机器类通信终端蜂窝网接入拥塞控制

李 鹏 梁康有

(1. 重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆 402160；2. 重庆大学通信工程学院， 重庆 400044)



机器类通信终端蜂窝网接入拥塞控制

李 鹏1,2梁康有1

(1. 重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆 402160；2. 重庆大学通信工程学院， 重庆 400044)

针对网络接入拥塞问题，设计一套机器类通信终端蜂窝网接入拥塞控制方案。基于动态资源分配，利用机器类终端接入检测机制，控制蜂窝网机器类通信接入资源的数量及瞬时接入强度，以降低接入冲突率。

动态资源分配; 机器类通信; 蜂窝网; 拥塞控制

机器类通信MTC(Machine-type-Communication) 是指利用自动控制技术和网络通信技术，在没有人工参与的情况下，实现机器与机器之间自主数据通信与信息交互的一系列技术或技术组合的总称[1]。MTC通常也被称为机器与机器之间的通信M2M(Machine-to-Machine)。MTC具有终端数量庞大、通信数据量小、通信定时、对时延不敏感、终端移动性较低等特征。MTC是智能电网、智能家居、道路安全、健康管理等物联网、泛在网应用实现的重要基础。

蜂窝网是承载MTC通信的重要无线网络之一。数量众多、类型各异的机器类终端在同一瞬时接入蜂窝网将导致接入延时，数据丢失，甚至影响人与人之间的通信H2H(Human-to-Human)[2-3]。为此，研究人员一直致力于解决海量MTC终端蜂窝网接入拥塞问题，以确保蜂窝网络中MTC通信及H2H通信的正常工作。国际通信标准组织3GPP(the 3rdGeneration Partnership Project)在其技术报告TR 37.868中总结了MTC拥塞控制研究的最新进展，并且定义了接入冲突率、接入成功率、接入资源空闲率这3个性能指标[4]，以评价各类接入拥塞控制方案的性能。

本次研究是在各类接入拥塞控制方案的基础上，提出一套基于动态资源分配的机器类终端蜂窝网接入拥塞控制方案，以降低接入冲突率。在此，利用3GPP定义的评价指标对方案进行数值分析和仿真。

1 蜂窝网接入资源

在第4代移动通信规范LTE-Advanced中，随机接入资源称为RAOs(Random-Access-Opportunities)。图1 所示为随机接入资源示意图。接入资源公式为：

L=m×n×k

(1)

式中：m为1s内随机接入时隙(slot)的数目；n为1个时隙内随机接入频段的数目；k为1个时隙内随机接入前导的数目；L为1s内随机接入机会的数目。

图1 随机接入资源示意图

2 接入资源动态分配及接入检测

为在实现MTC通信的同时，确保H2H通信的正常服务。 将系统随机接入资源RAOs划分为2部分。如图2所示，接入资源中的β分配给MTC通信；(1-β)分配给H2H通信。β的取值是动态变化的，由网络通信资源分配策略决定。在H2H通信高负荷时段，β取值较小；在H2H通信低负荷时段，β取值较大。β的取值越大，分配给MTC通信的专属随机接入资源就越多。

图2 接入资源动态分配

图3 接入检测过程

如图3所示，当终端接入蜂窝网时，系统为每个机器类终端赋予一个随机数x。随机数x的取值范围为0～1，且服从均匀分布。当某MTC终端试图接入网络时，系统根据当前蜂窝网的负荷情况生成接入阈值α。接着将该终端上的随机数与当前接入检测阈值α作比较。若α>x，即禁止该MTC终端接入；若α

接入检测阈值α的大小由蜂窝网负荷情况决定。网络负荷越重，α的值越小，允许接入的MTC终端数量越少；网络负荷越轻，α的值越大，允许接入的MTC终端数量越多。假定γ为随机接入强度，为单个小区MTC终端1 s内发起的随机接入次数。在采用接入检测之后，随机接入强度从γ变为αγ。因此，接入检测能够控制随机接入强度的大小。

在终端被允许接入网络之后，执行如图4所示的随机接入RA(Radom Access)过程。随机接入过程为：第一步，MTC终端向基站发送随机接入前导；第二步，在随机接入响应时间段内，基站向MTC终端发送随机接入响应RAR(Radom Access Response)；第三步，MTC终端向基站发送携带终端标识的RRC(Radio Resource Control)连接请求；第四步，基站回复MTC终端连接建立确认信息。至此，MTC终端成功接入基站。

图4 MTC终端随机接入过程

3 拥塞控制方案性能评价指标

为了评价机器类通信拥塞控制方案的性能，3GPP的TR 37.868中定义了接入冲突率、接入成功率、接入资源闲置率等概念。接入冲突率pc,RAO定义为一段时间内，2个或2个以上MTC终端共用一个接入前导发起随机接入的次数与系统提供的所有RAOs数目之比，如式(2)所示：

(2)

接入成功率ps,RAO定义为一段时间内MTC终端成功接入使用的RAOs数目与所有RAOs数目之比，如式(3)所示：

(3)

接入资源闲置率pi,RAO定义为一段时间内未被占用的RAOs数目与所有RAOs数目之比，如式(4)所示：

(4)

MTC通信随机接入请求在时间上服从均匀分布[5]。在采用了接入资源动态分配及接入检测之后，系统接入强度由γ变为αγ，专属分配给MTC通信的MTC数目由L变为βL，则式(2)、(3)、(4)改写为式(5)、(6)、(7)。利用式(5)、(6)、(7)即可估算MTC通信蜂窝网接入拥塞控制方案的性能。

(5)

(6)

(7)

4 数值分析及仿真结果

将经典的Slotted Access Scheme方案(方案1)与本次设计方案(方案2)相比较。令网络接入强度γ=10，专属分配给MTC通信的RAOs数目L从2逐渐增长至60。表1所示为仿真参数设定。

表1 仿真参数设定

如图5所示，方案2的接入冲突率较方案1显著降低，接入冲突率随接入资源的增长而下降。这说明提供给MTC通信的接入资源越多，接入冲突率越低。

图5 接入冲突率对比曲线

如图6所示，方案2的接入成功率高于方案1。随着接入资源数量的增加，接入成功率先增大后减小。当γ>L时，系统处于过载状态，提供的接入资源越多，接入成功率就越高；当γ

由图7可知，随着接入资源的增多，将有更多的接入资源不能被利用。方案2与方案1的资源闲置率均随接入资源的增加而上升。总体而言，方案2的接入资源闲置率与方案1相比较低。也就是说，本次提出的方案2比方案1有着更高的接入资源利用率。

图6 接入成功率对比曲线

图7 接入资源闲置率对比

5 结 语

海量机器类终端在短时间内接入移动通信蜂窝网络时往往会引起网络拥塞。针对蜂窝网接入拥塞问题，提出了一种接入拥塞控制方案。本方案基于动态资源分配及接入检测机制，实现了对MTC接入资源数量和瞬时接入强度的控制。数值分析及仿真结果均表明，本次提出的机器类终端蜂窝网接入拥塞控制方案能够显著地降低接入冲突率，提高接入成功率及接入资源利用率。

[1] TALEB T,KUNZ A.Machine type communications in 3GPP networks potential,challenges,and solutions [J].IEEE Communications Magazine,2012,50(3):178-184.

[2] LIEN S Y,CHEN K C,LIN Y.Toward ubiquitous massive accesses in 3GPP Machine-to-Machine communications [J].IEEE Communications Magazine,2011,49(4):66-74.

[3] CHEN Y,WANG W.Machine-to-Machine communication in LTE-A [C]//IEEE Conference on Vehicular Technology (VTC 2010-Fall).2010:1-4.

[4] JAIN P,HEDMAN P,ZISIMOPOULOS H.Machine type communications in 3GPP systems [J].IEEE Communications Magazine,2012,50(11):28-35.

[5] 张嘉盛,李伏,迟学芬,等.M2M业务批量到达排队系统性能分析 [J].吉林大学学报(信息科学版),2012,30(4):335-340.

Access Congestion Control of Machine-Type Communication in Cellular Network

LIPeng1, 2LIANGKangyou1

(1.School of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China; 2.College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

To address the congestion problem of cellular network, this paper proposes a congestion control scheme for machine communication terminal cellular network. The number of random access opportunities and the access strength has been controlled by using dynamic resources allocation and access check process to reduce access conflict rate.

dynamic resources allocation; machine-type communication; cellular network; congestion control

2016-10-19

重庆市教委科学技术研究项目“基于软件无线电的LTE-Advanced异构无线通信网实时测试平台设计与实现”(KJ1501107)；重庆文理学院科学研究项目“海量机器类终端蜂窝网接入拥塞控制研究”(Y2015DQ35)

李鹏 (1981 — )，男，重庆大学博士研究生，讲师，研究方向为新一代宽带无线通信理论与技术。

梁康有 (1975 — )，男，讲师，研究方向为为电力电子技术及嵌入式系统。

TN929

A

1673-1980(2017)02-0096-03