面向差異化MTC 場(chǎng)景需求的隨機(jī)接入方案

吳哲夫，楊鑫源，翟文超，韓會(huì)梅

（1.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)，也是“信息化”時(shí)代發(fā)展的重要階段。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)每平方千米將部署100 萬(wàn)個(gè)設(shè)備，用于健康監(jiān)測(cè)、民用運(yùn)輸、智能監(jiān)控及其他領(lǐng)域。這種場(chǎng)景下需要大量的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)連接[1]，而現(xiàn)有的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE,long term evolution）隨機(jī)接入方案[2]并不是為處理大量接入請(qǐng)求而設(shè)計(jì)的，因此可能會(huì)導(dǎo)致接入信道嚴(yán)重?fù)砣?/p>

大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信（mMTC,massive machine type communication）和超可靠低時(shí)延通信（URLLC,ultra-reliable low latency communication）是5G 物聯(lián)網(wǎng)中2 個(gè)重要的應(yīng)用場(chǎng)景。第6 代移動(dòng)通信系統(tǒng)（6G,the sixth generation mobile communication system）將兼容5G 中的應(yīng)用場(chǎng)景，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)這兩大場(chǎng)景的增強(qiáng)融合[3]。mMTC 設(shè)備具有高連接密度低功耗、廣覆蓋、低激活概率、小數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)忍匦?。與mMTC 設(shè)備不同，URLLC 設(shè)備對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求高，需要滿足毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近百分之百的數(shù)據(jù)通信可靠性要求，以便及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和處理?，F(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入方案主要是針對(duì)人與人（H2H,human-to-human）通信的業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的，適于單一服務(wù)型用戶(hù)業(yè)務(wù)。若將其直接應(yīng)用于6G 通信中mMTC 設(shè)備和URLLC 設(shè)備的接入，將會(huì)產(chǎn)生如下問(wèn)題：1)難以適應(yīng)差異化場(chǎng)景下設(shè)備服務(wù)質(zhì)量的需求；2)由于海量設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)會(huì)造成頻繁的傳輸沖突，導(dǎo)致接入的吞吐量降低[4]。

目前，研究者對(duì)LTE 網(wǎng)絡(luò)適用于mMTC 設(shè)備和URLLC 設(shè)備的隨機(jī)接入方案展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)[5]提出了基于接入等級(jí)限制（ACB,acess class barring）的隨機(jī)接入方案。當(dāng)機(jī)器類(lèi)通信（MTC,machine type communication）設(shè)備請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將會(huì)在[0,1]選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，僅當(dāng)這個(gè)隨機(jī)數(shù)低于概率因子，設(shè)備才能進(jìn)行隨機(jī)接入。文獻(xiàn)[6]提出了基于擴(kuò)展ACB 的隨機(jī)接入方案，其基本思想是，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，不允許時(shí)延容忍的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，而只允許時(shí)延要求嚴(yán)格的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而進(jìn)一步減少擁塞。文獻(xiàn)[7]提出了一種聯(lián)合資源分配和接入等級(jí)限制的隨機(jī)接入方案，該方案根據(jù)可用資源塊數(shù)量和業(yè)務(wù)負(fù)載自適應(yīng)地改變ACB 參數(shù)，進(jìn)而動(dòng)態(tài)分配資源。文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了一個(gè)博弈論框架，在此框架下，基站先將其隨機(jī)接入資源分為3 個(gè)子集，分別在人與人通信、機(jī)器類(lèi)型通信和混合通信場(chǎng)景下使用，隨后通過(guò)納什均衡策略自適應(yīng)地分配流量負(fù)載來(lái)保證系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[9]提出了一種前導(dǎo)碼重用方案，該方案將小區(qū)空間劃分為多個(gè)區(qū)域，并減小接入前導(dǎo)碼的循環(huán)移位以生成更多的前導(dǎo)碼。文獻(xiàn)[10]提出了一種事件驅(qū)動(dòng)M2M（machine to machine）業(yè)務(wù)的流量控制隨機(jī)接入方案，通過(guò)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)隙內(nèi)的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼空閑比來(lái)估計(jì)信道流量，從而設(shè)計(jì)控制因子控制接入流量。

上述改善LTE 接入性能的解決方案主要通過(guò)控制接入的設(shè)備數(shù)或增加可用隨機(jī)接入資源來(lái)提高成功接入的設(shè)備數(shù)?？紤]大多數(shù)mMTC 設(shè)備的位置都是固定的，文獻(xiàn)[11-13]利用定時(shí)提前（TA,timing advance）來(lái)進(jìn)一步提高成功接入設(shè)備數(shù)。其中，文獻(xiàn)[11]提出一種基于TA 值比較的隨機(jī)接入機(jī)制，但是這種機(jī)制只單一地使用了TA 值比較，不能有效地緩解擁塞。文獻(xiàn)[12]將ACB 參數(shù)與TA 信息結(jié)合在一起，只有通過(guò)ACB 的MTC 設(shè)備才能隨機(jī)選擇并傳輸前導(dǎo)碼。當(dāng)具有不同TA 值的MTC選擇相同的前導(dǎo)碼，eNB（evolved node B）只能隨機(jī)選擇一個(gè)TA 索引。因此，當(dāng)有2 個(gè)或多個(gè)MTC設(shè)備選擇與eNB 所選TA 索引相對(duì)應(yīng)的相同前導(dǎo)碼時(shí)，沖突仍然存在。為緩解這種接入沖突，文獻(xiàn)[13]提出一種基于緩解沖突的TA 選擇的隨機(jī)接入方案。該方案提出了一種特殊的前導(dǎo)碼放置方法，以使eNB 能夠估計(jì)出具有不同TA 索引的競(jìng)爭(zhēng)者的數(shù)量，并根據(jù)估計(jì)的結(jié)果選擇合適TA 的值。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于迭代干擾消除（SIC,successive interference cancellation）的非正交隨機(jī)接入方案。該方案利用MTC 設(shè)備的空間分布到達(dá)時(shí)間的差異來(lái)識(shí)別具有相同前導(dǎo)碼的多個(gè)MTC 設(shè)備，并允許多個(gè)設(shè)備使用相同的資源塊進(jìn)行數(shù)據(jù)消息傳輸，因此，該方案可以有效地增加成功接入的設(shè)備數(shù)，緩解接入擁塞問(wèn)題。盡管上述接入的方案都能提供可靠的通信，但都僅考慮了mMTC 或URLLC 場(chǎng)景的設(shè)備的接入。現(xiàn)有文獻(xiàn)中，僅有文獻(xiàn)[15]給出了2 種場(chǎng)景下的設(shè)備同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入方案，該方案預(yù)先將小區(qū)中URLLC 場(chǎng)景的設(shè)備分組，并通過(guò)指定的組長(zhǎng)使用預(yù)留前導(dǎo)碼進(jìn)行接入，保證了URLLC 場(chǎng)景的設(shè)備接入成功；但是，mMTC 場(chǎng)景的設(shè)備仍采用傳統(tǒng)正交接入機(jī)制，無(wú)法滿足海量的接入請(qǐng)求，這將不可避免地導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)接入的擁塞和過(guò)載。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種面向差異化MTC 場(chǎng)景需求的隨機(jī)接入方案。該方案根據(jù)TA 信息對(duì)MTC 設(shè)備進(jìn)行分組：對(duì)于URLLC 設(shè)備，基站為組內(nèi)的核心設(shè)備預(yù)留前導(dǎo)碼，并通過(guò)非競(jìng)爭(zhēng)方式接入網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于mMTC 設(shè)備，根據(jù)不同組TA 信息的差異來(lái)識(shí)別選擇相同前導(dǎo)碼的多個(gè)設(shè)備，并允許設(shè)備在相同的數(shù)據(jù)資源上傳輸數(shù)據(jù)信息，eNB 利用SIC 算法恢復(fù)設(shè)備數(shù)據(jù)信息。本文方案在為URLLC 場(chǎng)景的設(shè)備提供高可靠性和低時(shí)延接入的同時(shí)滿足mMTC 場(chǎng)景的巨連接要求，避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞，大幅度提高了系統(tǒng)的成功接入設(shè)備數(shù)。

2 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)半徑為dc的小區(qū)，基站位于小區(qū)中心，M個(gè)MTC 設(shè)備分布在小區(qū)中，其中包含βM（0≤β≤1）個(gè) URLLC 設(shè)備和(1?β)M個(gè)mMTC 設(shè)備，具體系統(tǒng)模型如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)模型

為了降低前導(dǎo)碼碰撞概率，提升接入設(shè)備數(shù)，將小區(qū)內(nèi)的MTC 設(shè)備按TA 信息的不同進(jìn)行分組，具體為采用量化間隔為16Ts對(duì)小區(qū)內(nèi)所有設(shè)備的傳播時(shí)延進(jìn)行量化，得到所有設(shè)備的TA 索引Ω=[TI1,TI2,…,TIM]，同時(shí)采用量化距離d=16Tsc對(duì)小區(qū)半徑進(jìn)行量化，得到ζ個(gè)環(huán)形空間，其中，Ts表示LTE 系統(tǒng)的最小時(shí)間單位，TIM表示第M個(gè)設(shè)備的TA 索引，c表示光速。小區(qū)內(nèi)的環(huán)形數(shù)為，其中，「.」表示向上取整函數(shù)。進(jìn)一步地，將同一環(huán)形區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備作為一個(gè)設(shè)備組，具有相同的TA 索引；不同環(huán)形區(qū)域內(nèi)的設(shè)備為不同的設(shè)備組，具有不同的TA 索引。每個(gè)設(shè)備組根據(jù)組內(nèi)的設(shè)備服務(wù)類(lèi)型，進(jìn)一步劃分為URLLC 設(shè)備組和mMTC 設(shè)備組。用Si表示第i（i=1,2,…,ζ）個(gè)環(huán)，其中的設(shè)備組對(duì)應(yīng)的TA 索引記為T(mén)A,i。例如，在圖1 中，n1、n2、n3、n4為小區(qū)中的4 個(gè)mMTC設(shè)備，n1、n2位于同一個(gè)環(huán)S1中，具有相同的TA索引，屬于同一mMTC 設(shè)備組；n3、n4分別位于環(huán)S2、S3中，具有不同的TA 索引，屬于不同mMTC設(shè)備組。

3 隨機(jī)接入方案

3.1 差異化MTC 場(chǎng)景需求的接入方案

考慮URLLC 設(shè)備的高可靠低時(shí)延需求，本文方案中的URLLC 設(shè)備采用非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入機(jī)制。每一個(gè)URLLC 設(shè)備組都有一個(gè)在處理能力和電池壽命方面更加強(qiáng)大的URLLC 設(shè)備作為核心設(shè)備，同一組的所有URLLC 設(shè)備都能與核心設(shè)備通信[15]；考慮前導(dǎo)碼數(shù)和mMTC 設(shè)備數(shù)的嚴(yán)重不匹配，mMTC 設(shè)備采用基于競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制接入網(wǎng)絡(luò)，如圖2 所示，具體步驟如下。

圖2 面向差異化MTC 場(chǎng)景需求的隨機(jī)接入方案

步驟1前導(dǎo)碼傳輸

URLLC 設(shè)備組中的核心設(shè)備將基站為組預(yù)留的前導(dǎo)碼發(fā)送至基站。mMTC 設(shè)備從R?NG個(gè)前導(dǎo)碼中隨機(jī)選擇一個(gè)前導(dǎo)碼發(fā)送至基站，其中，R表示一個(gè)時(shí)隙中可用的前導(dǎo)碼總數(shù)，NG 表示系統(tǒng)內(nèi)為URLLC 組設(shè)備預(yù)留的前導(dǎo)碼數(shù)，即劃分的URLLC 設(shè)備的組數(shù)。為了緩解前導(dǎo)碼沖突，對(duì)mMTC 設(shè)備使用文獻(xiàn)[13]中提出的前導(dǎo)碼放置方法，具體如下。位于第i個(gè)環(huán)的mMTC 設(shè)備組中的設(shè)備采用第個(gè)子載波作為放置其選定前導(dǎo)碼的起始位置，使基站能夠估計(jì)每個(gè)mMTC 設(shè)備組中競(jìng)爭(zhēng)同一前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)量。令ρr,i表示第i個(gè)mMTC設(shè)備組中的mMTC設(shè)備發(fā)送的第r個(gè)前導(dǎo)碼序列，接收到的前導(dǎo)碼信號(hào)Y可表示為

其中，ζ表示環(huán)總數(shù)，b(r,i)表示第i個(gè)mMTC 設(shè)備組中選擇第r個(gè)前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)，N表示均值為0、方差為的加性高斯白噪聲。

步驟2 前導(dǎo)碼的檢測(cè)和隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR,random access response）傳輸

eNB 首先檢測(cè)接收到的前導(dǎo)碼。若檢測(cè)的前導(dǎo)碼是為URLLC 設(shè)備組保留的前導(dǎo)碼，基站根據(jù)前導(dǎo)碼與URLLC 設(shè)備組一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，識(shí)別此前導(dǎo)碼所對(duì)應(yīng)的URLLC 設(shè)備組，并進(jìn)一步檢索已注冊(cè)組成員的有關(guān)設(shè)備信息，然后為每個(gè)組成員設(shè)備分配資源塊。否則，基站通過(guò)計(jì)算接收序列與特定的前導(dǎo)碼序列的互相關(guān)值，得到在第i個(gè)mMTC 設(shè)備組中選擇第r個(gè)前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)b(r,i)，其估計(jì)方法如算法1 所示。若b(r,i)的值為1，基站生成RAR 消息。每個(gè)RAR 消息都包含前導(dǎo)碼標(biāo)識(shí)、TA索引、上行數(shù)據(jù)傳輸資源、功率等級(jí)選取指示。

算法1b(r,i)的估計(jì)算法

步驟3數(shù)據(jù)信息的傳輸

每個(gè)URLLC 設(shè)備在其所分配的資源塊上傳輸數(shù)據(jù)信息。由于mMTC 設(shè)備的位置固定，每個(gè)mMTC 設(shè)備在接入之前可以根據(jù)現(xiàn)有的一些測(cè)距技術(shù)知道自身與基站的距離，從而可以計(jì)算出所屬分組和TA 索引。在其接收到RAR 消息后，首先比較前導(dǎo)碼標(biāo)識(shí)，確認(rèn)與步驟1 傳輸?shù)那皩?dǎo)碼是否相匹配。如果匹配，則讀取功率等級(jí)指示并從L個(gè)功率等級(jí)中隨機(jī)選取一個(gè)功率等級(jí)，其中，L表示基站分配的功率等級(jí)總數(shù)。然后進(jìn)一步比較RAR 消息中的TA 信息是否與自身TA 信息相等，如果相等，則成功解碼RAR 消息，并在相應(yīng)RAR 消息中所給定的數(shù)據(jù)傳輸資源上傳輸數(shù)據(jù)信息；否則，設(shè)備從分配給該設(shè)備所選擇的前導(dǎo)碼的數(shù)據(jù)傳輸資源中隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸資源傳輸數(shù)據(jù)信息。

步驟4競(jìng)爭(zhēng)解決

由于每個(gè)URLLC 設(shè)備組都有預(yù)留的前導(dǎo)碼資源，確保了每個(gè)組的接入過(guò)程不會(huì)發(fā)生沖突。此外，基站能夠根據(jù)在初始附加過(guò)程中分配的地址為組中的成員設(shè)備分配資源塊，保證了每個(gè)組成員設(shè)備的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)某晒?，因此URLLC 設(shè)備不需要競(jìng)爭(zhēng)解決過(guò)程。

對(duì)于mMTC 設(shè)備，當(dāng)多個(gè)mMTC 設(shè)備使用相同的數(shù)據(jù)傳輸資源發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，基站根據(jù)接收功率的不同，采用SIC 算法檢測(cè)各設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。首先檢測(cè)最高接收功率等級(jí)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。若能成功檢測(cè)，則將此設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行干擾消除，進(jìn)而檢測(cè)次高功率等級(jí)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，直到無(wú)法成功檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。需要說(shuō)明的是，若在同一資源塊上選取第l個(gè)功率等級(jí)的設(shè)備數(shù)為1，且已成功檢測(cè)第1～l-1 個(gè)功率等級(jí)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，則能夠成功檢測(cè)此設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。否則，基站無(wú)法正確檢測(cè)此資源塊其余設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，設(shè)備接入失敗。

3.2 URLLC 設(shè)備的分組原則

在本文方案中，URLLC 設(shè)備的分組是預(yù)先配置的，其分組情況影響著整個(gè)方案的接入性能。具體來(lái)說(shuō)，基于分組的非競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制滿足了URLLC設(shè)備高可靠低時(shí)延需求，減少了競(jìng)爭(zhēng)接入的設(shè)備數(shù)，但同時(shí)也減少了mMTC 設(shè)備可用的前導(dǎo)碼數(shù)，這可能導(dǎo)致mMTC 設(shè)備沖突加劇，接入性能下降。因此，需要確定URLLC 設(shè)備的分組原則以提高方案的接入性能。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)可以用來(lái)指示不同設(shè)備選擇相同前導(dǎo)碼而導(dǎo)致沖突的可能性。當(dāng)所有設(shè)備不進(jìn)行分組，都采用競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制時(shí)，每個(gè)前導(dǎo)碼的設(shè)備數(shù)可表示為。在本文方案中，每個(gè)前導(dǎo)碼的mMTC 設(shè)備數(shù)可表示為。為保證劃分URLLC 設(shè)備組有利于提高mMTC 設(shè)備的接入性能水平，需滿足式(2)所示條件。

式(2)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為NG＜βR，即URLLC 設(shè)備的分組原則。式(2)的推導(dǎo)詳見(jiàn)附錄1。

如第2 節(jié)所述，本文方案中URLLC 設(shè)備是按TA 信息的不同進(jìn)行分組的，具有相同TA 索引的URLLC 設(shè)備分為一組，可劃分的最大組數(shù)為ζ。就實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景而言，對(duì)于小型小區(qū)，由于小區(qū)半徑較小，按該分組方式可劃分的組數(shù)也較少，因此在此場(chǎng)景下使用該分組方式能很大程度地滿足分組原則；而對(duì)于大型小區(qū)，較大的小區(qū)半徑可能導(dǎo)致URLLC 設(shè)備的分組數(shù)增多，但同時(shí)區(qū)域內(nèi)覆蓋的URLLC 設(shè)備數(shù)也更多，即β更大。此外，由于系統(tǒng)內(nèi)URLLC 設(shè)備的分組是預(yù)先配置的，因此可在設(shè)備初始部署時(shí)，通過(guò)增加部署的設(shè)備數(shù)或調(diào)整設(shè)備部署的位置使該分組方式滿足分組原則。

4 性能分析

成功接入設(shè)備數(shù)是衡量隨機(jī)接入方案的一個(gè)重要指標(biāo)。在本文方案中，成功接入設(shè)備數(shù)Z為URLLC 場(chǎng)景成功接入設(shè)備數(shù)ZG與mMTC 場(chǎng)景成功接入設(shè)備數(shù)ZNG之和，如式(3)所示。

下面將給出ZG和ZNG的計(jì)算過(guò)程。

URLLC 設(shè)備采用的是無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入，因此，URLLC 場(chǎng)景的成功接入設(shè)備數(shù)為

其中，U表示小區(qū)活躍的設(shè)備總數(shù)，γ表示當(dāng)前活躍的URLLC 設(shè)備數(shù)占比。

mMTC 設(shè)備采用基于競(jìng)爭(zhēng)的非正交接入機(jī)制。若基站能夠成功檢測(cè)mMTC 設(shè)備數(shù)據(jù)信息，則該設(shè)備可成功接入網(wǎng)絡(luò)。成功接入mMTC 設(shè)備數(shù)為

其中，RNG表示可供mMTC 設(shè)備使用的前導(dǎo)碼的總數(shù)；m=(1 ?γ)U表示小區(qū)內(nèi)活躍mMTC 的設(shè)備數(shù)；表示有n個(gè)設(shè)備選取第r個(gè)前導(dǎo)碼的概率；表示在n個(gè)設(shè)備選取第r個(gè)前導(dǎo)碼的條件下，成功接入k個(gè)設(shè)備的概率。

由文獻(xiàn)[13]可知，當(dāng)選取同一前導(dǎo)碼設(shè)備數(shù)n≥ 4時(shí)，＜0.013。文獻(xiàn)[13]提出的非正交接入方案只考慮2 個(gè)設(shè)備選擇相同前導(dǎo)碼的場(chǎng)景，而本文方案將推導(dǎo)1～4 個(gè)mMTC 設(shè)備選擇相同前導(dǎo)碼的情形。此時(shí)，ZNG可近似計(jì)算為

假設(shè)mMTC 設(shè)備均勻分布在小區(qū)中，dj表示eNB 與第j個(gè)mMTC 設(shè)備的距離，且遵循式(8)所示分布。

其中，dc為小區(qū)半徑。由式(8)可以計(jì)算出第j個(gè)mMTC 設(shè)備位于第i個(gè)環(huán)形區(qū)域的概率為

顯然，在選擇相同前導(dǎo)碼的n個(gè)設(shè)備中，如果有u=n? 1個(gè)設(shè)備的TA 信息與其他設(shè)備的TA 信息互相不沖突，則基站能識(shí)別n個(gè)設(shè)備的TA 信息，分配n個(gè)資源塊，即。則在選擇相同前導(dǎo)碼的n（n=2,3,4）個(gè)設(shè)備中，只能分配一個(gè)資源塊的概率為

在選擇相同前導(dǎo)碼的n（n=2,3,4）個(gè)設(shè)備中，只能分配2 個(gè)資源塊的概率為

在選擇相同前導(dǎo)碼的（n n=2,3,4）個(gè)設(shè)備中，只能分配3 個(gè)資源塊的概率為

在選擇相同前導(dǎo)碼的（n n=2,3,4）個(gè)設(shè)備中，只能分配4 個(gè)資源塊的概率為

有2 個(gè)設(shè)備同時(shí)向eNB 發(fā)送相同前導(dǎo)碼序列，并在u個(gè)資源塊上成功接入k個(gè)設(shè)備的概率為

有3 個(gè)設(shè)備同時(shí)向eNB 發(fā)送相同前導(dǎo)碼序列，并在u個(gè)資源塊上成功接入k個(gè)設(shè)備的概率為

有4 個(gè)設(shè)備同時(shí)向eNB 發(fā)送相同前導(dǎo)碼序列，并在u個(gè)資源塊上成功接入k個(gè)設(shè)備的概率為

將式(4)和式(17)代入式(3)，可得本文方案的成功接入的設(shè)備數(shù)為

5 仿真分析

本文方案與文獻(xiàn)[15]的隨機(jī)接入方案和傳統(tǒng)的隨機(jī)接入方案[2]的成功接入設(shè)備數(shù)進(jìn)行了比較，并研究了當(dāng)預(yù)留的前導(dǎo)碼數(shù)變化時(shí)對(duì)方案中設(shè)備接入性能的影響。

仿真中，mMTC 設(shè)備均勻分布在小區(qū)中，劃分的mMTC 設(shè)備組數(shù)為ζ，每個(gè)mMTC 設(shè)備組的平均設(shè)備數(shù)為(1?β)MPi，其中Pi為mMTC 設(shè)備位于第i個(gè)設(shè)備組的概率；URLLC 設(shè)備基于特定場(chǎng)景部署在小區(qū)中。小區(qū)半徑dc=700 m，取量化單位為2d=16TSc=156 m，其中TS=3.072 ×10?7s 為L(zhǎng)TE基本時(shí)間單位[16]，c=3 ×108m/s 為光速，一個(gè)時(shí)隙中可用的前導(dǎo)碼數(shù)R=64。MTC 設(shè)備的成功接入概率為，mMTC 設(shè)備的成功接入概率為。

圖3 為成功接入設(shè)備數(shù)隨小區(qū)內(nèi)活躍設(shè)備數(shù)的變化曲線。假設(shè)按照設(shè)備的TA 信息所劃分的URLLC 設(shè)備組數(shù)為5，即URLLC 設(shè)備組預(yù)留的前導(dǎo)碼數(shù)NG=5。由圖3 可知，傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案中的成功接入設(shè)備數(shù)隨著活躍設(shè)備數(shù)的增加先增大后減小。而本文方案與文獻(xiàn)[15]的隨機(jī)接入方案的成功接入設(shè)備數(shù)隨活躍設(shè)備數(shù)的增加呈先增長(zhǎng)后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，與未分組的傳統(tǒng)隨機(jī)方案相比，這2 種方案都具有較高的接入吞吐量。同時(shí)，由于本文方案是利用設(shè)備的TA 的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)前導(dǎo)碼的檢測(cè)和RAR 接收，且允許在一個(gè)資源塊上同時(shí)發(fā)送多個(gè)設(shè)備的消息，因此本文方案能很大程度地提高成功接入的設(shè)備數(shù)，且遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[15]中成功接入的設(shè)備數(shù)。圖3 中給出的仿真分析結(jié)果與理論分析值一致，驗(yàn)證了文中理論分析結(jié)果的有效性。另一方面可以觀察到，在本文方案中，隨著功率等級(jí)的增加，成功接入的設(shè)備數(shù)也隨之增長(zhǎng)，這是由于基站在同一資源塊上可以基于更多不同等級(jí)的功率成功檢測(cè)更多設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。

圖3 成功接入的設(shè)備數(shù)隨MTC 設(shè)備數(shù)的變化曲線

圖4 為在不同小區(qū)半徑下，成功接入設(shè)備數(shù)隨前導(dǎo)碼數(shù)的變化曲線。其中基站分配的功率等級(jí)總數(shù)L=3，小區(qū)內(nèi)活躍設(shè)備數(shù)U=80，假設(shè)在不同半徑下，小區(qū)內(nèi)URLLC 設(shè)備的分布情況一致，即按照其TA 信息所劃分的URLLC 設(shè)備組數(shù)NG 都為5。

圖4 成功接入的設(shè)備數(shù)隨系統(tǒng)內(nèi)前導(dǎo)碼數(shù)的變化曲線

由圖4 可知，可用的前導(dǎo)碼越少，系統(tǒng)接入吞吐量就越低。而且本文方案的成功接入設(shè)備數(shù)遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[15]的隨機(jī)接入方案和傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案的成功接入設(shè)備數(shù)。同時(shí)，隨著前導(dǎo)碼的增加，沖突概率逐漸降低，成功接入的設(shè)備數(shù)隨之增加。圖4 中給出的仿真分析結(jié)果與理論分析值一致，驗(yàn)證了文中理論分析結(jié)果的有效性。此外，由于mMTC 設(shè)備均勻分布在小區(qū)中，當(dāng)小區(qū)內(nèi)的設(shè)備數(shù)一定時(shí)，隨著小區(qū)半徑的增大，接入同一前導(dǎo)碼的多個(gè)設(shè)備的TA 信息的沖突概率也隨之降低，從而提高了成功接入設(shè)備數(shù)。

圖5 與圖6 分別給出了在不同的預(yù)留前導(dǎo)碼數(shù)下，mMTC 設(shè)備與MTC 設(shè)備成功接入概率隨小區(qū)內(nèi)活躍設(shè)備數(shù)的關(guān)系。其中，基站分配功率等級(jí)數(shù)L=3，圖中NG=0、γ=0指的是在此場(chǎng)景下不劃分URLLC 設(shè)備組，URLLC 設(shè)備與mMTC 設(shè)備都采用本文方案中的非正交接入機(jī)制接入網(wǎng)絡(luò)。從圖5 與圖6 中可以看出，隨著活躍設(shè)備數(shù)的增加，設(shè)備成功接入率下降。由于前導(dǎo)碼資源有限，設(shè)備數(shù)的增多導(dǎo)致mMTC 設(shè)備接入沖突加劇，設(shè)備的成功接入率下降。

圖5 mMTC 設(shè)備的成功接入率隨MTC 設(shè)備數(shù)的變化曲線

圖6 MTC 設(shè)備的成功接入率隨MTC 設(shè)備數(shù)的變化曲線

對(duì)比圖5 與圖6 可知，當(dāng)活躍的URLLC 設(shè)備數(shù)一定時(shí)，隨著預(yù)留前導(dǎo)碼數(shù)NG（NG ≠0）增加，設(shè)備的成功接入率下降。仿真結(jié)果說(shuō)明，過(guò)多地劃分URLLC 設(shè)備組，會(huì)降低mMTC 設(shè)備的接入性能，進(jìn)而影響整個(gè)方案中設(shè)備的接入性能。因此，需要使用合適的分組方式劃分URLLC 設(shè)備。進(jìn)一步地，從圖5 中可觀察到，與NG=0場(chǎng)景下的mMTC 設(shè)備相比，NG＜γR（NG ≠0）場(chǎng)景下的mMTC 設(shè)備具有更高的成功接入率，而NG＞γR場(chǎng)景下的mMTC 設(shè)備成功接入率更低。仿真結(jié)果表明，當(dāng)劃分的URLLC 設(shè)備組數(shù)滿足 NG＜γR（NG ≠0）時(shí)，可提高mMTC 設(shè)備的接入性能；當(dāng)URLLC設(shè)備組數(shù)NG＞γR時(shí)，會(huì)造成mMTC 設(shè)備接入性能下降，且NG 越大，設(shè)備的成功接入率越低。從圖6 中可觀察到，在NG=35、γ=0.2場(chǎng)景下的MTC 設(shè)備成功接入率低于NG=0場(chǎng)景下設(shè)備的成功接入率。這一方面是由于系統(tǒng)內(nèi)劃分的URLLC 設(shè)備組數(shù)過(guò)多，導(dǎo)致NG＞γR，降低了mMTC 設(shè)備的接入性能；另一方面是由于當(dāng)前成功接入的URLLC 設(shè)備數(shù)過(guò)少，不足以彌補(bǔ)mMTC設(shè)備接入性能下降所減少的成功接入設(shè)備數(shù)。仿真結(jié)果強(qiáng)調(diào)了遵循式(2)中給出的分組原則的重要性。此外，在當(dāng)前仿真場(chǎng)景中對(duì)小區(qū)內(nèi)URLLC設(shè)備按照TA 信息的不同進(jìn)行分組，所能劃分的最大組數(shù)為ζ=5＜γR，這進(jìn)一步說(shuō)明了使用本文方案中的分組方式能很大程度地滿足URLLC 設(shè)備的分組原則。

2017年2月，婁星區(qū)人民法院為全面實(shí)施司法責(zé)任改革，設(shè)立了訴訟服務(wù)與速調(diào)速裁中心，要求全院30%以上的案件必須在速調(diào)速裁中心快速處理、判決。2018年1月1日，婁星區(qū)法院正式成立速調(diào)速裁庭，下設(shè)包括刑事速裁組在內(nèi)的5個(gè)速調(diào)速裁組，分別由5民員額法官（包括速裁庭庭長(zhǎng)）每人帶一名助理和一名書(shū)記員組成，同時(shí)要求全院50%以上的案件必須在速調(diào)速裁庭快速處理、判決。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)具有不同服務(wù)要求的MTC 設(shè)備隨機(jī)接入問(wèn)題，提出了一種面向差異化MTC 場(chǎng)景需求的隨機(jī)接入方案。該方案根據(jù)設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量要求和TA 信息將設(shè)備分為URLLC 設(shè)備組和mMTC 設(shè)備組，一方面對(duì)URLLC 設(shè)備基于其所在組進(jìn)行兩步接入，即由每一組的核心設(shè)備使用預(yù)留的前導(dǎo)碼與 eNB 進(jìn)行通信，這種無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的接入保證了URLLC 設(shè)備接入可靠性，降低了接入時(shí)延；另一方面為緩解mMTC 設(shè)備大規(guī)模接入的擁塞問(wèn)題，對(duì)mMTC 設(shè)備基于其所在組的TA 信息進(jìn)行非正交接入，提高成功接入設(shè)備數(shù)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文方案的有效性。

附錄1 URLLC 設(shè)備的分組原則推導(dǎo)

如第2 節(jié)所述，小區(qū)內(nèi)MTC 設(shè)備數(shù)為M，URLLC 設(shè)備數(shù)占比為β，假設(shè)接入的時(shí)隙總數(shù)為Ir，第s個(gè)時(shí)隙內(nèi)活躍的MTC 設(shè)備數(shù)為Us，活躍的URLLC 設(shè)備數(shù)占比為γs。在第1～I(xiàn)r時(shí)隙內(nèi)，需要滿足的分組原則可表示為

對(duì)式(19)進(jìn)一步推導(dǎo)可得

每個(gè)時(shí)隙內(nèi)活躍的MTC 設(shè)備由新到達(dá)的設(shè)備和隨機(jī)退避后再次接入的設(shè)備兩部分組成。假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)前導(dǎo)碼檢測(cè)概率為100%[17]，由于之前時(shí)隙接入失敗，而執(zhí)行隨機(jī)退避后在第s個(gè)時(shí)隙再次接入的mMTC 設(shè)備數(shù)為mfs，式(20)可進(jìn)一步表示為

推導(dǎo)完畢。