M2M通信資源次優(yōu)分配算法研究

伍亞麗　康桂霞

摘要：考慮性能與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的折中，提出次優(yōu)的正交多址接入中接入信道與數(shù)據(jù)傳輸信道之間的資源分配算法。根據(jù)上行傳輸資源的數(shù)量，以接入容量最大化為準(zhǔn)則，推導(dǎo)信道資源分配比例與終端負(fù)載關(guān)系的表達(dá)式，采用簡化算法求解次優(yōu)解。確定機(jī)器與機(jī)器通信終端數(shù)量所屬的終端數(shù)量區(qū)間，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得與所確定的終端數(shù)量區(qū)間對(duì)應(yīng)的資源分配區(qū)間，根據(jù)所獲得的資源分配區(qū)間，進(jìn)行上行資源的分配。

關(guān)鍵詞：機(jī)器與機(jī)器通信；物理隨機(jī)接入信道；物理上行共享信道；資源分配

中圖分類號(hào)：TN929

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2017）10-0224-03

1.概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)浪潮已經(jīng)滲透到人們的日常生活。隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，未來的無線通信中會(huì)存在海量的物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器與機(jī)器（machine-to-ma-chine，M2M）通信終端。M2M技術(shù)，作為物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)階段主要的表現(xiàn)形式，以各種應(yīng)用為核心。M2M通信終端要完成數(shù)據(jù)傳輸，需要接人信道和數(shù)據(jù)傳輸信道資源。接人信道資源是用于發(fā)送前導(dǎo)序列的時(shí)頻資源塊（resource block，RB）。由于M2M通信的主要業(yè)務(wù)在上行，因此，接入信道和數(shù)據(jù)傳輸信道之間的資源分配是研究的重點(diǎn)。由于上行資源是有限的，物理隨機(jī)接人信道（phvsical Fandom access channel，PRACH）占用資源模塊過多時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致物理上行共享信道（physical uplinkshared channel，PUSCH）資源的減少，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗，影響通信質(zhì)量。反之，PUSCH占用資源模塊過多時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致PRACH資源的減少，進(jìn)而導(dǎo)致M2M終端接入失敗。

因此，為保證通信質(zhì)量并避免M2M終端接入失敗，上行信道資源必須進(jìn)行合理的分配。現(xiàn)有技術(shù)中，在每個(gè)隨機(jī)接人過程之前，基站都要根據(jù)M2M終端數(shù)量計(jì)算最優(yōu)的PRACH和PUSCH的資源配置。根據(jù)計(jì)算的資源配置，進(jìn)行PRACH和PUSCH資源的分配。由于M2M終端數(shù)量是不斷變化的，因此，如果在每個(gè)隨機(jī)接人周期前基站都要根據(jù)不同的M2M終端數(shù)量計(jì)算最優(yōu)的資源配置，計(jì)算量將會(huì)顯著增加。

針對(duì)上述問題，本文提出一種M2M通信中低復(fù)雜度的上行信道資源分配算法，有效減小傳統(tǒng)隨機(jī)接入過程中計(jì)算接人信道和數(shù)據(jù)傳輸信道資源配置的復(fù)雜度。

2.系統(tǒng)模型

隨機(jī)接入用來實(shí)現(xiàn)終端和基站的上行同步，上行傳輸資源分配，以及解決沖突。基于競爭的隨機(jī)接人過程包括：終端發(fā)送前導(dǎo)序列，基站發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)，終端發(fā)送調(diào)度信息以及基站發(fā)送競爭解決消息。假設(shè)上行傳輸資源為Q個(gè)RB，其中用于PRACH傳輸?shù)馁Y源為N個(gè)RB。在頻域，每個(gè)PRACH占用1.08 MHz，即6個(gè)RB有效帶寬，因此Ⅳ為6的倍數(shù)。定義，k為每個(gè)PRACH上分配的前導(dǎo)序列數(shù)量。定義Bi為選擇前導(dǎo)序列i的M2M終端數(shù)量。如果基站為檢測到的前導(dǎo)序列調(diào)度PUSCH，定義Si=1。成功發(fā)送一個(gè)M2M終端的過程包括：終端成功發(fā)送前導(dǎo)序列，并且具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸信道資源發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息。成功發(fā)送一個(gè)M2M終端的概率可以表示為：

在該種情況下，計(jì)算（a）中PRACH占用的RB數(shù)量為N‘時(shí)的接入容量，以及（b）中PRACH占用的RB數(shù)量為N+6時(shí)的接人容量，選擇較大接人容量所對(duì)應(yīng)PRACH占用的RB數(shù)量作為實(shí)際PRACH占用的RB數(shù)量。

可以看出，當(dāng)u變化時(shí)，需要重新計(jì)算廣的值。對(duì)于終端負(fù)載以及資源分配滿足條件min d≥1的情況，則需要進(jìn)一步計(jì)算（a）和（b）的接人容量，并進(jìn)行比較，為了區(qū)分本文所提出的資源分配方案，稱上述資源分配方案為參考方案。雖然參考方案雖然可以實(shí)現(xiàn)PRACH和PUSCH之間資源分配的均衡，然而資源分配的計(jì)算過程比較復(fù)雜，因此有必要設(shè)計(jì)一種低復(fù)雜度的上行資源分配算法。

圖1所示，在不同的Q值下，按照本文方案資源分配算法獲得的接入容量十分接近參考方案資源分配算法獲得的接入容量。在本文方案資源分配算法中，基站通過判斷終端負(fù)載位于的終端數(shù)量區(qū)間來確定信道資源分配比例，因此在獲得次優(yōu)接入容量的情況下有效地減小了計(jì)算信道資源配置的復(fù)雜度。

5.結(jié)論

針對(duì)上行信道資源分配算法復(fù)雜度較高這一不足，本文詳細(xì)推導(dǎo)了物理隨機(jī)接入信道以及物理上行共享信道資源分配比例與終端負(fù)載關(guān)系的表達(dá)式，基站只需根據(jù)待接入的M2M終端數(shù)量查找到對(duì)應(yīng)的M2M終端數(shù)量區(qū)間，從而得到對(duì)應(yīng)的資源分配區(qū)間，即可獲得對(duì)應(yīng)資源分配方案，顯著減少計(jì)算量。