碰撞概率定義為發(fā)生碰撞的先導(dǎo)序列數(shù)除以該時隙可用的先導(dǎo)序列數(shù)。由定義可知，成功概率＝利用率＋碰撞概率。

在本文的仿真中，假設(shè)終端發(fā)送的先導(dǎo)序列都能為eNodeB成功接收，則N 個等待接入的終端中有S 個終端接入成功的概率為

表1 仿真參數(shù)配置

其中，M 為該時刻可用的先導(dǎo)序列數(shù)。先導(dǎo)序列的利用率可以表示為發(fā)送成功的先導(dǎo)序列數(shù)與總數(shù)的比值

圖5為不采用任何接入控制解決方案的M2M 通信先導(dǎo)序列利用率、發(fā)送成功概率和碰撞概率。圖5 （a）表明在一個接入時隙內(nèi)，當(dāng)?shù)却尤氲腗2M 設(shè)備總數(shù)等于系統(tǒng)可用的先導(dǎo)序列數(shù)時，先導(dǎo)序列的利用率最大，這與第3節(jié)的分析結(jié)果一致。對比圖5 （b）和圖5 （c）可看出，當(dāng)?shù)却尤氲腗2M 設(shè)備總數(shù)大于系統(tǒng)可用的先導(dǎo)序列數(shù)時，先導(dǎo)序列發(fā)生碰撞的概率逐漸增大，發(fā)送成功的概率不斷減小。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)却尤氲腗2M 設(shè)備總數(shù)過大時，首次接入和重新接入的M2M 設(shè)備可選擇的先導(dǎo)序列越來越少，他們所分配的發(fā)送功率也越來越低，所以被eNodeB檢測到的概率也就越來越低。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖6為采用動態(tài)接入攔截方法的仿真結(jié)果，圖6 （a）為先導(dǎo)序列發(fā)生碰撞的概率，圖中帶三角標(biāo)號的曲線為DAB方法的仿真結(jié)果，帶星型標(biāo)號的曲線為傳統(tǒng)ACB方案的仿真結(jié)果。可以看到隨著等待接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)量的增加，ACB方案曲線快速升高，當(dāng)機(jī)器設(shè)備的數(shù)量等于可用的先導(dǎo)序列數(shù)時，DAB方案曲線趨于穩(wěn)定，而ACB線則持續(xù)增加。而在達(dá)到穩(wěn)定值之前，DAB 方案的碰撞概率高于傳統(tǒng)ACB方案，這是因?yàn)榈却尤氲臋C(jī)器設(shè)備數(shù)較少時，系統(tǒng)會為機(jī)器設(shè)備分配較大的攔截概率，以保證對可用先導(dǎo)序列的利用率，這就造成了同一接入時隙獲準(zhǔn)接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)的增加，發(fā)生碰撞的概率隨之增加。從另一個角度說，采用DAB方案是以犧牲一定的碰撞概率來滿足對先導(dǎo)序列的利用率較高且穩(wěn)定的要求。

圖6 （b）為先導(dǎo)序列被eNodeB 成功接收的概率，也即吞吐量。由圖中可以看到，當(dāng)?shù)却尤氲臋C(jī)器設(shè)備小于或大于可用的先導(dǎo)序列的總數(shù)時，系統(tǒng)吞吐量性能都有所提升。當(dāng)?shù)却尤氲臋C(jī)器設(shè)備數(shù)太大時，系統(tǒng)分配的攔截參數(shù)過小，導(dǎo)致獲準(zhǔn)接入的設(shè)備數(shù)減少，造成了DAB方案 系統(tǒng)吞吐量性能提升的不明顯，但系統(tǒng)中的碰撞并未增加。而ACB方案是因?yàn)榘l(fā)生碰撞的機(jī)器設(shè)備數(shù)急劇增加，這將不可避免的導(dǎo)致接入網(wǎng)擁塞，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。

圖5 先導(dǎo)序列資源利用率、接收成功率和碰撞概率

圖6 采用DAB方案的碰撞概率、吞吐量和利用率

圖6 （c）為先導(dǎo)序列的利用率，可以看到成功接入的設(shè)備在等待接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)等于可用的先導(dǎo)序列數(shù)時達(dá)到穩(wěn)定峰值。當(dāng)?shù)却尤氲臋C(jī)器設(shè)備數(shù)小于可用的先導(dǎo)序列數(shù)時，因?yàn)榇蠖鄶?shù)先導(dǎo)序列沒有得到有效利用而導(dǎo)致利用率降低。但此時的利用率依然高于帶星型標(biāo)號的曲線表示的傳統(tǒng)ACB方案利用率。另一方面，當(dāng)?shù)却尤氲臋C(jī)器設(shè)備數(shù)大于可用的先導(dǎo)序列數(shù)時，因?yàn)镈AB方案動態(tài)的調(diào)整攔截參數(shù)，如第2節(jié)所分析的那樣，利用率能保持在一個較高的穩(wěn)定值上，而傳統(tǒng)的ACB方案卻因?yàn)楂@準(zhǔn)接入的機(jī)器設(shè)備數(shù)的增加，發(fā)生碰撞的概率急劇增大，導(dǎo)致先導(dǎo)序列的利用率亦即設(shè)備成功接入的概率的降低，最終導(dǎo)致系統(tǒng)處于無效的狀態(tài)。

5 結(jié)束語

由于添加機(jī)器類型通信，LTE－A 系統(tǒng)的無線接入網(wǎng)絡(luò)對等待接入的競爭終端數(shù)量是十分敏感的。本文采用了近似MAP算法來估計預(yù)測競爭終端的實(shí)時數(shù)量，以競爭終端數(shù)量的估計值 （近似值）為根據(jù)動態(tài)地調(diào)整ACB 攔截參數(shù)，從而接近理論值。由仿真結(jié)果來看，本文所提出的動態(tài)接入攔截算法在競爭終端發(fā)起接入之前能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測出等待競爭的終端數(shù)量，特別是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，能夠達(dá)到比較理想的性能水平。而且，本文的算法是基于ACB方案做出的改進(jìn)，更具有實(shí)際應(yīng)用價值。

綜上所述，準(zhǔn)確估計出競爭終端的數(shù)量對支持MTC的LTE－A 系統(tǒng)無線接入網(wǎng)絡(luò)的性能有十分顯著的影響。仿真結(jié)果證明：當(dāng)?shù)却尤氲母偁幗K端的數(shù)量十分巨大時，如果能夠根據(jù)此數(shù)量動態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，將極大的提升接入成功率和帶寬利用率。

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