基于波束標記的M2M業(yè)務(wù)建模及性能優(yōu)化

沈愛國，鄭新旺，葉秋波，胡奕彬

(1.集美大學(xué)誠毅學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

M2M機器類通信在5G 物聯(lián)網(wǎng)有著極其廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用在工業(yè)車聯(lián)網(wǎng)、自動化、智能電網(wǎng)、遠程醫(yī)療等網(wǎng)絡(luò)中。在M2M智能設(shè)備數(shù)量指數(shù)級增長、數(shù)據(jù)流量大爆炸的時代，在多天線陣列下采用毫米波頻譜+波束賦形技術(shù)可以支持高速的數(shù)據(jù)率。高效的波束賦形有助于提升頻譜效率[1]，降低系統(tǒng)干擾，增強通信安全性[2]。

5G新技術(shù)的使用，使得數(shù)量不斷膨脹的M2M智能設(shè)備能耗問題日益突出。DRX(discontinuous reception)機制是解決智能設(shè)備能耗的方法之一。在M2M的智能設(shè)備的使用過程中采用休眠機制，降低智能設(shè)備的發(fā)射機使用時間，從而降低智能設(shè)備能耗。DRX休眠機制已經(jīng)在3G、4G通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，取得了不錯的節(jié)能效果[3-5]。5G場景下的DRX機制，需要考慮波束賦形等技術(shù)帶來的不利影響。文獻[6]提出一種UM尋呼機制結(jié)合DRX的方案，降低了5G基站與智能設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)負載與信令開銷，進而降低了功耗。文獻[7]的DRX方案是從波束策略上進行優(yōu)化，波束賦形時一旦找到最優(yōu)波束對就停止搜索，而不是進行全波束搜索，從而減少波束搜索次數(shù)，降低波束賦形的時間。文獻[8]采用了4G/5G核心網(wǎng)互操作下的混合H-DRX機制，當(dāng)4G核心網(wǎng)發(fā)現(xiàn)5G數(shù)據(jù)到達時，發(fā)送波束賦形提示信息給5G智能終端，從而減少不必要的波束賦形并節(jié)約能耗，但是智能設(shè)備需要與4G和5G網(wǎng)絡(luò)同時保持連接，無形中也會另外增加一定的功耗。文獻[9]展示了一種波束感知結(jié)合MAC層調(diào)度的方法，當(dāng)基站在進行數(shù)據(jù)調(diào)度時，該方法充分考慮信道測量與數(shù)據(jù)傳輸之間的時間間隔，采取的策略是根據(jù)信道測量結(jié)果進行調(diào)度，而不是在每個時隙都進行調(diào)度。文獻[10]在D2D結(jié)構(gòu)的無人機場景下，提出一種快速波束跟蹤DRX機制，重點從休眠率和平均分組時延去分析系統(tǒng)性能。文獻[11]在5G的DRX機制下，采用了波束訓(xùn)練加反饋的方法，并指出DRX狀態(tài)頻繁的波束賦形是沒有必要的。為此，本文提出在M2M多波束毫米波場景下基于最優(yōu)波束標記的DRX休眠機制(M-DRX)，以期減少不必要的波束賦形。

1 波束賦形與波束標記

由于頻譜資源有限，5G設(shè)備需要工作在更高的頻段。與3G、4G的頻段相比，5G毫米波通信需要克服巨大的路徑損耗。而毫米波天線陣列采用波束賦形的技術(shù)能夠聚焦窄波束，集中朝目標方向傳播，從而減少路徑損失，降低干擾，提高空間能力。

波束賦形的目的是通過收發(fā)雙方的波束搜索，找到收發(fā)雙方的一對最優(yōu)波束，建立信道連接進行數(shù)據(jù)和信令的傳輸。如果直接將LTE-DRX休眠機制(D-DRX)運用到5G毫米波場景中，系統(tǒng)節(jié)能性能會下降。因為每次休眠結(jié)束時，都需要進行波束賦形并建立信道連接，這是非常耗時的。為了減少不必要的波束賦形，本文采用的波束策略是：對5G基站TX(transmitter)與智能設(shè)備RX(receiver)雙方天線進行波束賦形，找到最優(yōu)波束配對Bi并建立連接，同時對該波束對Bi打上標記，以便在DRX休眠狀態(tài)下優(yōu)先使用該波束對進行數(shù)據(jù)和信令傳輸。

2 基于波束標記的不連續(xù)接收機制(M-DRX)

本文配置一種基于波束標記的不連續(xù)接收休眠機制(M-DRX)。如圖1所示，在RX與TX進行毫米波通信時，首先通過波束賦形尋得Bi，建立毫米波信道無線資源連接，從而進行高速數(shù)據(jù)傳送。在激活期，無數(shù)據(jù)傳輸，RX啟動去激活定時器ti。此時，當(dāng)波束無失準時，若ti超時，則轉(zhuǎn)入短休眠期，啟動短休眠定時器ts，否則轉(zhuǎn)入激活期；當(dāng)波束失準時，即轉(zhuǎn)入波束賦形狀態(tài)。在DRX短休眠期，當(dāng)波束無失準時，若ts超時，無數(shù)據(jù)到達，則轉(zhuǎn)入長休眠期，啟動長休眠定時器tl，否則轉(zhuǎn)入激活期；當(dāng)波束失準時，即轉(zhuǎn)入波束賦形狀態(tài)。在DRX長休眠期，若波束無失準，tl超時，無數(shù)據(jù)到達，則繼續(xù)留在長休眠期重啟tl；若波束失準，則轉(zhuǎn)入波速賦形狀態(tài)。

在M2M的場景下，本文所述的波束失準有兩種情況：第一種,各個RX是競爭接入TX信道中的，處于休眠時的RX的Bi，有可能被其他RX占用，造成當(dāng)前波束失準，需要進行波束賦形，尋取最優(yōu)波束對Bj；第二種，在DRX狀態(tài)下建立Bi連接后，由于環(huán)境的變化，可能造成當(dāng)前信道質(zhì)量急劇下降，從而造成當(dāng)前波束失準，需要波束賦形，即重新選取最優(yōu)波束對Bj。文獻[12]描述了DRX狀態(tài)下，智能設(shè)備移動速度與波束失準概率的關(guān)系：RX移動速度為30 km/h時，當(dāng)DRX的短循環(huán)休眠間隙為100 ms，波束出現(xiàn)失準的概率為0.1；當(dāng)DRX的短循環(huán)休眠間隙為400 ms時，波束失準概率不到0.3。RX速度為60 km/h時，當(dāng)DRX的短循環(huán)休眠間隙為100 ms時，波束出現(xiàn)失準的概率約為0.18；當(dāng)DRX的短循環(huán)休眠間隙為400 ms時，波束失準概率約為0.45。這說明，在DRX機制下，智能設(shè)備正常移動時出現(xiàn)波束失準的概率是很低的。因此，如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定，RX移動性不高，Bi更新的可能性會很小，波束失準的概率則更低。

3 模型分析

在M2M場景下，從TX到達RX的數(shù)據(jù)在時間上是隨機的，假設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達RX的過程服從參數(shù)為λ的泊松分布，則參數(shù)λ稱為數(shù)據(jù)到達率。那么，數(shù)據(jù)到達RX的時間間隙tλ服從均值為1/λ的指數(shù)分布，表示無數(shù)據(jù)到達。由于RX的移動或者通信信道環(huán)境的急劇變化，波束失準在所難免。為了便于分析，本文假定波束失準事件的發(fā)生過程服從參數(shù)為α的泊松分布，α表示波束失準率。波束失準率反映了單位時間內(nèi)，發(fā)生波束失準的次數(shù)，它代表的是速率，而不是概率。在5G的M2M環(huán)境中，假設(shè)5G基站的波束是可以覆蓋本小區(qū)內(nèi)所有的智能設(shè)備，也就是說波束失準后的波束賦形是可以重新找到波束對來建立上下行信道連接。

基于上述假設(shè)，依據(jù)M-DRX休眠機制，本文建立4個狀態(tài)的半馬爾科夫過程模擬M-DRX，分析在不同參數(shù)下休眠機制的節(jié)電性能和數(shù)據(jù)到達時延。如圖2所示，定義了4種馬爾科夫狀態(tài)：S1表示RX處于激活期，S2表示RX處于短休眠期，S3表示RX處于長休眠期，S4表示RX處于波束成形狀態(tài)。

狀態(tài)S1下，RX處于激活期，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)到達RX的時候，開啟去激活計時器。在去激活計時器超時前，波束存在失準與校準成功兩種可能。如果波束失準，則轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S4，轉(zhuǎn)移概率為p14；如果波束無失準，存在有數(shù)據(jù)到達和無數(shù)據(jù)到達RX的兩種情況。有數(shù)據(jù)到達，RX則繼續(xù)待在S1，轉(zhuǎn)移概率為p11；無數(shù)據(jù)到達，則轉(zhuǎn)移到短休眠狀態(tài)S2，轉(zhuǎn)移概率為p12。那么這三個轉(zhuǎn)移概率的計算公式分別為：p11=(1-e-λti)e-αti，p12=e-λtie-αti=e-(α+λ)ti，p14=1-e-αti。

狀態(tài)S2下，RX處于短休眠期，在短休眠定時器ts超時前，同樣存在波束失準與無失準兩種可能。當(dāng)波束失準時，則轉(zhuǎn)移到波束賦形狀態(tài)S4，轉(zhuǎn)移概率為p24。當(dāng)波束無失準時，若無數(shù)據(jù)到達RX，則轉(zhuǎn)移到長休眠狀態(tài)S3，轉(zhuǎn)移概率為p23；若有數(shù)據(jù)到達RX，則轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S1，轉(zhuǎn)移概率為p21。那么，p21=(1-e-λts)e-αts，p23=e-λtse-αts=e-(λ+α)ts，p24=1-e-αts。

狀態(tài)S3下，RX處于長休眠期，在長休眠定時器tl超時前，也存在波束失準與無失準兩種可能。一旦波束失準就轉(zhuǎn)移到狀態(tài)波束賦形S4，轉(zhuǎn)移概率為p34。而在波束無失準狀態(tài)下，若無數(shù)據(jù)到達RX，則繼續(xù)停留在長休眠期，重啟長休眠定時器，轉(zhuǎn)移概率為p33；若有數(shù)據(jù)到達RX，則轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S1，轉(zhuǎn)移概率為p31。那么，p31=(1-e-λtl)]e-αtl，p33=e-λtle-αtl=e-(λ+α)tl，p34=1-e-αtl。

狀態(tài)S4下，RX處于波束賦形狀態(tài)，重新搜索最優(yōu)波束對，并打上標記，建立毫米波通信信道連接，進入激活狀態(tài)S1，轉(zhuǎn)移概率為p41，那么p41=1。

RX的功耗取決于RX在每個馬爾科夫狀態(tài)所消耗的時間。激活狀態(tài)的停留時間越長，機器消耗的功耗越高。本文用Ti(i∈{1,2，3，4})表示DRX的馬爾科夫狀態(tài)S1—S4的停留時間。

其中，P表示概率。

狀態(tài)S4表示波束搜索到波束配對成功的過程，時間tm主要取決于波束對的數(shù)量和特定的波束搜索和反饋算法。本研究認為這一過程的時間是確定的，可得E[T4]=tm。

整個DRX的休眠機制必然會導(dǎo)致一定的傳輸時延，使得一些需要發(fā)送給機器的數(shù)據(jù)處于基站的緩存中等待發(fā)送，那么時延主要發(fā)生于休眠狀態(tài)和波束賦形狀態(tài)。本研究認為基站發(fā)送給機器的數(shù)據(jù)，機器在激活狀態(tài)可以及時處理，那么傳輸時延就可以理解為：基站準備發(fā)送數(shù)據(jù)，而機器處于休眠狀態(tài)或者波束賦形狀態(tài)。本文用di(i{2,3,4})表示DRX的馬爾可夫鏈狀態(tài)S2—S4相對應(yīng)的時延，那么總的平均等待時延E[D]=π2E[d2]+π3E[d3]+π4E[d4]。

狀態(tài)S3下的時延分析方法與S2類似，可得E[d3]=(tdl-τ)-(1-e-λ(tdl-τ))/λ)。

在狀態(tài)S4，因為波束賦形時數(shù)據(jù)在TR的緩存中待發(fā)送，本研究認為波束賦形的時間是相同的，那么E[d4]=tm-(1-e-λtm)/λ。

4 仿真分析

本文使用MATLAB R2016a進行數(shù)值仿真，仿真參數(shù)設(shè)置如下：μp=25，Ns=Nl=10，ti=20 ms，τ=20 ms，5G無線幀結(jié)構(gòu)長度L=10 ms，傳輸時間間隔(transmission time interval，TTI)為1 ms。TR的發(fā)射波束M=16個波束(波瓣30°)，TX的發(fā)射波束N=4個波束(波瓣45°)。進行波束賦形的時候，收發(fā)雙方需要掃描M×N=32個波束對，從中找到最優(yōu)波束對，需要的時間為M×N×L=320 ms。一旦確認了最優(yōu)波束電平，波束賦形找到最優(yōu)波束就停止，即所需要的統(tǒng)計時間均值為M×N×L/2=160 ms，這個值是本文采用的波束賦形時間E[T4]=tm。

圖3描述了波束失準率在不同參數(shù)設(shè)置下對DRX節(jié)能性能的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)到達率一定時，DRX的節(jié)能效果是隨著失準率的增大而降低，隨著休眠周期長度的增加而提高的。在相同的條件下，M-DRX的節(jié)能性能優(yōu)于D-DRX。在低波束失準率下，不同休眠周期的M-DRX的節(jié)能效果比較接近，但是隨著波束失準率的增加，休眠周期長的M-DRX的節(jié)能效果比較明顯優(yōu)于休眠周期短的M-DRX。

圖4分析了數(shù)據(jù)到達率在不同參數(shù)設(shè)置下對DRX節(jié)能性能的影響。在波束失準率一定時，DRX的節(jié)能性能隨著數(shù)據(jù)到達率的增加而急劇降低，而當(dāng)?shù)竭_率增到一定程度時，節(jié)能性能趨于平緩。在相同的參數(shù)設(shè)置下，M-DRX的節(jié)能性能遠優(yōu)于D-DRX。

圖5和圖6分別展示了波束失準率和數(shù)據(jù)到達率在不同參數(shù)設(shè)置下對數(shù)據(jù)時延的影響。

由圖5、圖6可知，在數(shù)據(jù)到達率一定的情況下，數(shù)據(jù)時延是隨著波束失準率的增大而增加，隨著休眠周期長度的增加而增加。在相同休眠周期設(shè)置下，M-DRX的時延效果優(yōu)于D-DRX。在波束失準率一定的情況下，數(shù)據(jù)時延隨著數(shù)據(jù)到達率的增加而降低；而當(dāng)?shù)竭_率增到一定程度，時延性能趨于平緩。在相同的參數(shù)設(shè)置下，M-DRX的數(shù)據(jù)時延性能優(yōu)于D-DRX。

總體而言，M-DRX時延和省電性能都優(yōu)于D-DRX。當(dāng)波束失準率和數(shù)據(jù)到達率越大時，對節(jié)能越不利。波束失準率越大，時延越長；數(shù)據(jù)到達率越大，時延越短。時延和節(jié)能是對矛盾體，參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)具體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求來定。

5 結(jié)論

除了車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等個別場景有超低時延需求，5G毫秒級的時延是可以滿足絕大數(shù)M2M物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求的。在毫秒級時延的基礎(chǔ)上，能效更需關(guān)注。本文給出的毫米波場景下基于波束標記的DRX機制，是在出現(xiàn)波束失準時才進行波束賦形，避免了不必要的波束賦形。在低波束失準率和低數(shù)據(jù)到達率的情況下，本文方案能夠有效縮短DRX的時延和提升節(jié)能性能。下一步的研究方向，將考慮從靈活的5G幀結(jié)構(gòu)長度入手，研究降低波束賦形時間，進而降低能耗。