機器類型通信中隨機接入信道的擁塞控制策略

周 偉,譚小彬,季海波

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系,合肥230027)

機器類型通信中隨機接入信道的擁塞控制策略

周 偉,譚小彬,季海波

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系,合肥230027)

在基于3GPP長期演進技術(shù)的機器類型通信(MTC)應(yīng)用背景下,針對無線接入網(wǎng)絡(luò)中隨機接入信道的擁塞問題,提出一種改進的擁塞控制策略,MTC器件利用基站廣播信息自適應(yīng)調(diào)整各自的接入時間,避免由于大量MTC器件同時發(fā)起隨機接入而引起接入碰撞的問題,實現(xiàn)基站的負(fù)載均衡及信道資源的合理分配。基于最大熵原理證明各MTC器件接入時間的均勻分布是最優(yōu)分布。仿真實驗結(jié)果表明,與接入類別限制策略相比,該策略可緩解隨機接入信道的擁塞狀況,提高MTC器件的隨機接入成功率,降低接入時延,從而提升網(wǎng)絡(luò)整體性能及服務(wù)質(zhì)量。

機器類型通信;隨機接入信道;擁塞控制;均勻分布;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量;最大熵原理

1 概述

隨著3GPP長期演進技術(shù)(Long Term Evolution, LTE)的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供無處不在的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋已成為可能,這樣一種新的通信類型即機器類型通信(Machine Type Communications,MTC)應(yīng)運而生,它為人類各種電子自動化應(yīng)用提供了一個廣闊的前景。

在基于3GPP-LTE的機器類型通信中,隨機接入是一個基本功能［1］。當(dāng)MTC器件從關(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)到打開狀態(tài)時,或者從一個基站切換到另一個基站時,或者當(dāng)其丟失上行定時同步信息時,都會進行這樣一個隨機接入過程［2］。它的作用是實現(xiàn)MTC器件和網(wǎng)絡(luò)的同步,解決沖突以及進行上行通信資源的分配。MTC器件只有通過隨機接入過程,與基站建立上行同步后,才能被系統(tǒng)調(diào)度來進行上行資

源的傳輸。由于隨機接入信道是一個共享信道,在任一時刻均有可能存在多個MTC器件通過隨機接入信道向基站發(fā)起隨機接入過程,由此引發(fā)的沖突問題不可避免。

通常在這種應(yīng)用背景下此類智能電子器件在某一小區(qū)的數(shù)量特別巨大,在它們同時向所在基站請求建立連接時會產(chǎn)生隨機接入信道擁塞,引起嚴(yán)重的訪問碰撞和時延問題,甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不可用,從而大大降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。為此,本文提出一種基于最大熵原理和MTC器件自適應(yīng)調(diào)整的隨機接入信道擁塞控制策略。

2 相關(guān)工作

目前,國內(nèi)外學(xué)者已提出許多擁塞控制策略。如文獻［2］總結(jié)基于退避的策略,對請求接入的用戶設(shè)備和MTC器件分別設(shè)置一個退避時間,期望通過這種退避策略來緩解沖突進而促進沖突的解決。基于接入類別限制(Access Class Barring,ACB)的策略是由基站針對接入類別(AC)0～9內(nèi)的MTC器件廣播一個接入概率和AC禁止時間,然后由各MTC器件通過自己隨機產(chǎn)生的概率來決定是否立即發(fā)起隨機接入過程。如果MTC器件產(chǎn)生的概率值小于基站廣播的概率值,則發(fā)起隨機接入,否則將自動被禁止一段時間,這種策略更適用于處理傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中的用戶設(shè)備,在引入到MTC應(yīng)用中時,容易導(dǎo)致二次接入沖突問題,影響網(wǎng)絡(luò)性能。

文獻［3］提出一種基于優(yōu)先級的動態(tài)接入類別限制的過載控制方法,先將MTC器件按照優(yōu)先級分類后對不同級別的MTC器件預(yù)先分配隨機接入信道資源,從而避免大量的MTC器件同時發(fā)起隨機接入請求。

文獻［4］給出一種基于PID控制器的擁塞控制方法,通過PID控制器利用基站拒絕一定數(shù)量的MTC器件的請求,進而將網(wǎng)絡(luò)擁塞控制在一個可接受的范圍內(nèi)。但其缺點是PID控制器的各參數(shù)很難準(zhǔn)確估計,只能依靠經(jīng)驗獲得大致結(jié)果,從而影響控制效果。

文獻［5］提出一種基于分組的擁塞控制方法,將小區(qū)內(nèi)的MTC器件按照基站的覆蓋范圍劃分為宏小區(qū)組和微小區(qū)組,進而用時間片輪轉(zhuǎn)的時間控制機制給各小組的MTC器件分配無線資源,達到緩解信道擁塞的目的。

文獻［6］簡單討論了當(dāng)前直接應(yīng)用接入類別限制策略［2］來處理MTC器件接入控制所存在的問題及困難,并提出了2種可能的解決方案,即對已存在的接入類別限制策略作進一步改進,或者針對MTC器件設(shè)計一種獨立的控制策略。

3 隨機接入信道的擁塞控制策略

如圖1所示,在基于3GPP-LTE的MTC應(yīng)用場景中,通常會在一小片區(qū)域中部署數(shù)量巨大的智能MTC器件［6］。當(dāng)某一基站下的MTC器件同時向基站發(fā)起隨機接入過程請求建立連接時,由于器件數(shù)量過多,會導(dǎo)致嚴(yán)重的信道擁塞,這將引起不可容忍的延時、丟包甚至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不可用等情況［7］。

圖1 MTC應(yīng)用場景

3.1 基本原理

通過擁塞控制策略規(guī)劃MTC器件對同一基站的訪問時間,從而緩和網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度,并保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,降低網(wǎng)絡(luò)通信的時延和丟包率。一方面,由于數(shù)量巨大的MTC器件造成隨機接入信道擁塞,由基站在極短時間內(nèi)對每一器件作出響應(yīng)并給出其各自相應(yīng)的允許訪問時間是不可能的,因此基站只能針對特定的MTC器件類別通過廣播給出其相應(yīng)級別的允許訪問時間段,然后由各MTC器件自己產(chǎn)生隨機數(shù)來決定何時訪問基站,從而避免再次出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況。另一方面,通過應(yīng)用信息論中的最大熵原理證明各MTC器件訪問時間的均勻分布是取值范圍受限下微分熵的最大分布;熵越大,即訪問時間的取值越隨機,從而避免訪問碰撞。這樣就說明了均勻分布是此種情況下的最優(yōu)分布,從而使基站達到在訪問時間段上的負(fù)載均衡,進而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。

3.2 擁塞控制策略

本文提出的擁塞控制策略大致分為以下步驟進行:

(1)基于優(yōu)先級的處理時間估算

對基站下的MTC器件按照優(yōu)先級(如緊急程度、QoS要求等)進行分類,優(yōu)先級高的MTC器件將被允許在一個更早的時間段內(nèi)訪問基站,在任一級別下的各MTC器件將根據(jù)基站廣播的時間段信息和各自產(chǎn)生的隨機數(shù)來決定何時訪問基站并和基站建立連接。假設(shè)所有的MTC器件按照優(yōu)先級分成高、中、低3個級別,并且基站可以估計出各類別的器件數(shù)量分別對應(yīng)為:N1,N2,N3。本文用K表示基站在單位時間內(nèi)對MTC器件的請求處理能

力,這對一個特定的基站來說其值是確定的。這樣基站對3個類別的MTC器件的請求處理時間分別為:

其中,對各類別下的MTC器件的數(shù)量估計問題,在某些情況下,可以通過特定的應(yīng)用場景中的MTC器件部署情況加以預(yù)測,也可以通過基站的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出數(shù)量估計。另一種更復(fù)雜的方法是在隨機接入前導(dǎo)檢測算法［8］中利用功率檢測的方法通過查表來完成各類別下請求接入的MTC器件數(shù)量的預(yù)測［8］。但在機器類型的通信設(shè)計中,考慮到MTC器件的硬件成本和性能限制,需要避免較大的算法復(fù)雜度,因此算法設(shè)計應(yīng)該是簡潔而高效的［2］。

(2)基站對時間段信息的廣播

基站將3個類別的允許接入時間段信息廣播出去,使各類別下的MTC器件知道它們在哪個時間段能訪問基站,這3個時間段信息分別為:(0,t1),(t1,t1+t2),(t1+t2,t1+t2+t3),如圖2所示。

圖2 基站廣播的時間區(qū)間示意圖

(3)各MTC器件利用隨機數(shù)的訪問時間確定

在3個類別下的各MTC器件利用隨機數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生一個在區(qū)間(0,1)范圍內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)pi。這樣3個類別中各MTC器件根據(jù)基站廣播的時間段信息,便可產(chǎn)生一個在相應(yīng)時間段內(nèi)均勻分布的隨機時間,分別對應(yīng)為:pit1,t1+pjt2,t1+t2+pkt3,從而可以確定各MTC器件何時向基站發(fā)起隨機接入過程來請求建立連接并傳送數(shù)據(jù)信息,其中,pi,pj和pk分別代表3個級別下各MTC器件產(chǎn)生的隨機數(shù)。由此可知,各MTC器件的接入時間在整個時間段內(nèi)也是均勻分布的。

(4)基站負(fù)載均衡的擁塞控制

通過綜合利用基站廣播的時間段信息和各MTC器件產(chǎn)生的均勻分布的隨機數(shù),可以規(guī)劃各MTC器件對基站的訪問時間,從而使得各器件的訪問時間均勻分布在整個允許時間段上,使得基站達到在整個時間段上的負(fù)載均衡性,緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞,保證服務(wù)質(zhì)量。

3.3 基于最大熵原理的均勻分布

利用信息論中取值范圍受限下的最大微分熵原理,證明均勻分布是可以選擇的最優(yōu)分布;從經(jīng)驗上說,均勻分布可以讓基站達到負(fù)載均衡,避免網(wǎng)絡(luò)擁擠。

3.3.1 最大熵原理

在約束條件不足以完全確定概率分布的情況下,要對概率分布或概率密度函數(shù)做出推斷,應(yīng)該取滿足約束且使熵值最大的概率分布,其他情況都需要添加約束和假設(shè)［9］。

3.3.2 證明過程

考慮到基站廣播的是取值范圍受限的時間段信息,將各MTC器件的允許接入時間用變量X來表示。如果連續(xù)變量X取值范圍被限定在［a,b］,該限定域內(nèi)的均勻分布信源具有最大微分熵,該最大微分熵為h(X)max=log(b-a),其中,h(X)表示變量X的微分熵,即h(X)≤log(b-a),a≤x≤b。

證明:設(shè)p(x)是限定在區(qū)間［a,b］內(nèi)的變量X的概率密度函數(shù),則有:

得證。

4 仿真結(jié)果與分析

本文采用文獻［10］中提供的仿真配置,對各種擁塞控制策略進行模擬仿真和性能比較,其中,隨機接入過程的處理時延設(shè)置為80 ms［11］,一個子幀大小為1 ms,各基本配置參數(shù)如表1所示。

表1 基本配置參數(shù)

由于接入類別限制(ACB)策略是處理3GPPLTE通信中隨機接入信道擁塞的常用策略［12］,因此選擇ACB策略和無擁塞控制情形與本文策略進行性能比較。

本文比較的性能指標(biāo)為隨機接入成功概率和隨機接入平均時延［10］。其中,隨機接入成功概率定義為成功完成隨機接入過程的數(shù)目與總的發(fā)起隨機接入過程的數(shù)目之比;隨機接入平均時延定義為所有MTC器件從首次發(fā)起隨機接入到成功完成隨機接入過程的時延的統(tǒng)計平均值。

基于以上仿真配置,采用C語言和Matlab軟件結(jié)合的方式進行通信仿真及實驗數(shù)據(jù)分析。從圖3可以看出,在無擁塞控制的情況下,隨機接入成功概率隨著MTC器件數(shù)目的增長而急劇下降;當(dāng)器件數(shù)目接近2.0×104時,其接入成功概率低于10%,出現(xiàn)明顯的網(wǎng)絡(luò)擁塞,大多數(shù)的接入請求無法成功,直至出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不可用的情況。在傳統(tǒng)ACB策略和本文策略的對比中,當(dāng)MTC器件數(shù)目較少時,兩者的接入成功概率相差不大,但隨著器件數(shù)目的增長,本文策略能更好地處理由于器件數(shù)目過多而引起的隨機接入信道擁塞,將隨機接入成功概率保持在一個較高水平。這是由于ACB策略是為傳統(tǒng)H2H通信設(shè)計的,有其本身的局限性,在器件數(shù)量過多的情況下,更容易出現(xiàn)二次擁塞的情況;而在MTC的應(yīng)用場景中由于器件數(shù)量巨大及其特殊的應(yīng)用需求使得更容易出現(xiàn)嚴(yán)重的隨機接入信道擁塞,本文策略能較好地解決以上問題。

圖3 隨機接入成功概率比較

圖4 給出了3種策略在不同MTC器件數(shù)目情況下的隨機接入平均時延對比。可以看出,即使在數(shù)目較小的情況下,如果沒有隨機接入擁塞控制,那么器件的隨機接入平均時延會變大(70 ms);而隨著器件數(shù)目的增長,其平均時延也會隨之急劇增長而變大(由于比例原因圖4中未予顯示),嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)幾乎不可用。傳統(tǒng)ACB策略在器件數(shù)目較小時,其隨機接入平均時延尚處于可以接受的水平(30 ms～40 ms),但在器件數(shù)目很大時,平均時延變大,表現(xiàn)出對MTC通信場景的不適應(yīng)性。本文策略則在同等情形下表現(xiàn)出了較好的統(tǒng)計特性,能夠?qū)㈦S機接入平均時延保持在較低水平,保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,能較好地處理隨機接入信道擁塞情況。

圖4 隨機接入平均時延比較

5 結(jié)束語

本文針對機器類型通信情況下的隨機接入信道擁塞問題,提出一種改進的擁塞控制策略。通過廣播少量基站信息,并自適應(yīng)調(diào)整各MTC器件,緩解隨機接入信道的擁塞狀況。仿真實驗結(jié)果顯示,本文策略比傳統(tǒng)ACB策略性能更好,提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。同時,該策略的計算復(fù)雜度較小,易于實現(xiàn),適合部署在大規(guī)模的MTC應(yīng)用中。但由于本文的自適應(yīng)隨機接入信道擁塞控制策略只適合于單基站且各MTC器件處于靜止?fàn)顟B(tài)的場景,因此針對多基站間的合作接入控制需要進一步研究,且應(yīng)考慮如何去除漫游MTC器件對所在基站造成的影響。

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編輯 陸燕菲

Congestion Control Strategy of Random Access Channel in Machine Type Communication

ZHOU Wei,TAN Xiaobin,JI Haibo
(Department of Automation,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

This paper proposes an improved congestion control strategy to alleviate the congestion of random access channel in radio access network of Machine Type Communication(MTC)based on 3GPP-Long Term Evolution(LTE).In order to reach the base-station’s load balancing in the time interval and allocate the channel resources rationally,it schedules the access time of MTC devices through the base-station’s broadcasted information,and thereby avoids access collisions caused by massive number of MTC devices access the base-station simultaneously.It also proofs that uniform distribution of the access time is the optimal choice by maximum entropy principle.Simulation experimental results show that the strategy can alleviate the channel congestion significantly and increase the random access success rate of MTC devices,reduce the delay,and thus improve the network’s performance and guarantee the network’s Quality of Service (QoS)compared with Access Class Barring(ACB)strategy.

Machine Type Communication(MTC);random access channel;congestion control;uniform distribution; network Quality of Service(QoS);maximum entropy principle

周 偉,譚小彬,季海波.機器類型通信中隨機接入信道的擁塞控制策略［J］.計算機工程,2015, 41(3):88-91,96.

英文引用格式:Zhou Wei,Tan Xiaobin,Ji Haibo.Congestion Control Strategy of Random Access Channel in Machine Type Communication［J］.Computer Engineering,2015,41(3):88-91,96.

1000-3428(2015)03-0088-04

:A

:TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.03.016

國家自然科學(xué)基金資助項目(61273090)。

周 偉(1988-),男,碩士,主研方向:無線網(wǎng)絡(luò)通信,資源分配;譚小彬,副教授、博士;季海波,教授、博士。

2014-04-23

:2014-05-20E-mail:weizhou@mail.ustc.edu.cn