機(jī)器型通信(M2M)的負(fù)荷控制研究

張 俊, 董建萍

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

0 引 言

近年來(lái),機(jī)器性通信(Machine Type Communnication,MTC),也可以稱之為(Machine To Machine),已成為工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化方面比較熱的一個(gè)話題,是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前存在的形式[1].MTC就是在沒有或者很少的人為干預(yù)條件下,機(jī)器與機(jī)器之間通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信.這種應(yīng)用已經(jīng)充滿人們的生活,例如:車輛交通、健康醫(yī)療、智能能源和城市自動(dòng)化方面等等.M2M應(yīng)用在未來(lái)會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)人與人之間通信的應(yīng)用,據(jù)美國(guó)的咨詢機(jī)構(gòu)FORRESTER估計(jì)和預(yù)測(cè),到2020年,世界上物與物之間的通信業(yè)務(wù)是人與人之間通信業(yè)務(wù)的30倍.市場(chǎng)研究公司IDC預(yù)測(cè)估計(jì)[2],到2020年,全球至少有500億臺(tái)M2M設(shè)備會(huì)連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中,由此可見M2M市場(chǎng)蘊(yùn)藏著巨大的潛力和商機(jī).另一方面,這種覆蓋范圍廣泛的應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn),例如可能面臨著大量的MTC終端被布置在一些特定的場(chǎng)所這一實(shí)際情形.因此當(dāng)這些龐大的機(jī)器終端同時(shí)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)接入請(qǐng)求時(shí),會(huì)有大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送和信令的交互,這就可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擁塞,網(wǎng)絡(luò)擁塞主要包括接入網(wǎng)部分和信令網(wǎng)部分[3].而對(duì)于終端用戶來(lái)說(shuō)可能就會(huì)體驗(yàn)較長(zhǎng)的時(shí)延、丟包,甚至無(wú)效服務(wù)等,因此應(yīng)用時(shí)間級(jí)上的分布機(jī)制對(duì)于上行鏈路負(fù)載控制、性能增強(qiáng)是很必要的.EAB(Extended Access Barring)機(jī)制[4-5]是一種有目的地控制用戶是否可以接入網(wǎng)絡(luò)防止接入網(wǎng)和信令網(wǎng)負(fù)載的方法,在擁塞的情況下,網(wǎng)絡(luò)可以阻止那些配置EAB的MTC設(shè)備訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況判斷應(yīng)用EAB機(jī)制時(shí),會(huì)通過(guò)廣播控制信道(BCCH)來(lái)廣播EAB的參數(shù)信息,從而對(duì)MTC終端是否接入進(jìn)行控制,EAB被認(rèn)為是能夠控制潛在的觸發(fā)型業(yè)務(wù)負(fù)載的一種方案,EAB的主要思想就是對(duì)終端用戶劃分接入等級(jí),基站根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷控制終端接入.對(duì)于周期性數(shù)據(jù)傳送的情況下,各個(gè)M2M接入的時(shí)間較為分散,類似于均勻分布,所以性能比較理想,但是對(duì)于觸發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下,這種機(jī)制雖然能減少發(fā)起網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的MTC終端數(shù)目,但是不能打散他們集中接入.所以對(duì)于提高系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并不是特別的理想,有必要提出一種來(lái)打散這種集中接入的時(shí)間分布機(jī)制[6].

1 M2M隨機(jī)接入擁塞分析

1.1 EAB機(jī)制

EAB機(jī)制的內(nèi)容是采用MTC終端的接入等級(jí)和阻攔位圖相結(jié)合的方式[7],在UMTS系統(tǒng)中,RRC層和MAC層執(zhí)行接入控制,SIB3(System Infomation Block )用來(lái)傳遞ACB(Access Class Barring)信息,并用1 bit的信息來(lái)標(biāo)識(shí)該MTC終端的接入等級(jí)AC是屬于阻攔還是非阻攔的,當(dāng)高層請(qǐng)求訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)時(shí),RRC層通過(guò)ACB信息來(lái)判斷,如果通過(guò),將會(huì)通知MAC層,開始接入程序.MTC終端在發(fā)起PRACH傳送請(qǐng)求之前,會(huì)獲得1個(gè)數(shù)值m∈[0,1],與基站釋放的1個(gè)P值作比較,當(dāng)m≤P時(shí),該用戶可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò),執(zhí)行下一步層序;反之,該終端延時(shí)一段時(shí)間再重新發(fā)起請(qǐng)求,對(duì)于用戶通過(guò)ACB判斷后的UE、在通過(guò)MAC層的這種不斷比較的程序,實(shí)際上對(duì)于那些通過(guò)ACB機(jī)制判斷后的用戶來(lái)說(shuō),接入的時(shí)間是分散的.LTE系統(tǒng)中的EAB機(jī)制主要思想就是對(duì)MTC終端進(jìn)行接入等級(jí)劃分,基站根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況決定某些等級(jí)的MTC用戶阻攔,并退避(backoff)一段時(shí)間Tbackoff,等待退避時(shí)間結(jié)束再重新執(zhí)行隨機(jī)接入過(guò)程.

1.2 系統(tǒng)仿真和性能評(píng)價(jià)

在這一節(jié)中,主要討論分析在LTE系統(tǒng)中,EAB機(jī)制需要引入額外的分散方案解決MTC終端集中

圖1 隨機(jī)接入的過(guò)程

接入的問(wèn)題.

1.2.1 在LTE-A中的接入程序

表1 LTE FDD系統(tǒng)中的RACH容量仿真的基本參數(shù)

在發(fā)送數(shù)據(jù)之間,MTC設(shè)備首先按照3GPP LTE-A[8]定義的接入程序發(fā)起網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn),eNB根據(jù)存在的無(wú)線資源不斷釋放RACH機(jī)會(huì),然后MTC用戶根據(jù)這些RACH機(jī)會(huì)向eNB發(fā)起無(wú)線資源請(qǐng)求,接入程序如圖1所示,首先是UE發(fā)送包含導(dǎo)頻信息的Msg1,如果Msg1被eNB解碼,并且用戶在RA響應(yīng)窗時(shí)間范圍內(nèi)收到隨機(jī)接入響應(yīng)(RAR),也即Msg2,UE就向基站傳送包含用戶身份信息的Msg3,基站收到Msg3信息后,回復(fù)信息Msg4確認(rèn)建立成功連接,完成RA接入程序.

1.2.2 仿真假設(shè)

表1中的基本仿真參數(shù)來(lái)自于TR 37.868 表6.2.2.1.1[3].

1.2.3 仿真模型建立

M2M通信業(yè)務(wù)到達(dá)模型可以分成以下兩種:

(1) 在(0,60]s時(shí)間范圍內(nèi)服從均勻分布的M2M業(yè)務(wù)到達(dá)模型,其概率密度函數(shù)可表示為,p(t)=1/60,0

(2) 在(0,10]s時(shí)間范圍內(nèi)服從beta分布的M2M業(yè)務(wù)到達(dá)模型,其概率密度函數(shù)可表示為,p(t)=ta-1(T-t)b-1/Ta+b-1Beta(a,b),其中取a=3,b=4,T=10 s,0

初步仿真了沒有EAB機(jī)制下的,M2M業(yè)務(wù)均勻分布到達(dá)和β分布(觸發(fā)性)兩種類型的仿真結(jié)果,主要仿真的指標(biāo)是碰撞概率、延時(shí)、接入成功率以及傳送preamble數(shù)目.

表2 無(wú)EAB機(jī)制下的仿真結(jié)果

圖2 均勻分布模型下的延時(shí)和前導(dǎo)數(shù)目的CDF曲線

圖3 beta分布模型下的延時(shí)和前導(dǎo)數(shù)目的CDF曲線

上面的仿真結(jié)果可以看出:(1)當(dāng)M2M業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)間服從均勻分布(分布的時(shí)間為60 s)的時(shí)候,系統(tǒng)性能較好.(2)當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)性的M2M業(yè)務(wù)時(shí),隨著M2M設(shè)備數(shù)量的增多,接入延時(shí)、接入成功率等性能指標(biāo)都變差.

接下來(lái)考慮EAB機(jī)制,對(duì)M2M用戶進(jìn)行AC劃分(0～9)(沒有考慮優(yōu)先級(jí),認(rèn)為所有用戶是平等的),然后進(jìn)行仿真,選取M2M用戶數(shù)目為30000,然后選擇阻攔等級(jí)數(shù)目為3、5、7 .

表3 EAB機(jī)制的仿真結(jié)果

可以看出,分接入等級(jí)對(duì)M2M業(yè)務(wù)有一定的影響,對(duì)接入成功率有所提高,但是由缺乏一種分散接入的方案,接入成功率還是不理想,例如選擇阻攔等級(jí)的數(shù)目為5時(shí),如圖4(a),引入分散接入的方案然后做出性能比較,如圖4(b):

圖4 加入分散方案后的碰撞概率比較

可以看出,當(dāng)EAB機(jī)制缺少分散方案的時(shí)候,由于MTC終端數(shù)目龐大,阻攔等級(jí)數(shù)目的多少不能從根本上提高RACH接入性能,所以提出額外的分散方案,如圖4(b),可以看出,它降低了RACH過(guò)程中的碰撞概率,一定程度上提高接入成功率.

3 結(jié)束語(yǔ)

以上主要分析了兩種分布到達(dá)下的M2M通信業(yè)務(wù)隨機(jī)接入(RACH)過(guò)程的性能,基于終端龐大的這一特征,采用的是基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程,從仿真結(jié)果可以看出,M2M業(yè)務(wù)以均勻分布的方式到達(dá),隨即介入過(guò)程相對(duì)比較分散,所以各方面性能比較理想,當(dāng)M2M業(yè)務(wù)以一種突發(fā)性(用beta分布表示)的方式到達(dá),海量終端發(fā)起的隨機(jī)接入過(guò)程相對(duì)集中,性能較差.運(yùn)用EAB機(jī)制一定程度上達(dá)到了終端負(fù)荷控制的效果,但是由于它缺乏一種分散方案,RACH性能還是不理想,本文作者引入額外的分散方案,降低了RACH過(guò)程中的碰撞概率,一定程度上提高接入成功率.今后還將會(huì)更深入的研究,如何選擇每個(gè)阻攔用戶的退避時(shí)間Tbackoff,分散M2M終端的隨機(jī)接入.

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