魏成強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)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(jì)，到2020年通過機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將達(dá)到204億臺(tái)[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(dāng)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(yán)重影響了H2H通信的服務(wù)質(zhì)量。針對(duì)此問題，很多學(xué)者做了大量研究工作，主要將擁塞控制機(jī)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(jī)制，如RACH（Random Access Channel，RACH）資源的分離、RACH資源的動(dòng)態(tài)分配、M2M通信特有的回退機(jī)制以及ACB（Access Class blocking，ACB）機(jī)制等。在采用RACH資源分離的方法中，當(dāng)M2M與H2H（Human-to-Human，H2H）共享資源時(shí)，由于M2M設(shè)備的數(shù)量巨大，會(huì)對(duì)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(huì)影響H2H通信質(zhì)量。這種分離可以通過不同方式實(shí)現(xiàn)，如時(shí)間、頻率、前導(dǎo)碼資源的分離或它們的混合。RACH資源的動(dòng)態(tài)分配是對(duì)之前靜態(tài)分配資源的一種改進(jìn)，基站根據(jù)數(shù)據(jù)流量動(dòng)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(shí)間 時(shí)使用。

本文針對(duì)基于拉的方法中的組尋呼機(jī)制[5]進(jìn)行研究。在組尋呼機(jī)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(gè)分組分配ID，稱為GID（Group ID，GID）。當(dāng)組內(nèi)設(shè)備收到尋呼消息后，所有設(shè)備同時(shí)發(fā)起隨機(jī)接入進(jìn)程[6]。由于基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過程中前導(dǎo)碼資源有限，當(dāng)兩個(gè)以上設(shè)備選擇相同的前導(dǎo)碼時(shí)，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(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能和H2H通信質(zhì)量。對(duì)此，文獻(xiàn)[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(xiàn)[8]提出通過嚴(yán)格的時(shí)隙調(diào)度來控制M2M設(shè)備的接入；文獻(xiàn)[9]中提出預(yù)回退機(jī)制，設(shè)備接入前被強(qiáng)制回退一定的時(shí)間，減少了同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量。

本文提出一種基于ACB機(jī)制的組尋呼擁塞控制方法，將ACB機(jī)制和組尋呼方法結(jié)合，減少同時(shí)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(jī)制和隨機(jī)接入過程；第2部分討論基于ACB機(jī)制的組尋呼擁塞控制方法；第3部分進(jìn)行性能分析；最后總結(jié)全文。

1 ACB機(jī)制和隨機(jī)接入過程

1.1 ACB機(jī)制

ACB機(jī)制作為一種擁塞控制機(jī)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(jī)制由禁止參數(shù)（ac_BarringFactor）和禁止時(shí)間（ac_BarringTime）參數(shù)組成[11]。這兩個(gè)參數(shù)由基站通過系統(tǒng)信息通知參與競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)備（包含H2H和M2M）。在設(shè)備發(fā)起基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入進(jìn)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(shí)發(fā)起隨機(jī)接入進(jìn)程；否則，組內(nèi)每個(gè)設(shè)備在0～1之間隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)值，然后與基站廣播的ACB機(jī)制的禁止參數(shù)進(jìn)行比較，如果小于參數(shù)值，設(shè)備發(fā)起隨機(jī)接入進(jìn)程。相反，則被強(qiáng)制回退一定的禁止時(shí)間，直到禁止時(shí)間為0，該設(shè)備重新選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行判定。工作原理如圖1所示。

圖1 ACB機(jī)制

1.2 隨機(jī)接入過程

基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)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(jī)接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）的位置和可用的前導(dǎo)碼集合，隨機(jī)選擇一個(gè)前導(dǎo)碼發(fā)送到基站，由基站進(jìn)行前導(dǎo)碼的檢測(cè)。

圖2 LTE競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入過程

1.2.2 隨機(jī)接入響應(yīng)（Msg2）

基站在檢測(cè)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(jī)接入響應(yīng)消息（Random Access Response，RAR）。如果設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有成功收到Msg2，設(shè)備將判定本次隨機(jī)接入請(qǐng)求失敗，并進(jìn)行回退重傳。

1.2.3 上行調(diào)度請(qǐng)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(qǐng)求和資源調(diào)度請(qǐng)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(duì)Msg3進(jìn)行譯碼并做出響應(yīng)，即基站不會(huì)向存在沖突的UE發(fā)送Msg4。

1.2.4 競(jìng)爭(zhēng)解決（Msg4）

基站在成功對(duì)Msg3譯碼后發(fā)送給設(shè)備確認(rèn)消息，表明隨機(jī)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(shí)超時(shí)后沒有收到Msg4，則判定本次隨機(jī)接入請(qǐng)求失敗并進(jìn)行重傳。

2 基于ACB機(jī)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(gè)小區(qū)，小區(qū)內(nèi)有M個(gè)M2M設(shè)備。基站為基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過程保留了R個(gè)前導(dǎo)碼資源，則總的可用資源數(shù)量被稱為隨機(jī)接入機(jī)會(huì)（Random Access Opportunities，RAOs）等于每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)頻帶的數(shù)量與前導(dǎo)碼的數(shù)量的乘積。由隨機(jī)接入機(jī)會(huì)構(gòu)成的序列被稱為隨機(jī)接入信道（Random Access Channel，RACH）。假設(shè)每個(gè)接入時(shí)隙內(nèi)只有一個(gè)頻帶，即總得可用資源數(shù)量RAOs等于前導(dǎo)碼的數(shù)量。

當(dāng)設(shè)備所在的組收到尋呼消息后，取代傳統(tǒng)組尋呼機(jī)制中組內(nèi)所有設(shè)備同時(shí)發(fā)起隨機(jī)接入進(jìn)程?；臼紫葘⑴c競(jìng)爭(zhēng)的M2M設(shè)備均勻分布到整個(gè)尋呼周期的每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)，然后根據(jù)每個(gè)時(shí)隙內(nèi)參與競(jìng)爭(zhēng)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(shí)隙內(nèi)發(fā)起隨機(jī)接入進(jìn)程失敗的設(shè)備）和可用資源數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整ACB機(jī)制的參數(shù)值，控制同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量，從而達(dá)到緩解擁塞的效果。

2.2 傳統(tǒng)組尋呼機(jī)制

在組尋呼內(nèi)，每個(gè)組被分配一個(gè)ID，被稱為GID。設(shè)備根據(jù)GID接收尋呼消息后，在物理隨機(jī)接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）上發(fā)送前導(dǎo)碼，等待TRAR+WRAR時(shí)間來確認(rèn)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(shí)延，WRAR表示隨機(jī)接入響應(yīng)窗口。窗口長(zhǎng)度表示窗口內(nèi)包含隨機(jī)接入響應(yīng)消息（Random Access Response，RAR）的數(shù)量，其中每個(gè)RAR內(nèi)又包含NRAR個(gè)確認(rèn)消息。因此，每個(gè)隨機(jī)窗口內(nèi)確認(rèn)信息的數(shù)量為NACK=NRAR×WRAR。

當(dāng)收到尋呼消息后，組內(nèi)所有設(shè)備在第一個(gè)可用的隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)同時(shí)發(fā)起隨機(jī)接入進(jìn)程。根據(jù)文獻(xiàn)[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(jī)接入時(shí)隙的序號(hào)，p表示設(shè)備所傳輸?shù)那皩?dǎo)碼被基站檢測(cè)到的概率。第一次傳輸?shù)那皩?dǎo)碼被基站檢測(cè)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(cè)到的概率為pn=1-e-n。Mi,s表示在隨機(jī)接入時(shí)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(jī)接入時(shí)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(jī)制，均勻分布在回退窗口WBO內(nèi)[12]，等待進(jìn)行第二次傳輸，如圖3所示。

圖3 各個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)第一次和第二次進(jìn)行前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)量

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，回退窗口WBO中第一個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙a內(nèi)進(jìn)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(gè)連續(xù)隨機(jī)接入時(shí)隙之間的間隔。回退窗口WBO中bc間的每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)進(jìn)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(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙d內(nèi)進(jìn)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(jī)接入時(shí)隙的最大數(shù)量，由于整個(gè)回退窗口WBO內(nèi)進(jìn)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(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行重傳的設(shè)備數(shù)量為：

假設(shè)每個(gè)隨機(jī)入時(shí)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(gè)隨機(jī)時(shí)隙將產(chǎn)生與圖3相同的前導(dǎo)碼傳輸圖形，后面每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行第二次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)是前面隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)第一次前導(dǎo)碼傳輸發(fā)生沖突數(shù)量在本時(shí)隙內(nèi)的累積和，如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)每個(gè)時(shí)隙內(nèi)總得設(shè)備數(shù)量和成功的設(shè)備數(shù)量恒定時(shí)，每個(gè)時(shí)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(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)回退窗口的累積部分

每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)，參與競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)備中包含新到達(dá)的設(shè)備（進(jìn)行第一次前導(dǎo)碼傳輸?shù)脑O(shè)備）和之前時(shí)隙內(nèi)發(fā)生沖突在本時(shí)隙進(jìn)行重傳的設(shè)備。由于每個(gè)設(shè)備最大可進(jìn)行NPTmax次傳輸，則每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)進(jìn)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(shí)隙內(nèi)進(jìn)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(shí)隙i內(nèi)進(jìn)行第n次重傳。Kmin、Kmax分別表示能夠在時(shí)隙i進(jìn)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(shí)隙內(nèi)k傳輸前導(dǎo)碼失敗的設(shè)備在時(shí)隙i進(jìn)行重傳的比例，則αk,i為：

每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙i內(nèi)進(jìn)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(shí)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(jī)接入時(shí)隙i內(nèi)進(jìn)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(jī)制的組尋呼擁塞控制方法

在所提的機(jī)制內(nèi)，當(dāng)組內(nèi)設(shè)備收到尋呼消息發(fā)起隨機(jī)接入進(jìn)程前，基站首先將參與競(jìng)爭(zhēng)的M2M設(shè)備均勻分布到整個(gè)尋呼周期內(nèi)的各個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)，則每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)新到達(dá)的設(shè)備數(shù)為：

Marv表示每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)新到達(dá)的設(shè)備數(shù)，即每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)進(jìn)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(jī)接入時(shí)隙的最大序號(hào)。

然后，根據(jù)式（7）～式（10）得出隨機(jī)時(shí)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(jī)接入時(shí)隙i內(nèi)進(jìn)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(jī)接入時(shí)隙i內(nèi)第n次傳輸前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)量及該時(shí)隙內(nèi)傳輸前導(dǎo)碼的設(shè)備總數(shù)（NPTmax=5）

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，計(jì)算ACB機(jī)制的禁止參數(shù)ac_BarringFactor，即取每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)可用的前導(dǎo)碼數(shù)量和參與競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)備數(shù)量之比與1之間的最小值：

最后，通過式（17）達(dá)到動(dòng)態(tài)控制每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙內(nèi)參與競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)備數(shù)量。

3 性能分析

3.1 性能指標(biāo)

采用如表1所示的參數(shù)對(duì)GP機(jī)制、PBO機(jī)制和本文所提機(jī)制進(jìn)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(píng)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(gè)隨機(jī)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(gè)或多個(gè)MTC設(shè)備以相同的前導(dǎo)碼在相同的頻帶上發(fā)送隨機(jī)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(gè)隨機(jī)接入時(shí)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(shí)延指設(shè)備成功完成隨機(jī)接入過程的平均時(shí)間，即完成隨機(jī)接入過程的設(shè)備的總時(shí)延除以完成隨機(jī)接入過程的設(shè)備的總數(shù)。Ti表示在時(shí)隙i false內(nèi)發(fā)起隨機(jī)接入過程并完成前導(dǎo)碼傳輸和信息傳輸?shù)脑O(shè)備時(shí)延[17]。

3.2 結(jié) 果

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

如圖7所示，本文所提機(jī)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(duì)于較小的群組，組尋呼機(jī)制和預(yù)回退機(jī)制的沖突概率較小。隨著M2M設(shè)備的增加，組尋呼機(jī)制較預(yù)回退機(jī)制的沖突率更高，兩種機(jī)制沖突率增長(zhǎng)迅速。當(dāng)M=1 000時(shí)，兩種機(jī)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(dāng)MTC設(shè)備數(shù)量比較小時(shí)，組尋呼機(jī)制的資源利用率比預(yù)回退機(jī)制要好；當(dāng)M=750時(shí)，預(yù)回退機(jī)制取得了一定改善；而當(dāng)MTC設(shè)備數(shù)量較大時(shí)，預(yù)回退機(jī)制的行為幾乎與組尋呼機(jī)制相同。但是，當(dāng)超過 M＞2 000時(shí)，兩種機(jī)制資源利用率都會(huì)降低，且低于5%。與兩種機(jī)制相比，本文所提機(jī)制實(shí)現(xiàn)了較高的資源利用率。尤其是當(dāng)MTC設(shè)備數(shù)量較大時(shí)，本文所提機(jī)制的資源利用率保持在25%左右，與組尋呼和預(yù)回退機(jī)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(dāng)組較小，NPTmax=10時(shí)，組尋呼和預(yù)回退機(jī)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(shí)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(jī)制的組尋呼擁塞控制方法。通過對(duì)所提機(jī)制與組尋呼、預(yù)回退機(jī)制的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，所提機(jī)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。