基于ACB機制的組尋呼擁塞控制方法*

魏成強，王 聰，李 寧，陳彥成

（1.陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

M2M（Machine-to-Machine，M2M）通信是指在不需要或極少需要人干預(yù)的情況下，通過各種無線接入技術(shù)，實現(xiàn)機器與機器之間的信息交互。隨著科技的發(fā)展，M2M設(shè)備數(shù)量急劇增加。根據(jù)Gartner公司統(tǒng)計，到2020年通過機器對機器（M2M）連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將達到204億臺[1]，最終它們將作為物聯(lián)網(wǎng)終端接入互聯(lián)網(wǎng)[2-3]。

在LTE/LTE-A網(wǎng)內(nèi)，通信服務(wù)應(yīng)當優(yōu)先滿足H2H設(shè)備通信[4]。但是，隨著大規(guī)模M2M設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，嚴重影響了H2H通信的服務(wù)質(zhì)量。針對此問題，很多學(xué)者做了大量研究工作，主要將擁塞控制機制分為基于推和基于拉兩種方法[5]。在基于推的方案中，采用多種不同機制，如RACH（Random Access Channel，RACH）資源的分離、RACH資源的動態(tài)分配、M2M通信特有的回退機制以及ACB（Access Class blocking，ACB）機制等。在采用RACH資源分離的方法中，當M2M與H2H（Human-to-Human，H2H）共享資源時，由于M2M設(shè)備的數(shù)量巨大，會對H2H的服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。將RACH資源劃分為M2M和H2H兩部分，即使部署了大量M2M設(shè)備，也不會影響H2H通信質(zhì)量。這種分離可以通過不同方式實現(xiàn)，如時間、頻率、前導(dǎo)碼資源的分離或它們的混合。RACH資源的動態(tài)分配是對之前靜態(tài)分配資源的一種改進，基站根據(jù)數(shù)據(jù)流量動態(tài)為M2M和H2H分配資源。這種方法雖然更好地處理了擁塞問題，但只能在網(wǎng)絡(luò)知道M2M設(shè)備需要發(fā)送信息的時間 時使用。

本文針對基于拉的方法中的組尋呼機制[5]進行研究。在組尋呼機制內(nèi)，基站根據(jù)QoS（Quality of Service，QoS）需求將設(shè)備分成不同的組，并為每一個分組分配ID，稱為GID（Group ID，GID）。當組內(nèi)設(shè)備收到尋呼消息后，所有設(shè)備同時發(fā)起隨機接入進程[6]。由于基于競爭的隨機接入過程中前導(dǎo)碼資源有限，當兩個以上設(shè)備選擇相同的前導(dǎo)碼時，則發(fā)生沖突。大規(guī)模M2M設(shè)備的接入，使沖突的概率驟增，嚴重影響網(wǎng)絡(luò)性能和H2H通信質(zhì)量。對此，文獻[7]提出連續(xù)組尋呼方法，通過重復(fù)尋呼間隔，提高設(shè)備的接入成功率；文獻[8]提出通過嚴格的時隙調(diào)度來控制M2M設(shè)備的接入；文獻[9]中提出預(yù)回退機制，設(shè)備接入前被強制回退一定的時間，減少了同時接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量。

本文提出一種基于ACB機制的組尋呼擁塞控制方法，將ACB機制和組尋呼方法結(jié)合，減少同時訪問網(wǎng)絡(luò)的M2M設(shè)備數(shù)量，從而提高接入成功率，提高網(wǎng)絡(luò)性能。本文安排如下：第1部分介紹ACB機制和隨機接入過程；第2部分討論基于ACB機制的組尋呼擁塞控制方法；第3部分進行性能分析；最后總結(jié)全文。

1 ACB機制和隨機接入過程

1.1 ACB機制

ACB機制作為一種擁塞控制機制，在2G/3G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)已經(jīng)被研究使用[10]。在LTE/LTE-A中，ACB機制由禁止參數(shù)（ac_BarringFactor）和禁止時間（ac_BarringTime）參數(shù)組成[11]。這兩個參數(shù)由基站通過系統(tǒng)信息通知參與競爭的設(shè)備（包含H2H和M2M）。在設(shè)備發(fā)起基于競爭的隨機接入進程前，首先根據(jù)系統(tǒng)信息判定所在的組是否被禁止。沒有被禁止，則組內(nèi)所有設(shè)備都可以同時發(fā)起隨機接入進程；否則，組內(nèi)每個設(shè)備在0～1之間隨機選擇一個數(shù)值，然后與基站廣播的ACB機制的禁止參數(shù)進行比較，如果小于參數(shù)值，設(shè)備發(fā)起隨機接入進程。相反，則被強制回退一定的禁止時間，直到禁止時間為0，該設(shè)備重新選擇一個隨機數(shù)進行判定。工作原理如圖1所示。

圖1 ACB機制

1.2 隨機接入過程

基于競爭的隨機接入過程如圖2所示。

1.2.1 前導(dǎo)碼傳輸（Msg1）

設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)廣播消息確定物理隨機接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）的位置和可用的前導(dǎo)碼集合，隨機選擇一個前導(dǎo)碼發(fā)送到基站，由基站進行前導(dǎo)碼的檢測。

圖2 LTE競爭隨機接入過程

1.2.2 隨機接入響應(yīng)（Msg2）

基站在檢測到前導(dǎo)碼后，在規(guī)定的響應(yīng)窗口內(nèi)向設(shè)備發(fā)送隨機接入響應(yīng)消息（Random Access Response，RAR）。如果設(shè)備在規(guī)定時間內(nèi)沒有成功收到Msg2，設(shè)備將判定本次隨機接入請求失敗，并進行回退重傳。

1.2.3 上行調(diào)度請求（Msg3）

基站成功接收到Msg2后，將在指示信道發(fā)送Msg3，內(nèi)容包括C-RNTI、連接建立請求和資源調(diào)度請求。由于發(fā)生前導(dǎo)碼沖突的設(shè)備被分配給了相同的上行信道，基站將無法對Msg3進行譯碼并做出響應(yīng)，即基站不會向存在沖突的UE發(fā)送Msg4。

1.2.4 競爭解決（Msg4）

基站在成功對Msg3譯碼后發(fā)送給設(shè)備確認消息，表明隨機接入完成，設(shè)備成功建立連接，之后設(shè)備可以發(fā)送數(shù)據(jù)。如果設(shè)備在定時超時后沒有收到Msg4，則判定本次隨機接入請求失敗并進行重傳。

2 基于ACB機制的組尋呼擁塞控制方法

2.1 系統(tǒng)模型

本文假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個小區(qū)，小區(qū)內(nèi)有M個M2M設(shè)備?；緸榛诟偁幍碾S機接入過程保留了R個前導(dǎo)碼資源，則總的可用資源數(shù)量被稱為隨機接入機會（Random Access Opportunities，RAOs）等于每個隨機接入時隙內(nèi)頻帶的數(shù)量與前導(dǎo)碼的數(shù)量的乘積。由隨機接入機會構(gòu)成的序列被稱為隨機接入信道（Random Access Channel，RACH）。假設(shè)每個接入時隙內(nèi)只有一個頻帶，即總得可用資源數(shù)量RAOs等于前導(dǎo)碼的數(shù)量。

當設(shè)備所在的組收到尋呼消息后，取代傳統(tǒng)組尋呼機制中組內(nèi)所有設(shè)備同時發(fā)起隨機接入進程?；臼紫葘⑴c競爭的M2M設(shè)備均勻分布到整個尋呼周期的每個隨機接入時隙內(nèi)，然后根據(jù)每個時隙內(nèi)參與競爭的設(shè)備數(shù)量（包含第一次嘗試連接的設(shè)備數(shù)和之前時隙內(nèi)發(fā)起隨機接入進程失敗的設(shè)備）和可用資源數(shù)動態(tài)調(diào)整ACB機制的參數(shù)值，控制同時接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量，從而達到緩解擁塞的效果。

2.2 傳統(tǒng)組尋呼機制

在組尋呼內(nèi)，每個組被分配一個ID，被稱為GID。設(shè)備根據(jù)GID接收尋呼消息后，在物理隨機接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）上發(fā)送前導(dǎo)碼，等待TRAR+WRAR時間來確認發(fā)送的前導(dǎo)碼是否發(fā)生沖突。其中，TRAR表示基站處理時延，WRAR表示隨機接入響應(yīng)窗口。窗口長度表示窗口內(nèi)包含隨機接入響應(yīng)消息（Random Access Response，RAR）的數(shù)量，其中每個RAR內(nèi)又包含NRAR個確認消息。因此，每個隨機窗口內(nèi)確認信息的數(shù)量為NACK=NRAR×WRAR。

當收到尋呼消息后，組內(nèi)所有設(shè)備在第一個可用的隨機接入時隙內(nèi)同時發(fā)起隨機接入進程。根據(jù)文獻[12]，第一次前導(dǎo)碼傳輸后，成功和沖突的M2M設(shè)備數(shù)量分別為：

式中，i表示尋呼周期內(nèi)隨機接入時隙的序號，p表示設(shè)備所傳輸?shù)那皩?dǎo)碼被基站檢測到的概率。第一次傳輸?shù)那皩?dǎo)碼被基站檢測到的概率為p1=1-e-1，則第n次傳輸?shù)那皩?dǎo)碼被基站檢測到的概率為pn=1-e-n。Mi,s表示在隨機接入時隙i內(nèi)成功傳輸前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)量，Mi,c表示在隨機接入時隙i內(nèi)前導(dǎo)碼沖突的設(shè)備數(shù)量

前導(dǎo)碼傳輸過程中發(fā)生沖突的設(shè)備，遵循回退機制，均勻分布在回退窗口WBO內(nèi)[12]，等待進行第二次傳輸，如圖3所示。

圖3 各個隨機接入時隙內(nèi)第一次和第二次進行前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)量

根據(jù)文獻[12]，回退窗口WBO中第一個隨機接入時隙a內(nèi)進行第二次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)量占重傳設(shè)備總數(shù)量的比例?a為：

式中，TRA_REP表示兩個連續(xù)隨機接入時隙之間的間隔?；赝舜翱赪BO中bc間的每個隨機接入時隙內(nèi)進行第二次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)量占重傳設(shè)備總數(shù)量的比例為：

回退窗口WBO中第一個隨機接入時隙d內(nèi)進行第二次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)量占重傳設(shè)備總數(shù)量的比例為：

Kmax表示bc內(nèi)隨機接入時隙的最大數(shù)量，由于整個回退窗口WBO內(nèi)進行第二次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備總數(shù)是第一次前導(dǎo)碼傳輸產(chǎn)生沖突的設(shè)備數(shù)，即在回退窗口WBO中每個隨機接入時隙內(nèi)進行重傳的設(shè)備數(shù)量為：

假設(shè)每個隨機入時隙內(nèi)參與第一次前導(dǎo)碼傳輸設(shè)備數(shù)量相同，則每個隨機時隙將產(chǎn)生與圖3相同的前導(dǎo)碼傳輸圖形，后面每個隨機接入時隙內(nèi)進行第二次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)是前面隨機接入時隙內(nèi)第一次前導(dǎo)碼傳輸發(fā)生沖突數(shù)量在本時隙內(nèi)的累積和，如圖4所示。從圖4可以看出，當每個時隙內(nèi)總得設(shè)備數(shù)量和成功的設(shè)備數(shù)量恒定時，每個時隙的回退窗口的累積部分等于回退窗口，即Mi,c[n]=Mi[n+1]。

圖4 第二次前導(dǎo)碼傳輸每個隨機接入時隙內(nèi)回退窗口的累積部分

每個隨機接入時隙內(nèi)，參與競爭的設(shè)備中包含新到達的設(shè)備（進行第一次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備）和之前時隙內(nèi)發(fā)生沖突在本時隙進行重傳的設(shè)備。由于每個設(shè)備最大可進行NPTmax次傳輸，則每個隨機接入時隙內(nèi)進行第n次前導(dǎo)碼傳輸設(shè)備數(shù)量[13]為：

方程式中Mk,c[n-1]表示在k時隙內(nèi)進行第n-1次前導(dǎo)碼傳輸失敗的設(shè)備數(shù)量，這些設(shè)備在時隙i內(nèi)進行第n次重傳。Kmin、Kmax分別表示能夠在時隙i進行重傳的最小和最大的k值。Kmin、Kmax分別表示為：

αk,i表示在時隙內(nèi)k傳輸前導(dǎo)碼失敗的設(shè)備在時隙i進行重傳的比例，則αk,i為：

每個隨機接入時隙i內(nèi)進行第n次前導(dǎo)碼傳輸成功的設(shè)備數(shù)量Mi,s[n]為：

方程中，Mi,s表示時隙i內(nèi)傳輸前導(dǎo)碼成功的M2M設(shè)備總數(shù)量，即則隨機接入時隙i內(nèi)進行第n次前導(dǎo)碼傳輸失敗的M2M設(shè)備數(shù)量分別為：

2.3 基于ACB機制的組尋呼擁塞控制方法

在所提的機制內(nèi)，當組內(nèi)設(shè)備收到尋呼消息發(fā)起隨機接入進程前，基站首先將參與競爭的M2M設(shè)備均勻分布到整個尋呼周期內(nèi)的各個隨機接入時隙內(nèi)，則每個隨機接入時隙內(nèi)新到達的設(shè)備數(shù)為：

Marv表示每個隨機接入時隙內(nèi)新到達的設(shè)備數(shù)，即每個隨機接入時隙內(nèi)進行第一次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)，Marv=Mi[1]。Imax表示尋呼周期內(nèi)隨機接入時隙的最大序號。

然后，根據(jù)式（7）～式（10）得出隨機時隙i內(nèi)第n次傳輸前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)量。將式（7）內(nèi)得出的值代入式（15），得出隨機接入時隙i內(nèi)進行前導(dǎo)碼傳輸?shù)目傇O(shè)備數(shù)Mi，如圖5所示。

圖5 隨機接入時隙i內(nèi)第n次傳輸前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)量及該時隙內(nèi)傳輸前導(dǎo)碼的設(shè)備總數(shù)（NPTmax=5）

根據(jù)文獻[14]，計算ACB機制的禁止參數(shù)ac_BarringFactor，即取每個隨機接入時隙內(nèi)可用的前導(dǎo)碼數(shù)量和參與競爭的設(shè)備數(shù)量之比與1之間的最小值：

最后，通過式（17）達到動態(tài)控制每個隨機接入時隙內(nèi)參與競爭的設(shè)備數(shù)量。

3 性能分析

3.1 性能指標

采用如表1所示的參數(shù)對GP機制、PBO機制和本文所提機制進行仿真，并通過成功率、沖突率、資源利用率和平均訪問延遲來評估上述三種方案的性能。

表1 仿真參數(shù)

其中，成功率PS指在最大前導(dǎo)碼傳輸次數(shù)以內(nèi)完成整個隨機接入過程的設(shè)備數(shù)量除以總的設(shè)備數(shù)量（包含激活和睡眠的設(shè)備）。

沖突率PC指兩個或多個MTC設(shè)備以相同的前導(dǎo)碼在相同的頻帶上發(fā)送隨機訪問嘗試的事件發(fā)生次數(shù)與基站保留的RAOs總數(shù)之比[15]，即發(fā)生沖突的RAOs總數(shù)與保留的RAOs總數(shù)之比。在每個隨機接入時隙內(nèi)，發(fā)生沖突的RAOs等于基站保留的RAOs（R）減去成功的RAOs（Mie-Mi/R）和空閑的RAOs（Re-Mi/R）[16]，則沖突率PC為：

資源利用率RU指成功的MTC設(shè)備總數(shù)與總的可用資源的比值。

平均時延指設(shè)備成功完成隨機接入過程的平均時間，即完成隨機接入過程的設(shè)備的總時延除以完成隨機接入過程的設(shè)備的總數(shù)。Ti表示在時隙i false內(nèi)發(fā)起隨機接入過程并完成前導(dǎo)碼傳輸和信息傳輸?shù)脑O(shè)備時延[17]。

3.2 結(jié) 果

從接入成功率仿真結(jié)果來看（見圖6），當大規(guī)模M2M設(shè)備接入后，接入成功率都在下降，且當M=1 000時，組尋呼機制和預(yù)回退機制下降幅度巨大。相比較而言，本文所提機制下降較為平緩，當M=4 500時，接入成功率仍能保持在15%以上。

如圖7所示，本文所提機制很好地緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，沖突率隨著M2M設(shè)備數(shù)量的增加而略有增加，增加幅度緩慢，最后將網(wǎng)絡(luò)沖突率控制在30%以下。然而，對于較小的群組，組尋呼機制和預(yù)回退機制的沖突概率較小。隨著M2M設(shè)備的增加，組尋呼機制較預(yù)回退機制的沖突率更高，兩種機制沖突率增長迅速。當M=1 000時，兩種機制的沖突率在60%左右；隨著設(shè)備增多趨于穩(wěn)定后，都接近80%左右。

圖6 接入成功率

圖7 沖突率

如圖8所示，從資源利用率來看，當MTC設(shè)備數(shù)量比較小時，組尋呼機制的資源利用率比預(yù)回退機制要好；當M=750時，預(yù)回退機制取得了一定改善；而當MTC設(shè)備數(shù)量較大時，預(yù)回退機制的行為幾乎與組尋呼機制相同。但是，當超過 M＞2 000時，兩種機制資源利用率都會降低，且低于5%。與兩種機制相比，本文所提機制實現(xiàn)了較高的資源利用率。尤其是當MTC設(shè)備數(shù)量較大時，本文所提機制的資源利用率保持在25%左右，與組尋呼和預(yù)回退機制的差異均大于20%。

圖9顯示了訪問成功的M2M設(shè)備的平均訪問延遲。當組較小，NPTmax=10時，組尋呼和預(yù)回退機制平均訪問延遲幾乎相同，本文所提方法的平均訪問延遲是前兩種方法的一倍。但是，隨著組內(nèi)設(shè)備的增多，本文所提方法訪問延遲趨于穩(wěn)定，且低于前面兩種方法。此外，不同NPTmax值的平均訪問延遲也不相同。NPTmax越小，平均訪問延遲越低。

圖8 資源利用率

圖9 平均訪問時延

4 結(jié) 語

為了提高組尋呼的性能，本文提出了一種基于ACB機制的組尋呼擁塞控制方法。通過對所提機制與組尋呼、預(yù)回退機制的仿真結(jié)果進行對比可以看出，所提機制在成功率、沖突率以及資源利用率等方面都有顯著提高，且更適用于大規(guī)模M2M設(shè)備的接入，緩解了網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。