LTE下基于群組的MTC擁塞控制機(jī)制研究

王浩 劉涌 趙靜雅

摘要：為了保證H2H（Human-to-Human）的通信質(zhì)量以及M2M（Machine-to-Machine）通信的優(yōu)化、同時(shí)解決MTC（Machine-Type-Communication）擁塞的問(wèn)題，本文提出一種基于群組的并通過(guò)調(diào)整群組中的中繼設(shè)備發(fā)起接入請(qǐng)求時(shí)消息隊(duì)列長(zhǎng)度的閾值的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)擁塞控制和節(jié)能的效果，最后通過(guò)仿真說(shuō)明和驗(yàn)證了該方法擁有擁塞控制和節(jié)能的作用。

關(guān)鍵詞：MTC；群組；消息隊(duì)列；擁塞控制；節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）15-0051-02

隨著大量的不同自動(dòng)化系統(tǒng)的出現(xiàn)，機(jī)器與機(jī)器之間的通信越來(lái)越重要，M2M（Machine-to-Machine）通信或者M(jìn)TC（Machine-Type-Communication）已經(jīng)成為一種新的通信范例，比如在物聯(lián)網(wǎng)，小型電網(wǎng)，環(huán)境監(jiān)測(cè)中等等。因?yàn)樵械膫鹘y(tǒng)的人與人（Human-to-Human）通信和M2M通信在網(wǎng)絡(luò)中共存，又由于MTC本身的特點(diǎn)，設(shè)備數(shù)量巨大，網(wǎng)絡(luò)接入請(qǐng)求頻繁，在隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)很容易造成擁塞，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效用和造成能源消耗，而且MTC業(yè)務(wù)種類(lèi)的多樣性導(dǎo)致現(xiàn)有的擁塞控制方法各有局限性，所以為了保證H2H的通信質(zhì)量以及M2M通信的優(yōu)化，解決MTC擁塞是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，而改進(jìn)現(xiàn)有方法和提出新方法正是本文所要做的工作。

1 MTC接入擁塞場(chǎng)景

當(dāng)海量的MTC設(shè)備承載在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)承載的終端設(shè)備有限，因此很可能造成網(wǎng)絡(luò)的過(guò)載，總的說(shuō)來(lái)主要有大量MTC設(shè)備在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)造成接入網(wǎng)的資源過(guò)載，還有大量MTC設(shè)備在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)引發(fā)的信令擁塞，以及大量MTC設(shè)備成功接入網(wǎng)絡(luò)后，與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互時(shí)引發(fā)的核心網(wǎng)擁塞。

其中網(wǎng)絡(luò)擁塞主要包括：接入網(wǎng)（RAN）擁塞和核心網(wǎng)（CN）擁塞；RAN擁塞通常發(fā)生在特定的小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，當(dāng)大量設(shè)備同時(shí)接入到同一個(gè)基站時(shí)，就會(huì)在接入網(wǎng)產(chǎn)生擁塞。比如：災(zāi)害監(jiān)測(cè)，當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)，該地區(qū)所有的M2M設(shè)備將會(huì)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)上報(bào)，由于接入網(wǎng)的接入信道等相關(guān)資源是有限的，這種情況下極易造成接入網(wǎng)的擁塞。當(dāng)一大群MTC設(shè)備以高度同步的方式接入到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，比如停電之后所有設(shè)備的重啟，這種應(yīng)用場(chǎng)景下，會(huì)使核心網(wǎng)CN產(chǎn)生嚴(yán)重的擁塞，從而可能造成不能容忍的延遲、包丟失，甚至服務(wù)中斷等無(wú)法挽回的后果。

2 MTC基于群組的擁塞控制和節(jié)能實(shí)現(xiàn)

一種基于分群尋呼的M2M數(shù)據(jù)傳輸方法，這種方法主要是依據(jù)MTC終端的時(shí)延敏感度來(lái)對(duì)其進(jìn)行分群，將具有相同時(shí)延容忍特性的MTC終端劃分為一個(gè)群組。網(wǎng)絡(luò)側(cè)可對(duì)任意時(shí)刻的業(yè)務(wù)到達(dá)率做出估計(jì)，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻有業(yè)務(wù)需要上傳的群組依照其時(shí)延敏感度進(jìn)行接入排序，時(shí)延要求高的群組優(yōu)先接入，時(shí)延要求低的群組排后，然后基站側(cè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前剩余資源和某群所需資源進(jìn)行比較，如果有足夠資源的話(huà)，才向時(shí)延敏感度要求最高的匹配群組發(fā)送一條群尋呼觸發(fā)消息，當(dāng)M2M服務(wù)器在時(shí)延允許的范圍內(nèi)收到規(guī)定數(shù)量的上報(bào)信息時(shí)，則認(rèn)為該群傳輸成功。若網(wǎng)絡(luò)側(cè)隨機(jī)接入資源未超時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)依據(jù)上一次輪詢(xún)的結(jié)果群組尋呼下一個(gè)時(shí)延敏感度未超時(shí)的MTC群組接入。若上次輪詢(xún)結(jié)果中的所有群組的時(shí)延敏感度均超時(shí)，則M2M服務(wù)器等待下一個(gè) M2M設(shè)備請(qǐng)求更新信息的到來(lái)，如此循環(huán)。當(dāng)然上述的群組劃分依據(jù)是多樣的，除了時(shí)延容忍特性之外，可以根據(jù)MTC業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)劃分，然后對(duì)分組尋呼的順序進(jìn)行調(diào)整。

3 群組形成及閾值設(shè)置

首先對(duì)于群組的形成，我們根據(jù)MTC設(shè)備或者業(yè)務(wù)的特性進(jìn)行分組，比如該組MTC設(shè)備對(duì)能量消耗有相當(dāng)高的要求，或者該組MTC設(shè)備都服務(wù)于環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)群組形成后，對(duì)于每一個(gè)分組，它們都將有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的MTC UE甚至一個(gè)網(wǎng)關(guān)，來(lái)負(fù)責(zé)接收分組內(nèi)各個(gè)MTC設(shè)備的消息傳輸請(qǐng)求，并將請(qǐng)求中繼到基站來(lái)進(jìn)行下一步的網(wǎng)絡(luò)連接，群組的優(yōu)勢(shì)就在于此。

假設(shè)原本有100個(gè)MTC設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)，那么此時(shí)這100個(gè)MTC設(shè)備的隨機(jī)接入會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，且成功接入的設(shè)備會(huì)被分配網(wǎng)絡(luò)資源。但當(dāng)這100個(gè)MTC設(shè)備組成一個(gè)分組時(shí)，若這個(gè)分組有一個(gè)特定的中繼設(shè)備來(lái)為這么多設(shè)備中繼請(qǐng)求，也就是當(dāng)中繼設(shè)備接收到這100個(gè)請(qǐng)求時(shí)，它用一次成功的隨機(jī)接入可以將這100個(gè)請(qǐng)求一次發(fā)出（因?yàn)檎?qǐng)求所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包較小，我們?cè)O(shè)定不論1個(gè)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包或者是100個(gè)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包均能在一次成功的隨機(jī)接入內(nèi)完成傳輸），那這樣不僅減少了請(qǐng)求產(chǎn)生沖突的可能性和請(qǐng)求失敗的概率，也節(jié)省了很多網(wǎng)絡(luò)資源。

4仿真設(shè)計(jì)

設(shè)分組內(nèi)MTC業(yè)務(wù)的到達(dá)率服從泊松分布，那么到達(dá)率就等于單位時(shí)間內(nèi)分組內(nèi)所有MTC設(shè)備請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)的次數(shù)。這里首先提出績(jī)效的概念，由單詞Utility（效用，績(jī)效）而來(lái)，用來(lái)度量事件對(duì)整體的貢獻(xiàn)大小，貢獻(xiàn)可正面，可負(fù)面，正面貢獻(xiàn)加到整體績(jī)效中，負(fù)面績(jī)效從整體績(jī)效中扣除。根據(jù)我們擁塞控制和節(jié)能的目的，本文提出這樣一組公式：

[Ts=Q/λTd=Td+Tak=S/QU=S?q+k?Ts?ws-k?（Ta?wa+Td?w）] （1）

公式中，[Q]代表中繼設(shè)備消息隊(duì)列的閾值；[U]代表該分組整體的績(jī)效，表示分組完成所有接入請(qǐng)求的中繼傳輸產(chǎn)生的績(jī)效；[S]表示分組內(nèi)需要為MTC設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的的總接入請(qǐng)求數(shù)；[q]表示每完成一個(gè)MTC設(shè)備接入請(qǐng)求產(chǎn)生的績(jī)效；[Ts]表示中繼設(shè)備的消息隊(duì)列在未達(dá)到觸發(fā)中繼的閾值之前，處于休眠狀態(tài)的時(shí)間；[Ts]對(duì)應(yīng)的[Ta]則恰好指中繼設(shè)備觸發(fā)中繼后發(fā)起接入請(qǐng)求直到接入成功的時(shí)間，即激活的時(shí)間；與[Ts]，[Ta]分別相乘的[ws]和[wa]分別代表分組內(nèi)中繼設(shè)備在未激活和激活狀態(tài)下的貢獻(xiàn)權(quán)重，即在一種狀態(tài)下貢獻(xiàn)（正面或者負(fù)面的）越大，對(duì)應(yīng)[ws]或[wa]越也越大，需注意[ws]、[wa]和為1；公式最后一項(xiàng)[Td?w]中，[Td]指分組內(nèi)中繼設(shè)備進(jìn)入休眠后從收到第一個(gè)MTC設(shè)備請(qǐng)求開(kāi)始，直到中繼設(shè)備的消息隊(duì)列達(dá)到閾值向eNodeB發(fā)起請(qǐng)求并完成接入再次進(jìn)入休眠的時(shí)間，由休眠期間隊(duì)列內(nèi)MTC請(qǐng)求等待的平均時(shí)延[Td]和激活時(shí)間[Ta]加和得到；與[Td]相乘的[w]是該分組內(nèi)MTC業(yè)務(wù)的時(shí)延敏感度，越敏感，[w]越大，能夠忍受的時(shí)延越小。規(guī)定[w]值范圍為（0，1）。另外，[k]表示為了完成所有接入請(qǐng)求的轉(zhuǎn)發(fā)，中繼設(shè)備需要中繼的次數(shù)。對(duì)于整個(gè)公式的分析，績(jī)效[U]為完成所有接入請(qǐng)求時(shí)的基礎(chǔ)績(jī)效加上中繼設(shè)備節(jié)能的績(jī)效，減去中繼設(shè)備激活時(shí)和總延遲造成的負(fù)面績(jī)效。

5結(jié)語(yǔ)

本文從群組內(nèi)每個(gè)分組的中繼設(shè)備特點(diǎn)開(kāi)始介紹，著重解釋消息隊(duì)列的概念和設(shè)備工作時(shí)的狀態(tài)以及中繼轉(zhuǎn)發(fā)消息的過(guò)程，然后正式提出基于群組，調(diào)整中繼設(shè)備消息隊(duì)列閾值來(lái)提高分組績(jī)效的方法，并通過(guò)仿真說(shuō)明和驗(yàn)證了該方法擁有擁塞控制和節(jié)能的作用。

不論是物聯(lián)網(wǎng)，或是M2M通信的發(fā)展和H2H通信更緊密的融合，未來(lái)萬(wàn)物相聯(lián)系的勢(shì)態(tài)已經(jīng)不可阻擋，為此要更認(rèn)真地分析實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)形勢(shì)，更有創(chuàng)造力地為解決網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題提出解決方案。針對(duì)MTC的擁塞控制，現(xiàn)有方法自然有所用途，但它們一定能夠再一步得到優(yōu)化，本文提到的群組下調(diào)整消息隊(duì)列的方法亦然，它對(duì)很多細(xì)節(jié)問(wèn)題還可以更深層次地討論，因此對(duì)于相關(guān)公式的設(shè)計(jì)和約束條件的設(shè)置都還需要很多優(yōu)化改進(jìn)。

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