MTC组寻呼基于提前退避接入策略研究*

蒋 伟,王 献

(西南交通大学信息科学与技术学院,四川成都610031)

MTC组寻呼基于提前退避接入策略研究*

蒋 伟,王 献

(西南交通大学信息科学与技术学院,四川成都610031)

组寻呼方案有效的解决了大量机器类型通信(MTC,Machine-type Communications)设备同时接入LTE无线网络的拥塞问题。主要对MTC组寻呼基于提前退避的随机接入策略进行深入研究,通过对组寻呼基于提前退避策略进行理论建模,得到其性能分析表达式。数值分析结果表明,基于提前退避的随机接入策略比基于传统的随机接入策略更能提高组寻呼的接入性能。

MTC 组寻呼 随机接入 提前退避 过载控制

0 引 言

机器类通信(MTC,machine-type communication)也命名为机器到机器(M2M,machine-to-machine)通信,是由3GPP定义的一种在蜂窝网络下机器之间通信的新兴服务。MTC是物联网的研究热点,是最近几年国内外才开始研究,文献[1]对MTC研究发展动态和最新进展进行了相关介绍。MTC通常涉及到大量的MTC设备来支持各种应用,比如,测量、道路安全和电子消费设备等。然而,当大量的MTC设备同时接入无线网络时可能会导致不可容忍的时延、丢包或者当前的人到人(H2H, human-to-human)通信服务不能使用。因此,在严重的MTC过载条件下,需要适当的过载控制机制来保证无线接入网络的可用性和H2H服务质量[2]。

在3GPP LTE无线接入网络中,过载控制被认为是第一优先级优化问题。文献[2-5]对MTC的过载控制候选方案进行了介绍,包括基于推起(push -based)和基于拉起(pull-based)的两大类,并总结了各方案的优缺点,其中组寻呼方案是典型的基于拉起的过载控制方案,能有效的解决网络过载。组寻呼已在文献[6-10]中进行了相关研究。文献[6]首次对组寻呼性能进行了仿真,得到了设备的接入成功概率、冲突概率、平均前导传输次数、平均接入时延等性能结果。WEI Chia-hung等人在文献[7]中提出了利用多时隙ALOHA接入方式对组寻呼进行系统建模,并在文献[8]中得到组寻呼的性能表达式和详细的性能分析结果。然而以上文献都可以观察到,当寻呼组设备数量过大时,设备的接入成功概率非常低。文献[9]提出一种动态资源分配方案,有效的提高了组寻呼的接入性能。文献[10]讨论了如何提高组寻呼的性能,然而没有具体执行方案和性能评估结果。

基于MTC组寻呼的接入性能不够理想的缺点,文中提出将提前退避的随机接入策略[11]应用到组寻呼机制中,期望该策略使组寻呼有更好的接入性能。文中将对组寻呼基于提前退避的随机接入策略进行理论建模,得到组寻呼的性能分析表达式。文中将会评估组寻呼在这种策略下的接入性能,并与组寻呼方案基于传统的随机接入策略的性能进行比较。数值计算表明,提前退避的随机接入策略有效的提高了组寻呼的接入性能。

1 组寻呼接入策略

1.1 组寻呼基于传统的随机接入策略

在LTE系统中,设备终端(UE,User Equipment)要和系统正常通信,一般要经历两个过程:随机接入过程和实际通信过程。随机接入过程主要分为基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程[12]。基于竞争的随机接入过程如图1所示,有以下四步:①UE随机选择并发送随机接入前导到eNodeB;②eNodeB为UE发送随机接入响应;③UE传输调度传输请求到eNodeB;④冲突解决。而基于非竞争的随机接入过程则是由网络为UE分配专用的随机接入资源,有效的避免了基于竞争的随机接入过程中的UE与其他UE选择相同的随机接入资源而发生冲突的问题。然而考虑到大量MTC设备的随机突发特点,基于竞争的随机接入过程更加适合MTC应用。文中将MTC应用基于竞争的随机接入策略称为传统的随机接入策略。

组寻呼采用基于传统的随机接入策略时,一般假设一组大小为M的MTC设备均匀的分布在一个小区中,且M个设备具有一个相同的GID(group identity)。当网络需要触发设备通信时,可以利用这个GID来寻呼M个设备,设备监听到组寻呼消息后,首先在前导组中随机的选择一个前导在随机接入时隙上进行发送,然后eNodeB在成功解码前导后回复一个随机接入响应消息来指示随机接入,如果设备在随机接入响应窗口内没有收到随机接入响应消息,则被认为是冲突的设备[2]。当两个或多个设备同时选择一个前导时,由于eNodeB无法对前导进行解码而不会回复随机接入响应,所以冲突将会发生。所有冲突的设备将会执行随机退避和重传随机接入请求在下一次随机接入时隙。所有冲突设备重复该过程直到设备接入成功或者达到最大的前导传输次数时,设备将不再发起接入请求。

图1 基于竞争的随机接入过程Fig.1 Random access procedure based on contention

1.2 组寻呼基于提前退避的随机接入策略

基于提前退避的随机接入策略如图2所示,有以下五步:①UE从eNodeB接收提前退避消息,进行随机退避;②UE在提前退避指示器为零时,随机选择并发送随机接入前导到eNodeB;③eNodeB为UE发送随机接入响应;④UE传输调度传输请求到eNodeB;⑤冲突解决。组寻呼采用基于提前退避的随机接入策略时,与传统的随机接入策略不同点在于设备在接收到组寻呼消息后,根据组寻呼消息中的提前退避指示器,先在提前退避窗口[0,Pre-BI]内随机的进行退避,然后等到退避计时器为0时才发起第一次随机接入请求,即发送前导消息。因此,组寻呼基于提前退避的随机接入策略在一次寻呼间隔时间内,当完成提前退避过程后,冲突的设备将进行传统的随机接入过程,直到设备达到最大的前导传输次数或者寻呼周期结束。

图2 基于提前退避的随机接入过程Fig.2 Random access procedure based on pre-backoff

2 系统模型

2.1 组寻呼分析模型

文中将引用文献[8]中的建模方法,采用多信道时隙ALOHA系统的接入方式对基于提前退避的随机接入策略进行建模,然后对组寻呼进行性能分析。图3描绘了LTE中的时域随机接入结构[13],其中每N个子帧有一个随机接入时隙,每个随机接入时隙的时间长度TRA。其中BWRA表示随机接入信道带宽,TRA_REP表示两次随机接入时隙之间的间隔,由基站发送的物理随机接入信道配置索引决定,比如,由文献[14]可知,当物理随机接入信道配置索引为6时,TRA_REP=5个子帧。在每一个随机接入时隙内,有R个随机接入前导可提供给设备随机选择。图4给出了一个寻呼间隔时间内的时域随机接入结构的等效系统模型,在这个组寻呼系统模型中,一次组寻呼间隔时间Tpaging开始于第一个随机接入时隙,结束于第Imax个接入时隙,其中Imax由随机接入过程的最大前导传输次数NPTmax决定。由随机接入过程可知,一旦设备接收到组寻呼消息,所有设备将会在第一个随机接入时隙进行第一次前导传输,如果设备接入失败,设备可能再发起NPTmax-1次前导传输,其中失败设备发起一次新的前导传输的时间间隔是[TRAR+WRAR+1,TRAR+WRAR+WBI],所以可以得到

式中,TRAR表示从前导发送开始到基站检测到前导的处理时间,WRAR表示随机接入响应窗口的长度, WBI表示退避窗口大小。所以可以得到一次寻呼间隔长度Tpaging=1+(Imax-1)×TRA_REP个子帧。

图3 LTE中的时域随机接入结构Fig.3 Timing diagram of random access scheme in LTE

图4 组寻呼基于提前退避的随机接入策略的系统时域结构等效Fig.4 Timing diagram of group paging based on pre-backoff random access scheme

由组寻呼系统模型可知,当M个设备接收到包含提前退避指示器Pre-BI(Pre-backoff indicator)的组寻呼消息时,设备在提前退避窗口内进行随机退避,然后发送随机接入前导。假设Mi[n]为第i个随机接入时隙内进行第n次前导传输的MTC竞争设备;Mi,S[n]为第i个随机接入时隙进行第n次前导传输且成功的MTC设备,即该设备选择的前导没有冲突,eNodeB对前导成功检测,并收到随机接入响应;Mi,F[n]为第i个随机接入时隙进行第n次前导传输失败的MTC设备,其中1≤i≤Imax,1≤n≤NPTmax。同时假设Mi为第i个随机接入时隙内进行竞争传输前导的设备总数,可以得到等式

通过文献[7,8,15],可以知道M个设备同时竞争R个随机接入前导,设备不冲突的概率为Ps=,因此可以得到

式中,Pn是基站成功检测前导的概率,且有Pn=1-1/en,1≤n≤NPTmax。

由图1所示的随机接入过程可知,设备接入成功必须完成4步过程,文献[8]中证明了第3、4步过程设备失败的概率几乎为0,因此文中不再考虑这两步接入过程对组寻呼的性能影响。由组寻呼模型可知,设备根据提前退避过程和冲突失败后的退避过程可得到

其中αk,i是MTC设备接入失败后由k时隙转移到i时隙的转移概率,该概率由随机接入过程中的退避过程决定。由随机过程可知,当一个设备接收到组寻呼消息后,设备随机选择一个前导在随机接入时隙内传输,当一个设备选择的前导发生冲突,即经历1+TRAR+WRAR时间后,没有接收到随机接入响应消息,或者设备选择的前导没发生冲突,但是基站没有成功的检测到前导,这些设备都认为是接入失败设备。接入失败的设备然后就会根据随机接入过程中的退避指示器BI进行退避,因此可以得到失败设备从接入失败的时隙k到再次发起接入的时隙i的转移概率:

由以上分析过程可知,Mi,S[n],Mi,F[n]和Mi[n]可以由式(3)、式(4)、式(5)、式(6)进行迭代运算获得。

2.2 性能尺度

文中选择对组寻呼在一次寻呼间隔内的以下几个主要的性能尺度进行评估,主要包括冲突概率、成功接入概率、前导平均传输次数、平均接入时延。冲突概率PC定义为当两个或者多个MTC设备选择以相同的前导在相同的频谱上发送随机接入尝试而发生碰撞的数量与全部的随机接入机会的比率。PC即在一次寻呼时间间隔Tpaging内冲突的随机接入请求与总的随机接入机会,由式(1)可知,只需要把Imax内的每一个随机接入时隙内冲突的随机接入尝试和随机接入机会之比求和,其中在一个随机接入时隙内,可以通过总随机接入机会R减去成功的随机接入尝试和空闲的随机接入机会,得到冲突的随机接入尝试数量[7]。因此可以得到冲突概率

成功接入概率PS定义为在一个寻呼时间间隔内,在最大前导传输次数内成功完成随机接入过程的设备的概率,即成功接入的MTC设备总量与寻呼组MTC设备总量之比。其中成功接入的MTC设备总量为寻呼时间间隔内每一个随机接入时隙成功接入设备的总和。因此可以得到

前导平均传输次数Nave_preamble定义为一次寻呼时间间隔内成功接入的MTC设备平均需要发送前导的次数。即

平均接入时延Da定义为全部成功接入的设备从接收到组寻呼消息到完成随机接入过程的时间的平均值。即

式中,Ti为设备在第i个随机接入时隙成功接入的时间。

3 数值计算和性能分析

文中主要是通过MATLAB对组寻呼的性能尺度进行数值计算,并比较组寻呼在传统随机接入策略和基于提前退避的随机接入策略两种条件下的性能差异。在组寻呼中,文中将对每一组MTC设备数量M、每个随机接入时隙预留的随机接入机会数量R、最大前导传输次数NPTmax、退避指示器大小BI、提前退避指示器大小Pre-BI等参数进行调整来观察成功接入概率PS、平均前导传输次数Nave_preamble、平均接入时延Da等的性能差异,以观察那一种随机接入策略更加优越。为了简单计算和体现提前退避随机接入策略的优越性,文中将R、NPTmax、BI等参数在计算中固定,只变化M和Pre-BI的大小。在数值计算中要用到的随机接入相关的系统参数将在表1给出。

表1 组寻呼随机接入策略的基本仿真参数Table 1 Basic simulation parameters for group paging access scheme

图5将给出不同寻呼组大小M条件下,组寻呼基于提前退避的随机接入策略和基于传统的随机接入策略的成功接入概率PS。设置提前退避值Pre-BI分别为0 ms,50 ms、100 ms、200 ms,250 ms。当Pre-BI=0时,代表组寻呼没有采用提前退避过程,采用的是传统的随机接入策略。可以观察到当M＞500时,组寻呼基于提前退避的随机接入策略的成功接入概率比组寻呼基于传统的随机接入策略的成功接入概率高很多,而M＜500时,两种随机接入策略的成功接入概率几乎相等,因此当寻呼组比较小时,两种策略都能满足网络要求。然而同样可以观察到当M逐渐增加时,两种方案的成功接入概率都是逐渐降低,因此可以给出结论,M应该在一定的合理范围内,才能保证寻呼组设备的成功接入概率。可以假设,网络为了保证服务质量,设定设备的成功接入概率PS=0.9,由图5中可以看出组寻呼基于提前退避的随机接入策略比组寻呼基于传统的随机接入策略寻呼的组的设备量更大。图5中当Pre-BI= 250 ms时,设备的接入成功率有一部分比Pre-BI= 200 ms的要低,之所以出现这种结果,是因为提前退避值越大,设备越分散,冲突的概率虽然减小了,但是后面冲突的设备随着寻呼周期的结束而将没有接入机会,网络直接认为是接入失败,所以设备接入成功率有所下降。由图6可知,当组设备量确定的条件下,分别设定组大小为800,1 000,随着提前退避值的增大,设备的成功接入概率并不是单调递增的,说明选择适当的提前退避值可以使组寻呼成功接入概率达到最优。

图5 两种组寻呼接入策略的设备成功接入概率Fig.5 Access success probability of two group paging access schemes

图6 不同提前退避值,组寻呼的成功接入概率Fig.6 Access success probability of group paging vs.Pre-BI value

图7给出的是组寻呼在提前退避随机接入策略和传统随机接入策略下的平均前导传输次数Nave_preamble。平均前导传输次数越大意味着更多的频繁的功率爬坡,这有可能进一步的影响MTC设备和H2H设备的接入性能[11]。由图7可以明显的看出,组寻呼基于提前退避的随机接入策略比组寻呼基于传统的随机接入策略的前导平均传输次数更少,当M相同时,Pre-BI越大,Nave_preamble越小,并且随着M的增加,两种策略的前导平均传输次数都在增大,可以得出结论,寻呼组M越大,前导平均传输次数越大,设备的发送功率消耗越多,对网络的干扰越大。

图7 两种组寻呼接入策略的平均前导传输次数Fig.7 Average number of preamble transmissions of the two group paging access schemes

图8给出组寻呼基于提前退避随机接入策略和组寻呼基于传统随机接入退避策略的平均接入时延Da。由图中可以看出,在不同提前退避值的条件下,成功接入的设备的平均时延各不相同,且没有一般的规律可循,当M较小时,由于提前退避随机接入策略将设备分散开来,所以设备的平均接入时延比原来的组寻呼接入策略的时延大,而当M比较大时,组寻呼基于提前退避随机接入策略的平均时延比组寻呼基于传统的随机接入策略要低。考虑到组寻呼MTC设备大部分具有延迟容忍性质,时延不是首要考虑因素,在一个寻呼周期间隔内都算是合理的。

图8 两种组寻呼接入策略的平均接入时延Fig.8 Average access delay of the two group paging access schemes

4 结 语

针对MTC组寻呼方案的缺陷,文中通过组寻呼基于提前退避的随机接入策略进行理论建模并进行了性能分析。通过数值分析表明,组寻呼采用基于提前退避的随机接入策略比传统的随机接入策略的接入性能更好。文中为组寻呼应用基于提前退避的随机接入策略提供了理论指导意义,并得出结论基于提前退避的随机接入策略更能适应大量MTC设备布局的LTE无线接入网络,组寻呼应用此策略更能发挥其过载控制的作用。

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JIANG Wei(1988-),male,M.Sci., majoring in mobility management and performance modeling for personal communications service network,and machine-type communications.

王 献(1979-),男,博士,副教授,主要研究方向为移动性管理和个人通信服务网络性能建模,排队系统。

WANG Xian(1979-),male,Ph.D.,associate professor,mainly engaged in mobility management and performance modeling for personal communications service network and queueing system.

Group Paging based on Pre-Backoff Access Scheme in Machine-Type Communications

JIANG Wei,WANG Xian
(School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)

Group paging scheme could efficiently solve the problem of radio access network congestion when a large number of machine-type communication(MTC)devices make simultaneous access to LTE network.In this paper,an analytical model to assess the access performance of group paging based on prebackoff random access scheme is proposed,thus to derive analytical formulas for the access performance based on the model.Performance test of the group paging based on pre-backoff scheme is done in accordance with the performance of group paging based on traditional random access scheme.Numerical analysis results indicate that the pre-backoff random access scheme could remarkably enhance the access performance of the group paging.

MTC;group paging;random access;pre-backoff;overload control

TN929.5

A

1002-0802(2014)02-0172-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.011

蒋 伟(1988-),男,硕士,主要研究方向为移动性管理和个人通信服务网络性能建模,机器类型通信;

国家自然科学基金资助项目(No.61171096)

Foundation Item:Supported by the National Science Foundation of China(No.61171096)