王曉春，張 軍

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 江蘇省無(wú)線(xiàn)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003)

0 引言

近些年，隨著機(jī)器通信技術(shù)的快速發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)”的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，據(jù)推測(cè)，未來(lái)會(huì)有數(shù)以百億的智能設(shè)備連接至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)[1]，并且據(jù)分析學(xué)家推測(cè)，到2020年，由物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)達(dá)到1.9萬(wàn)億美元，所以，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)有巨大的市場(chǎng)潛力和經(jīng)濟(jì)推動(dòng)力。機(jī)器對(duì)機(jī)器(Machine-to-Machine， M2M)通信，也被稱(chēng)作MTC，是發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一種關(guān)鍵技術(shù)，在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下，MTC能夠?yàn)闄C(jī)器類(lèi)通信設(shè)備提供連接，并且能與人與人(Human To Human， H2H)通信實(shí)現(xiàn)和諧共存[2-4]。然而，如果數(shù)量如此眾多的MTC設(shè)備直接接入到現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)(Radio Access Networks， RANs)，將會(huì)導(dǎo)致接入效率低、隨機(jī)接入負(fù)荷大和接入擁塞的問(wèn)題，甚至?xí)谷伺c人的通信產(chǎn)生混亂。

對(duì)于機(jī)器類(lèi)通信中的大規(guī)模接入，近些年，一些國(guó)內(nèi)外的學(xué)者根據(jù)隨機(jī)接入過(guò)程出現(xiàn)的不同問(wèn)題也各自提出了一些接入機(jī)制。在一個(gè)特殊的區(qū)域部署大量的MTC設(shè)備會(huì)造成大量的接入產(chǎn)生并且會(huì)造成較為嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞，為了解決這個(gè)問(wèn)題，3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution， LTE)發(fā)布版本11，即LTE-A系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含了一些RAN擁塞的控制方案[5-6]。文獻(xiàn)[7-8]引入了接入類(lèi)別限制(Access Class Barring， ACB)機(jī)制來(lái)控制多個(gè)小區(qū)的接入請(qǐng)求負(fù)載。ACB機(jī)制可以給通信設(shè)備設(shè)置不同的級(jí)別，根據(jù)接入設(shè)備的等級(jí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分組，高等級(jí)的用戶(hù)優(yōu)先接入，低等級(jí)的用戶(hù)基于競(jìng)爭(zhēng)接入。低等級(jí)用戶(hù)的接入方式是，首先基站會(huì)廣播一個(gè)概率PACB，低等級(jí)的用戶(hù)接收到PACB后會(huì)隨機(jī)得到一個(gè)0-1之間的概率，如果這個(gè)概率≤PACB，那么此用戶(hù)允許接入，如果這個(gè)概率>PACB，那么此用戶(hù)就不允許被接入，等待下次隨機(jī)接入過(guò)程再次嘗試接入。這種機(jī)制可以獨(dú)立地控制接入設(shè)備的數(shù)量，也可以動(dòng)態(tài)地分配隨機(jī)接入信道(Random Access Channel， RACH)給H2H通信設(shè)備和M2M通信設(shè)備，比如在M2M通信設(shè)備比較多時(shí)，可以分配額外的RACH給機(jī)器類(lèi)通信設(shè)備，從而緩解MTC的擁塞壓力[9-10]。文獻(xiàn)[11-12]介紹了一些基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入方案，其中有一種隨機(jī)接入方案利用了隨機(jī)接入過(guò)程中的定時(shí)提前(Timing advance，TA)命令來(lái)進(jìn)行隨機(jī)接入。文獻(xiàn)[13]提出了提出一種基于TA的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略，根據(jù)在網(wǎng)用戶(hù)接入時(shí)的TA統(tǒng)計(jì)調(diào)整小區(qū)半徑,進(jìn)而調(diào)整小區(qū)的循環(huán)移位序列配置。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于空間分組和TA值比較的接入機(jī)制，這種機(jī)制在每個(gè)分組中分配不同的接入類(lèi)別限制ACB概率，雖然在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，但是可以有效地實(shí)現(xiàn)接入效率的最大化。文獻(xiàn)[15]提出了聯(lián)合ACB和TA值比較的接入機(jī)制，這種機(jī)制通過(guò)優(yōu)化ACB概率來(lái)實(shí)現(xiàn)接入成功概率的最大化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這種機(jī)制可以在服務(wù)所有MTC設(shè)備的情況下，至少節(jié)省50%的隨機(jī)接入時(shí)隙。但是這種機(jī)制在接入MTC設(shè)備數(shù)量較少的情況下，分配所有的前導(dǎo)給機(jī)器通信，會(huì)造成前導(dǎo)資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致隨機(jī)接入效率低下，甚至?xí)﨟2H通信。

綜上所述，現(xiàn)有的一些隨機(jī)接入機(jī)制一部分是采用單一的隨機(jī)接入機(jī)制，但是面對(duì)數(shù)量眾多的MTC設(shè)備，單一的隨機(jī)接入機(jī)制是無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模接入需求的；另一部分隨機(jī)接入機(jī)制采用了聯(lián)合控制的方法，但是并沒(méi)有考慮到與H2H通信協(xié)調(diào)共存的問(wèn)題。所以本文提出了一種基于TA值比較的改進(jìn)型機(jī)器通信設(shè)備隨機(jī)接入方案，這種隨機(jī)接入方案的優(yōu)越性在于基于“隨機(jī)接入效率最大”原則，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行前導(dǎo)資源分配和接入設(shè)備數(shù)量控制，減少大規(guī)模接入時(shí)的沖突概率，并且能夠保持相對(duì)較高的隨機(jī)接入效率。

1 機(jī)器通信中的隨機(jī)接入

MTC設(shè)備的隨機(jī)接入步驟與用戶(hù)設(shè)備(User Equipment， UE)的隨機(jī)接入目的是建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路、獲得信道的分配方案和達(dá)到上行同步等，步驟如下：

① 機(jī)器通信設(shè)備向基站傳輸一個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)(Preamble， PA)用于識(shí)別；

② 基站向機(jī)器通信設(shè)備回傳隨機(jī)接入響應(yīng)(Random Access Response， RAR)，包括PA檢測(cè)信息、TA值和上行資源的分配；

③ 機(jī)器通信設(shè)備根據(jù)基站第二步中傳輸?shù)纳闲匈Y源的分配向基站傳輸數(shù)據(jù)，包括無(wú)線(xiàn)資源控制連接需求、區(qū)域信息更新和調(diào)度請(qǐng)求等，主要是機(jī)器通信設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)信息；

④ 基站向機(jī)器通信傳輸沖突解決信息。

其中步驟②RAR傳輸時(shí)，基站向接入的MTC設(shè)備傳輸RAR信息，其中就包括了TA命令。TA值代表MTC設(shè)備與基站間的傳播延遲，它在數(shù)值上代表了基站與接入MTC設(shè)備間的往返時(shí)間，為0.52 μs。TA命令的量化精度映射到距離上為156 m，那么單向距離就為78 m。隨機(jī)接入步驟①中，在一個(gè)子幀內(nèi)，不同的MTC設(shè)備在相同的PRACH上傳送相同的前導(dǎo)時(shí)，基站無(wú)法對(duì)這些MTC設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，所以這些MTC設(shè)備都被視為沖突的設(shè)備，只有等待下次隨機(jī)接入時(shí)隙重新申請(qǐng)接入?；赥A值比較的隨機(jī)接入機(jī)制就是假設(shè)在隨機(jī)接入之前每個(gè)申請(qǐng)接入的MTC設(shè)備獲得了自身與基站間的距離，即獲得了自身的TA值，當(dāng)隨機(jī)接入開(kāi)始時(shí)，如果其中某些設(shè)備在同一個(gè)PRACH上傳送了同樣的PA給基站，基站可以從這些設(shè)備中隨機(jī)選擇一個(gè)設(shè)備，從而在隨機(jī)接入步驟②中發(fā)送相應(yīng)的TA值給MTC設(shè)備。MTC設(shè)備在接收到基站發(fā)送的RAR消息后，對(duì)比自身的TA值與RAR中的TA值，如果相同則表示允許進(jìn)入隨機(jī)接入步驟③，否則等待下次隨機(jī)接入時(shí)隙重新申請(qǐng)接入。

2 系統(tǒng)模型與優(yōu)化問(wèn)題

2.1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，采用的模型是建立小區(qū)模型常用的一種均勻撒點(diǎn)模型。為了計(jì)算方便，小區(qū)形狀在空間上是一個(gè)正圓形，基站處于小區(qū)的中心位置，MTC設(shè)備與基站間的直線(xiàn)距離為r，其服從的概率分布函數(shù)為：

(1)

圖1 小區(qū)模型及TA分組

TA值是一個(gè)量化值，根據(jù)TA的量化精度將整個(gè)小區(qū)進(jìn)行空間分組，為了后續(xù)計(jì)算方便，將小區(qū)的半徑設(shè)置為T(mén)A量化精度的倍數(shù)，小區(qū)在空間上分為R/d組，其中R是小區(qū)的半徑，d是TA值的量化精度，數(shù)值上為78 m。

2.2 優(yōu)化問(wèn)題

假設(shè)某MTC設(shè)備與基站的直線(xiàn)距離為r，并且根據(jù)分組信息這個(gè)MTC設(shè)備是屬于某個(gè)分組，那么可以計(jì)算出小區(qū)中其他MTC設(shè)備與這個(gè)MTC設(shè)備TA值相同的概率為：

(2)

i-1·d

假設(shè)接入的設(shè)備數(shù)量為N，隨機(jī)選擇某個(gè)MTC設(shè)備X的接入成功效率為：

p(EACB=1)=pACB，

(3)

式中，pACB表示ACB因子(概率)。

將除了MTC設(shè)備X之外還有n個(gè)MTC設(shè)備通過(guò)ACB機(jī)制的事件表示為NACB=n，那么在MTC設(shè)備X與基站的直線(xiàn)距離為r的前提下，MTC設(shè)備X與另外n個(gè)設(shè)備一起通過(guò)ACB機(jī)制的概率：

(4)

假設(shè)小區(qū)中可用的前導(dǎo)數(shù)量為m，將MTC設(shè)備X在m個(gè)前導(dǎo)中隨機(jī)選擇了第j個(gè)前導(dǎo)的事件表示為Ej，并且將除了MTC設(shè)備X外，通過(guò)ACB機(jī)制的n個(gè)設(shè)備中還有k個(gè)MTC設(shè)備選擇了第j個(gè)前導(dǎo)的事件表示為Ek,j，那么可以得到如下的概率：

p(Ej,Ek,j|NACB=n,EACB=1,RX=r)=

k∈0,1,...,n，j∈1,2,...,m。

(5)

這個(gè)概率表示事件NACB=n，RX=r和EACB=1發(fā)生的情況下，事件Ej和Ek,j發(fā)生的概率。

由上文可知MTC設(shè)備X與其他k個(gè)MTC設(shè)備一起選擇了同一個(gè)前導(dǎo)，假設(shè)在一個(gè)PRACH上進(jìn)行推導(dǎo)，那么可知MTC設(shè)備X和其他k個(gè)MTC設(shè)備在同樣的PRACH上發(fā)送了同一個(gè)前導(dǎo)。將事件MTC設(shè)備X接入成功的事件表示為Esuccess=1，由TA值比較機(jī)制的原理可以知道MTC設(shè)備X接入成功必須滿(mǎn)足如下2個(gè)條件之一：

①k=0，也就是只有MTC設(shè)備X選擇了前導(dǎo)j；

②k≠0，MTC設(shè)備X與其他k個(gè)MTC設(shè)備發(fā)送了同一個(gè)前導(dǎo)，但是MTC設(shè)備X被基站標(biāo)識(shí)為接入成功的設(shè)備，并且MTC設(shè)備X與其他k個(gè)MTC設(shè)備處于不同的分組，即TA值不同。

綜上所述，可以得到如下概率：

p(Esuccess= 1|Ej,Ek,j,EACB=1,NACB=n,RX=r)=

(6)

這個(gè)概率表示事件NACB=n，RX=r，Ek,j，Ej和EACB=1發(fā)生的情況下，事件Esuccess=1發(fā)生的概率。

根據(jù)貝葉斯公式進(jìn)一步推導(dǎo)得到：

p(Esuccess=1)=

(7)

這個(gè)概率就表示在一個(gè)PRACH上，給定ACB因子、前導(dǎo)數(shù)量和小區(qū)半徑的情況下，MTC設(shè)備的接入成功概率。將Navg表示為接入成功的MTC設(shè)備數(shù)量，綜上所述可以知道Navg是服從二項(xiàng)分布的，表示為Navg～B(N,p(Esuccess=1)),那么Navg的期望可以表示成：

(8)

由于機(jī)器通信(M2M通信)是與H2H通信共存的一種通信方式，其前導(dǎo)資源也是共享的。如果在某些情況下，比如說(shuō)接入設(shè)備數(shù)量不多時(shí)，機(jī)器通信仍然占用了很多的前導(dǎo)資源，那么勢(shì)必會(huì)影響H2H通信，所以前導(dǎo)資源顯得非常重要；此外，當(dāng)接入設(shè)備的數(shù)量很多時(shí)，沒(méi)有對(duì)前導(dǎo)數(shù)量進(jìn)行控制，隨機(jī)接入沖突會(huì)更嚴(yán)重，隨機(jī)接入的效率反而會(huì)降低，那么接入成功的設(shè)備數(shù)量也會(huì)減少，所以將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為隨機(jī)接入效率。本文中將在一個(gè)PRACH上一個(gè)前導(dǎo)可以接入的設(shè)備數(shù)量定義為隨機(jī)接入效率，表示為Reff，那么隨機(jī)接入效率Reff可以由如下表達(dá)式計(jì)算得出：

(9)

綜上所述，本文所提出機(jī)制的優(yōu)化問(wèn)題就變?yōu)?，根?jù)接入的設(shè)備數(shù)量分配合適的前導(dǎo)數(shù)量和設(shè)置合適的ACB因子，使得接入效率達(dá)到最大值，即：

maxReff=

約束條件1： 0

約束條件2：

(10)

式中，mmax表示可用的最大前導(dǎo)數(shù)量。

3 性能分析

為了驗(yàn)證本算法的性能，本文的比較對(duì)象設(shè)置為：① 聯(lián)合TA值比較與ACB機(jī)制[7]；② 聯(lián)合TA值比較與動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制。

聯(lián)合TA值比較與動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制，就是在接入設(shè)備數(shù)量少的情況下，動(dòng)態(tài)地劃分前導(dǎo)數(shù)量來(lái)獲得最大的隨機(jī)接入效率，其表達(dá)式為：

(11)

這個(gè)概率表示當(dāng)MTC設(shè)備X與基站距離為r的前提下，MTC設(shè)備X選擇第j個(gè)前導(dǎo)，并且其他的N-1個(gè)設(shè)備中有k個(gè)設(shè)備也選擇第j個(gè)前導(dǎo)的概率。同樣的，可以得到另一個(gè)概率：

(12)

這個(gè)概率表示事件RX=r，Ek,j和Ej發(fā)生的情況下，事件Esuccess=1發(fā)生的概率。根據(jù)前文中的推導(dǎo)方法可以得到：

(13)

那么此機(jī)制的優(yōu)化問(wèn)題就變?yōu)椋?/p>

以下是對(duì)本文提出方案進(jìn)行一系列仿真的結(jié)果，其中“TA和ACB”代表文獻(xiàn)[7]提出的聯(lián)合TA值比較和ACB機(jī)制，“TA和PA”代表第2節(jié)中提出的聯(lián)合TA值比較和動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制，“本文提出機(jī)制”代表本文提出的基于TA值比較的改進(jìn)型機(jī)器通信設(shè)備隨機(jī)接入方案。

圖2為ACB因子設(shè)置值與一個(gè)PRACH上隨機(jī)接入MTC設(shè)備數(shù)量關(guān)系圖。從圖中可以看到，在小區(qū)半徑相同時(shí)，隨著隨機(jī)接入MTC設(shè)備數(shù)量的增多，聯(lián)合TA比較和動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制的ACB因子一直保持在1，而聯(lián)合TA比較和ACB機(jī)制與本文提出的機(jī)制的ACB因子是逐漸減少的，這是因?yàn)檫@2個(gè)機(jī)制在控制可接入設(shè)備的數(shù)量。此外，當(dāng)小區(qū)半徑不同但接入MTC設(shè)備數(shù)量相同時(shí)，本文提出的機(jī)制(或者聯(lián)合TA比較和ACB機(jī)制)ACB因子是不一樣的，當(dāng)小區(qū)半徑增大，ACB因子也相應(yīng)地增大，這是因?yàn)樾^(qū)半徑增大之后，MTC設(shè)備之間TA值相同的概率減少，這就導(dǎo)致隨機(jī)接入成功率增大，ACB機(jī)制可以允許更多的MTC設(shè)備進(jìn)行接入。

圖2 ACB值與PRACH上隨機(jī)接入MTC數(shù)量關(guān)系

圖3為分配的前導(dǎo)數(shù)量與一個(gè)PRACH上隨機(jī)接入MTC設(shè)備數(shù)量關(guān)系圖。從圖中可以看到，在小區(qū)半徑相同時(shí)，隨著隨機(jī)接入MTC設(shè)備數(shù)量的增多，聯(lián)合TA比較和ACB機(jī)制的分配前導(dǎo)數(shù)量一致保持在64，而聯(lián)合TA比較和動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制與本文提出的機(jī)制分配的前導(dǎo)數(shù)量是逐漸增加并保持到64的，這是因?yàn)榻尤朐O(shè)備數(shù)量的增加，只有分配更多的前導(dǎo)數(shù)量才能保持較高的隨機(jī)接入效率。此外，不同的小區(qū)半徑下，接入MTC設(shè)備數(shù)量相同時(shí)，聯(lián)合TA比較和動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制或本文提出的機(jī)制分配的前導(dǎo)數(shù)量是不同的，小區(qū)半徑越大，分配的前導(dǎo)數(shù)量越少，這是因?yàn)樾^(qū)半徑增大，TA值相同的概率越小，隨機(jī)接入成功率也會(huì)增加，需要分配的前導(dǎo)數(shù)量也就越少。

圖3 前導(dǎo)數(shù)與PRACH上隨機(jī)接入MTC數(shù)量關(guān)系

圖4為隨機(jī)接入效率與一個(gè)PRACH上隨機(jī)接入MTC設(shè)備數(shù)量關(guān)系圖。從圖中可以看到，本文提出的機(jī)制一直保持最高的數(shù)值。隨著接入MTC設(shè)備數(shù)量的增加，接入MTC設(shè)備數(shù)量在10～210個(gè)范圍內(nèi)，聯(lián)合TA比較和ACB機(jī)制的隨機(jī)接入效率是逐漸增加的，這是因?yàn)榻尤隡TC設(shè)備數(shù)量較少時(shí)，此機(jī)制仍然分配所有的前導(dǎo)數(shù)量用于MTC接入，這就導(dǎo)致隨機(jī)接入效率較低，造成前導(dǎo)資源的浪費(fèi)。此外，在接入MTC設(shè)備數(shù)量在210～560個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，聯(lián)合TA比較和動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制的隨機(jī)接入效率逐漸下降，這是因?yàn)樵诮尤隡TC設(shè)備數(shù)量較大時(shí)，此機(jī)制沒(méi)有有效地控制接入設(shè)備的數(shù)量，導(dǎo)致隨機(jī)接入成功率逐漸降低，影響了隨機(jī)接入效率。同樣的，與圖2和圖3的分析一致，接入MTC設(shè)備數(shù)量相同，隨著小區(qū)半徑的增加，同一機(jī)制的隨機(jī)接入效率會(huì)增加。

圖4 隨機(jī)接入效率與PRACH上 隨機(jī)接入MTC數(shù)量關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的一種基于TA值比較的改進(jìn)型機(jī)器通信設(shè)備隨機(jī)接入方案，通過(guò)運(yùn)用ACB機(jī)制和動(dòng)態(tài)資源分配來(lái)保持較高的隨機(jī)接入效率，緩解擁塞。在接入設(shè)備數(shù)量較少時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)分配前導(dǎo)資源，保持較高隨機(jī)接入效率；在接入設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，通過(guò)ACB機(jī)制控制接入MTC設(shè)備數(shù)量保持隨機(jī)接入效率。最后，通過(guò)相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，比較本文提出機(jī)制、聯(lián)合TA值比較與ACB機(jī)制，以及聯(lián)合TA值比較與動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制，表明本文提出機(jī)制在保持高隨機(jī)接入效率方面的優(yōu)越性。