机器类型通信中随机接入信道的拥塞控制策略

周 伟,谭小彬,季海波

(中国科学技术大学自动化系,合肥230027)

机器类型通信中随机接入信道的拥塞控制策略

周 伟,谭小彬,季海波

(中国科学技术大学自动化系,合肥230027)

在基于3GPP长期演进技术的机器类型通信(MTC)应用背景下,针对无线接入网络中随机接入信道的拥塞问题,提出一种改进的拥塞控制策略,MTC器件利用基站广播信息自适应调整各自的接入时间,避免由于大量MTC器件同时发起随机接入而引起接入碰撞的问题,实现基站的负载均衡及信道资源的合理分配。基于最大熵原理证明各MTC器件接入时间的均匀分布是最优分布。仿真实验结果表明,与接入类别限制策略相比,该策略可缓解随机接入信道的拥塞状况,提高MTC器件的随机接入成功率,降低接入时延,从而提升网络整体性能及服务质量。

机器类型通信;随机接入信道;拥塞控制;均匀分布;网络服务质量;最大熵原理

1 概述

随着3GPP长期演进技术(Long Term Evolution, LTE)的快速发展,网络服务商提供无处不在的无线网络覆盖已成为可能,这样一种新的通信类型即机器类型通信(Machine Type Communications,MTC)应运而生,它为人类各种电子自动化应用提供了一个广阔的前景。

在基于3GPP-LTE的机器类型通信中,随机接入是一个基本功能［1］。当MTC器件从关闭状态恢复到打开状态时,或者从一个基站切换到另一个基站时,或者当其丢失上行定时同步信息时,都会进行这样一个随机接入过程［2］。它的作用是实现MTC器件和网络的同步,解决冲突以及进行上行通信资源的分配。MTC器件只有通过随机接入过程,与基站建立上行同步后,才能被系统调度来进行上行资

源的传输。由于随机接入信道是一个共享信道,在任一时刻均有可能存在多个MTC器件通过随机接入信道向基站发起随机接入过程,由此引发的冲突问题不可避免。

通常在这种应用背景下此类智能电子器件在某一小区的数量特别巨大,在它们同时向所在基站请求建立连接时会产生随机接入信道拥塞,引起严重的访问碰撞和时延问题,甚至导致网络服务不可用,从而大大降低网络服务质量。为此,本文提出一种基于最大熵原理和MTC器件自适应调整的随机接入信道拥塞控制策略。

2 相关工作

目前,国内外学者已提出许多拥塞控制策略。如文献［2］总结基于退避的策略,对请求接入的用户设备和MTC器件分别设置一个退避时间,期望通过这种退避策略来缓解冲突进而促进冲突的解决。基于接入类别限制(Access Class Barring,ACB)的策略是由基站针对接入类别(AC)0～9内的MTC器件广播一个接入概率和AC禁止时间,然后由各MTC器件通过自己随机产生的概率来决定是否立即发起随机接入过程。如果MTC器件产生的概率值小于基站广播的概率值,则发起随机接入,否则将自动被禁止一段时间,这种策略更适用于处理传统蜂窝网中的用户设备,在引入到MTC应用中时,容易导致二次接入冲突问题,影响网络性能。

文献［3］提出一种基于优先级的动态接入类别限制的过载控制方法,先将MTC器件按照优先级分类后对不同级别的MTC器件预先分配随机接入信道资源,从而避免大量的MTC器件同时发起随机接入请求。

文献［4］给出一种基于PID控制器的拥塞控制方法,通过PID控制器利用基站拒绝一定数量的MTC器件的请求,进而将网络拥塞控制在一个可接受的范围内。但其缺点是PID控制器的各参数很难准确估计,只能依靠经验获得大致结果,从而影响控制效果。

文献［5］提出一种基于分组的拥塞控制方法,将小区内的MTC器件按照基站的覆盖范围划分为宏小区组和微小区组,进而用时间片轮转的时间控制机制给各小组的MTC器件分配无线资源,达到缓解信道拥塞的目的。

文献［6］简单讨论了当前直接应用接入类别限制策略［2］来处理MTC器件接入控制所存在的问题及困难,并提出了2种可能的解决方案,即对已存在的接入类别限制策略作进一步改进,或者针对MTC器件设计一种独立的控制策略。

3 随机接入信道的拥塞控制策略

如图1所示,在基于3GPP-LTE的MTC应用场景中,通常会在一小片区域中部署数量巨大的智能MTC器件［6］。当某一基站下的MTC器件同时向基站发起随机接入过程请求建立连接时,由于器件数量过多,会导致严重的信道拥塞,这将引起不可容忍的延时、丢包甚至网络服务不可用等情况［7］。

图1 MTC应用场景

3.1 基本原理

通过拥塞控制策略规划MTC器件对同一基站的访问时间,从而缓和网络的拥塞程度,并保证网络的服务质量,降低网络通信的时延和丢包率。一方面,由于数量巨大的MTC器件造成随机接入信道拥塞,由基站在极短时间内对每一器件作出响应并给出其各自相应的允许访问时间是不可能的,因此基站只能针对特定的MTC器件类别通过广播给出其相应级别的允许访问时间段,然后由各MTC器件自己产生随机数来决定何时访问基站,从而避免再次出现网络的拥塞状况。另一方面,通过应用信息论中的最大熵原理证明各MTC器件访问时间的均匀分布是取值范围受限下微分熵的最大分布;熵越大,即访问时间的取值越随机,从而避免访问碰撞。这样就说明了均匀分布是此种情况下的最优分布,从而使基站达到在访问时间段上的负载均衡,进而缓解网络拥塞。

3.2 拥塞控制策略

本文提出的拥塞控制策略大致分为以下步骤进行:

(1)基于优先级的处理时间估算

对基站下的MTC器件按照优先级(如紧急程度、QoS要求等)进行分类,优先级高的MTC器件将被允许在一个更早的时间段内访问基站,在任一级别下的各MTC器件将根据基站广播的时间段信息和各自产生的随机数来决定何时访问基站并和基站建立连接。假设所有的MTC器件按照优先级分成高、中、低3个级别,并且基站可以估计出各类别的器件数量分别对应为:N1,N2,N3。本文用K表示基站在单位时间内对MTC器件的请求处理能

力,这对一个特定的基站来说其值是确定的。这样基站对3个类别的MTC器件的请求处理时间分别为:

其中,对各类别下的MTC器件的数量估计问题,在某些情况下,可以通过特定的应用场景中的MTC器件部署情况加以预测,也可以通过基站的历史统计数据给出数量估计。另一种更复杂的方法是在随机接入前导检测算法［8］中利用功率检测的方法通过查表来完成各类别下请求接入的MTC器件数量的预测［8］。但在机器类型的通信设计中,考虑到MTC器件的硬件成本和性能限制,需要避免较大的算法复杂度,因此算法设计应该是简洁而高效的［2］。

(2)基站对时间段信息的广播

基站将3个类别的允许接入时间段信息广播出去,使各类别下的MTC器件知道它们在哪个时间段能访问基站,这3个时间段信息分别为:(0,t1),(t1,t1+t2),(t1+t2,t1+t2+t3),如图2所示。

图2 基站广播的时间区间示意图

(3)各MTC器件利用随机数的访问时间确定

在3个类别下的各MTC器件利用随机数发生器来产生一个在区间(0,1)范围内均匀分布的随机数pi。这样3个类别中各MTC器件根据基站广播的时间段信息,便可产生一个在相应时间段内均匀分布的随机时间,分别对应为:pit1,t1+pjt2,t1+t2+pkt3,从而可以确定各MTC器件何时向基站发起随机接入过程来请求建立连接并传送数据信息,其中,pi,pj和pk分别代表3个级别下各MTC器件产生的随机数。由此可知,各MTC器件的接入时间在整个时间段内也是均匀分布的。

(4)基站负载均衡的拥塞控制

通过综合利用基站广播的时间段信息和各MTC器件产生的均匀分布的随机数,可以规划各MTC器件对基站的访问时间,从而使得各器件的访问时间均匀分布在整个允许时间段上,使得基站达到在整个时间段上的负载均衡性,缓解网络拥塞,保证服务质量。

3.3 基于最大熵原理的均匀分布

利用信息论中取值范围受限下的最大微分熵原理,证明均匀分布是可以选择的最优分布;从经验上说,均匀分布可以让基站达到负载均衡,避免网络拥挤。

3.3.1 最大熵原理

在约束条件不足以完全确定概率分布的情况下,要对概率分布或概率密度函数做出推断,应该取满足约束且使熵值最大的概率分布,其他情况都需要添加约束和假设［9］。

3.3.2 证明过程

考虑到基站广播的是取值范围受限的时间段信息,将各MTC器件的允许接入时间用变量X来表示。如果连续变量X取值范围被限定在［a,b］,该限定域内的均匀分布信源具有最大微分熵,该最大微分熵为h(X)max=log(b-a),其中,h(X)表示变量X的微分熵,即h(X)≤log(b-a),a≤x≤b。

证明:设p(x)是限定在区间［a,b］内的变量X的概率密度函数,则有:

得证。

4 仿真结果与分析

本文采用文献［10］中提供的仿真配置,对各种拥塞控制策略进行模拟仿真和性能比较,其中,随机接入过程的处理时延设置为80 ms［11］,一个子帧大小为1 ms,各基本配置参数如表1所示。

表1 基本配置参数

由于接入类别限制(ACB)策略是处理3GPPLTE通信中随机接入信道拥塞的常用策略［12］,因此选择ACB策略和无拥塞控制情形与本文策略进行性能比较。

本文比较的性能指标为随机接入成功概率和随机接入平均时延［10］。其中,随机接入成功概率定义为成功完成随机接入过程的数目与总的发起随机接入过程的数目之比;随机接入平均时延定义为所有MTC器件从首次发起随机接入到成功完成随机接入过程的时延的统计平均值。

基于以上仿真配置,采用C语言和Matlab软件结合的方式进行通信仿真及实验数据分析。从图3可以看出,在无拥塞控制的情况下,随机接入成功概率随着MTC器件数目的增长而急剧下降;当器件数目接近2.0×104时,其接入成功概率低于10%,出现明显的网络拥塞,大多数的接入请求无法成功,直至出现网络服务不可用的情况。在传统ACB策略和本文策略的对比中,当MTC器件数目较少时,两者的接入成功概率相差不大,但随着器件数目的增长,本文策略能更好地处理由于器件数目过多而引起的随机接入信道拥塞,将随机接入成功概率保持在一个较高水平。这是由于ACB策略是为传统H2H通信设计的,有其本身的局限性,在器件数量过多的情况下,更容易出现二次拥塞的情况;而在MTC的应用场景中由于器件数量巨大及其特殊的应用需求使得更容易出现严重的随机接入信道拥塞,本文策略能较好地解决以上问题。

图3 随机接入成功概率比较

图4 给出了3种策略在不同MTC器件数目情况下的随机接入平均时延对比。可以看出,即使在数目较小的情况下,如果没有随机接入拥塞控制,那么器件的随机接入平均时延会变大(70 ms);而随着器件数目的增长,其平均时延也会随之急剧增长而变大(由于比例原因图4中未予显示),严重影响网络的性能而导致网络服务几乎不可用。传统ACB策略在器件数目较小时,其随机接入平均时延尚处于可以接受的水平(30 ms～40 ms),但在器件数目很大时,平均时延变大,表现出对MTC通信场景的不适应性。本文策略则在同等情形下表现出了较好的统计特性,能够将随机接入平均时延保持在较低水平,保证网络的服务质量,能较好地处理随机接入信道拥塞情况。

图4 随机接入平均时延比较

5 结束语

本文针对机器类型通信情况下的随机接入信道拥塞问题,提出一种改进的拥塞控制策略。通过广播少量基站信息,并自适应调整各MTC器件,缓解随机接入信道的拥塞状况。仿真实验结果显示,本文策略比传统ACB策略性能更好,提高了网络服务质量。同时,该策略的计算复杂度较小,易于实现,适合部署在大规模的MTC应用中。但由于本文的自适应随机接入信道拥塞控制策略只适合于单基站且各MTC器件处于静止状态的场景,因此针对多基站间的合作接入控制需要进一步研究,且应考虑如何去除漫游MTC器件对所在基站造成的影响。

［1]李校林,胡 楠,付 澍.TD-LTE随机接入前导码优先级控制算法［J］.计算机工程,2012,38(12):69-71.

［2]Lien Shao-Yu,ChenKwang-Cheng,LinYonghua.Toward Ubiquitous Massive Accesses in 3GPP Machineto-machine Communications［J］.IEEE Communications Magazine,2011,49(4):66-74.

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［5]Tsai Ang-Hsun,Wang Li-Chun,Huang Jane-Hwa,et al.Overload Control for Machine Type Communications with Femtocells［C］//Proceedings of Vehicular Technology Conference.Washington D.C.,USA:IEEE Press,2012:1-5.

［6]CATT.Access Control of MTC Devices 3GPP TSG RAN WG2 Meeting,R2-100182［R］.San Francisco, USA:CATT,2010.

［7]Roche G,Glazunov A,Allen B.LTE-advanced and Next Generation Wireless Networks:Channel Modeling and Propagation［M］.Hoboken,USA:John Wiley&Sons,Inc., 2013.

［8]孙芳芳.LTE随机接入信道过载控制算法研究［D］.北京:北京邮电大学,2011.

［9]朱雪龙.应用信息论基础［M］.北京:清华大学出版社,2000.

［10]3GPP Organizational Partners.3GPP TR 37.868-2011 Study on RAN Improvements for Machine-type Communications［S］.2011.

［11]3GPP Organizational Partners.3GPP TR 36.912-2012 Further Advancements for E-UTRA(LTE-Advanced)［S］.2012.

［12]3GPP Organizational Partners.3GPP TR 23.898-2005 Access Class Barring and Overload Protection［S］.2005.

编辑 陆燕菲

Congestion Control Strategy of Random Access Channel in Machine Type Communication

ZHOU Wei,TAN Xiaobin,JI Haibo
(Department of Automation,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

This paper proposes an improved congestion control strategy to alleviate the congestion of random access channel in radio access network of Machine Type Communication(MTC)based on 3GPP-Long Term Evolution(LTE).In order to reach the base-station’s load balancing in the time interval and allocate the channel resources rationally,it schedules the access time of MTC devices through the base-station’s broadcasted information,and thereby avoids access collisions caused by massive number of MTC devices access the base-station simultaneously.It also proofs that uniform distribution of the access time is the optimal choice by maximum entropy principle.Simulation experimental results show that the strategy can alleviate the channel congestion significantly and increase the random access success rate of MTC devices,reduce the delay,and thus improve the network’s performance and guarantee the network’s Quality of Service (QoS)compared with Access Class Barring(ACB)strategy.

Machine Type Communication(MTC);random access channel;congestion control;uniform distribution; network Quality of Service(QoS);maximum entropy principle

周 伟,谭小彬,季海波.机器类型通信中随机接入信道的拥塞控制策略［J］.计算机工程,2015, 41(3):88-91,96.

英文引用格式:Zhou Wei,Tan Xiaobin,Ji Haibo.Congestion Control Strategy of Random Access Channel in Machine Type Communication［J］.Computer Engineering,2015,41(3):88-91,96.

1000-3428(2015)03-0088-04

:A

:TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.03.016

国家自然科学基金资助项目(61273090)。

周 伟(1988-),男,硕士,主研方向:无线网络通信,资源分配;谭小彬,副教授、博士;季海波,教授、博士。

2014-04-23

:2014-05-20E-mail:weizhou@mail.ustc.edu.cn