文摘
机器对机器(M2M)通信允许多个设备直接沟通而无需人工干预。将会有大量的设备M2M通信导致巨大的拥堵在当前随机接入信道(瑞秋)基于LTE的蜂窝系统。介绍了协议性能的改善的LTE瑞秋M2M应用程序。这个协议,分布式排队进入LTE (DQAL),是基于分布式排队(DQ)算法。使用这个算法的一个好处是减少碰撞在访问阶段M2M通信。减少碰撞将在提高成功概率和M2M的访问延迟设备的访问(MDs)。此外,该协议旨在保证普通用户设备(UE)设备可以访问系统使用传统的瑞秋过程没有任何修改。这将确保拟议中的协议的无缝实现在现有的LTE蜂窝系统。仿真结果表明获得的访问延迟提出DQAL协议优于扩展访问霸菱(EAB)基线解决方案推荐的3 GPP M2M通信。
1。介绍
当前实现随机接入信道的LTE和LTE-A正遭受高拥堵当有大量的设备试图访问网络。这是其中一个主要原因,3 GPP强调需要修改下一代蜂窝网络的设计,以使其更能支持M2M服务。M2M通信引入了大量的访问请求过载的访问通道当前的LTE网络。这将导致增加碰撞概率和产生显著的访问延迟(1]。这大量的M2M设备设计中必须考虑LTE随机接入信道(瑞秋)程序。
在过去的几年中,根据3 GPP的建议,有很多研究小组工作在提高当前实现的访问技术LTE为了M2M服务。这些方法的范围和限制比较表1。这些团体试图提高瑞秋机制通过不同解决方案的性能如下所述。
优化的MAC (2)处理M2M应用有非常小的数据量的关键概念是把数据M2M设备(MD)在消息1(随机存取序言传输)或消息3(终端识别消息)。然而,使用不再序言的解决方案是可伸缩的由于有限数量的前言和用户设备(UE)设备不同步在这个阶段,限制传输数据的大小。
在瑞秋资源的动态分配3),网络分配更多的随机存取(RA)槽MDs如果电台访问受到堵塞。协议的障碍之一是使用数据传输资源为目的的访问阻塞形势下。因此,它不是有效的过载流量情况下,之间有一个权衡的访问和数据传输资源的机会。
访问类禁止(ACB) [4)是基于定义16个不同的课程有不同的侧重点来访问网络和一个倒扣的时间发送的每个类eNodeB管理设备的优先级。这种方法将提高访问碰撞概率的访问延迟。
开槽访问模式(5)是基于分配专用的每个单一M2M终端访问资源。然后,设备将在睡眠模式到其指定的时间拉槽达到定义的基于终端身份和RA周期。为了避免序言碰撞,长RA周期定义为大量的M2M终端;因此将会有大的访问延迟。
优先随机存取(PRA) [6)是基于虚拟资源分配和动态禁止访问。虚拟资源分配用于分配不同数量的虚拟资源对不同交通类。动态访问禁止用于最小化访问碰撞概率通过禁止一些MDs的过载。该协议具有良好的性能相比,访问类除非方法的访问延迟和成功概率。
自优化过载控制(SOOC) (7)是基于配置和调整不断RA资源根据负载情况和瑞秋分离资源的集成解决方案,ACB和割缝访问算法。这个方案的主要特征是,eNodeB将从问题设备收集信息以确定拥堵水平和根据eNodeB将更新这些信息分布RA的配置资源。数量这些信息仅仅是颁布执行的问题设备传输的序言问题设备发送的信息3。如果RA插槽的数量达到最大限度,然后eNodeB将限制访问从低优先级M2M类到拥堵水平降低到一定极限为代价的增加意味着访问延迟。
Code-expanded RA (8)是基于增加访问资源的数量通过code-expanded随机访问,而不是增加了前言/访问子帧的数量。在这里,有一个虚拟框架由多个子帧和扩展代码构成的组合之间的前言对这些子帧发送。算法的一个好处就是碰撞概率会降低访问资源的数量扩展基于虚拟帧的长度。然而,问题设备需要发送多次序言以代码形式,因此延误和能源消耗将会增加。
最后,扩展访问除非(EAB) [5]是3 GPP最可行的基准选择的解决方案,适用于无线接入网络(RAN)过载控制。该算法的主要思想是基于低优先级设备允许访问系统如果跑是拥挤的,留下的访问资源延迟约束装置。仿真结果给出了在9]表明,访问成功率提高为代价的访问延迟严重增加。此外,EAB上面所有的建议都是基于ALOHA和割缝ALOHA技术的低吞吐量(约0.18和0.36最大)和可能的不稳定负载较重的情况下。的一个有效的协议,提出了在文献中,可以解决这些问题,是分布式排队随机访问协议(DQRAP)。DQRAP的主要概念是基于使用控制minislots预订的随机接入信道。这允许实现高信道利用率和改善访问性能。协议是随机存取协议根据交通情况和自动开关和顺利预订协议当交通变得拥挤。同时,协议把新来的交通数据传输队列中的数据包和块传输到交通再次成为光。因此,碰撞概率是一个伟大的水平降低(10]。
几个DQRAP算法的性能进行了分析研究大量的案例研究和他们所有人证明了协议的稳定性及其near-optimum行为的访问延迟,信道利用率和功耗(10- - - - - -12]。
工作(12)建议使用DQRAP提高WLAN的吞吐量。仿真结果表明,相比提高了吞吐量25%到802.11 MAC协议。
DQRAP / CDMA是由[10,13)提高随机接入信道基于CDMA系统。仿真结果表明大增强后的吞吐量和延迟应用这种算法相比迎宾和割缝阿罗哈。然而,协议引入了在CDMA框架结构重大变化这个算法是基于把帧分成插槽,每个插槽由两个部分组成。第一部分是数据传输和第二个是访问请求。再次访问请求部分minislots分成不同。这个重大变化可能是这个协议不扩散的主要原因之一。
在本文中,我们目前的分布式排队进入LTE (DQAL)协议改进的随机访问性能M2M不改变当前的LTE框架结构。新协议的目的是保证正常问题设备的随机存取过程不会影响导致无缝实现拟议中的协议。
更具体地说,本文的主要贡献如下:(我)提出一个无缝的分割技术LTE访问问题之间的设备和资源问题的MDs的设备将不受影响,应用新的RA算法。(2)几乎MDs的LTE访问资源映射到虚拟组织。这介绍了虚拟化允许应用分布式碰撞解析方法在LTE框架结构没有任何修改。因此,就业将软没有任何需要改变当前的操作常规人与人之间(H2H)通信的LTE网络。(3)阐明如何识别和序言状态MDs播放。(iv)模拟算法来估计平均访问延迟和瑞秋的访问成功概率控制的算法。
本文的组织结构如下:的提醒在部分2我们描述的背景LTE, EAB DQRAP访问机制。部分3介绍了系统架构和序言状态检测以及DQAL算法和程序。给出了仿真结果和分析部分4。最后,本文的结论部分5。
2。背景
2.1。LTE
LTE瑞秋由时频资源命名RA槽,用于访问请求的传输。虽然每个RA槽在时域的持续时间取决于访问请求,每个RA槽占领1.08 MHz,遇到6个物理资源块的带宽(PRBs)。有两种不同形式的RA过程在LTE, contention-based contention-free。contention-based RA过程,这是我们关心的,由四个问题设备和eNodeB之间握手消息。消息1,随机存取的序言传播:序言是LTE的访问请求。终端传送这序言第一个可用的RA槽只要它需要发送的数据。有64个正交前言可以随机存取。这些前言传播使用六个资源块(RBs)在一个或多个副框架根据系统配置(14]。消息2,随机存取响应(RAR): eNodeB传递这个消息对于每个成功解码的序言。这个消息包含的上行资源分配问题所使用的设备来传输消息3。消息3、终端标识:问题设备传送其身份在这个消息。消息4、争用解决:eNodeB传递这个消息作为回答消息3。设备不接收消息4声明一个失败的争用解决和安排一个新的访问尝试。
2.2。扩展访问霸菱(EAB)
EAB,设备分为特定数量的类(ACs)的访问。算法的主要概念是酒吧低修道院ACs如果网络拥挤通过位图信息播放的eNodeB指示禁止ACs (9]。位图信息改变时,分页的信息将在预定的分页场合播放(PO)为每个MD通知MDs改变位图,这样他们会读它。连续两个分页周期之间的子帧的数量被认为是;那么问题设备可能等上分页循环直到接收改变位图。
在交通,MDs访问系统使用LTE的正常程序[9),有几个研究现在的时间EAB将启用和正常的LTE访问程序将被禁用。开关点取决于访问请求的到达过程和用户当前访问系统的数量。在[3),英特尔提出了一个算法来确定开关点基于拥塞系数计算的相撞的数量之间的差异问题设备和成功的问题设备的数量在一定时间规范化问题设备的成功。开关点的时机也研究[6)是基于确定的平均入学率从可用资源的数量计算,认为问题设备的数量。
见(9),增加分页周期将提高访问成功概率的MDs将禁止长时间。然而,这一增长将导致严重增加访问延迟的主要问题在EAB [11]。
2.3。分布式排队随机访问协议(DQRAP)
的主要概念DQRAP [15)是基于树minislots控制。这些minislots将用于提供额外的反馈的目的是允许最优数量的同时访问请求和数据传输。因此,碰撞将最小化的数量在很大程度上减少空槽相撞和储备数据槽进行数据传输。
在DQRAP,时间轴分为插槽,每个插槽由两部分组成。第一部分是用于访问系统,而第二部分是用于数据传输。访问部分在每个时隙分成许多minislots每个minislot被认为是一个访问的机会,如图1。
DQRAP有两个队列,解决前面的碰撞的碰撞解析队列访问阶段和数据传输队列包含消息访问请求成功,他们准备传输(15]。相撞的顺序问题设备碰撞解析队列是基于选择的顺序由问题minislot其余minislots之间的设备。每个问题的设备将接收的状态minislot(空、碰撞和成功)基站铰孔minislots的状态和数量的碰撞碰撞解析队列中的等待。如果问题设备的minislot相撞,它将进入碰撞解析队列的顺序选择minislot之间剩下minislots相撞。
3所示。提出DQAL协议
在本节中,我们提出建议的系统模型,应用的挑战DQRAP LTE,序言状态检测和DQAL规则。
3.1。协议描述
在建议的协议,我们利用应用DQRAP访问当前LTE系统为了保证框架结构没有任何修改通过应用minislots时间框架;我们分布式的虚拟组织前言DQRAP将被应用在每个虚拟组提高访问延迟和访问成功概率。然而,数据传输将按照正常LTE过程来消除影响正常问题设备同时访问系统或在数据传输阶段。所以,第一个挑战在应用DQRAP LTE是如何实现这个算法在LTE而不影响当前的操作正常的设备问题。第二个挑战是如何在这样一个几乎重组LTE框架方法能够应用在LTE DQRAP算法。最后一个挑战是如何检测的秩序和状态之间的碰撞中别人相应的医学将进入碰撞解析队列基于其秩序。在本节中,我们将展示如何解决这些挑战。
在当前规范的LTE,前言的总数()分为两个部分:contention-based部分()供用户访问和contention-free (等特殊情况)保留一部分eNodeB交接。该访问协议是基于借贷的一部分contention-based前言(MDs)使用的访问阶段。这部分不应被人与人之间(H2H)问题设备,以避免任何可能的碰撞。可以通过使认为这一部分contention-free问题设备。通知将通过广播频道。系统信息块2 (SIB2)是用于此目的。因此,这两种类型的可用资源是完全分离的。这些程序保证正常的问题设备可以使用传统的LTE技术访问网络。图2阐明了序言分布问题设备和MDs的视角。
直接在LTE DQRAP协议的实现需要一个LTE框架结构的变化。这是因为访问机会实现LTE(前言)同时使用由于其正交性不符合DQRAP框架结构(minislots访问部分和数据部分)。因此,在本文中,LTE框架将几乎重组获得类似于minislots一部分。MDs的分配数量的前言()将分布在虚拟组织。每一个虚拟组(表示)有很多前言(),每一个序言相当于原DQRAP minislot。图3显示了MDs前言的分布分配虚拟人群在时域和频域的方向。
医学博士想要访问系统时,它选择的分配前言MDs eNodeB并将其发送。这些前言允许随机访问请求的子帧中发送基于开环配置指数(14]。配置指数表明子帧可以用来传输中。eNodeB检测到的序言时,它将时间窗口内的RAR 5子帧的16]。然后eNodeB应该得到相应的消息3在一帧的时间窗口,否则,它会知道有一个碰撞的序言。因此,系统需要一个时间的多个帧检测碰撞如图4。由于DQAL的操作是基于广播的检测状态信息发送的前言MDs,双座所需的时间的时间间隔选择eNodeB检测碰撞的序言。这个区间用碰撞解决区间(CRI)。因此,DQAL协议将几乎看到了LTE帧周期作为一个连续的短剑。每个国际都可以被视为两部分,数据和访问。在每个中国国际广播电台时,可用的访问机会的数量取决于两帧的RA分配名额。通过使用这种新的虚拟结构,minislots DQRAP几乎是映射到LTE的前言。
3.2。序言状态检测
DQAL算法是基于序言状态检测。每个MD试图访问网络时,选择一个虚拟组织,并发送一个访问请求使用一个前言,属于这个组。每个特定的序言有三个州之一,下面列出的检测标准。基于这些州DQAL规则。
3.2.1之上。成功的国家
如果eNodeB消息3发送成功,那么eNodeB就知道没有碰撞发送相应的序言。
3.2.2。碰撞状态
有两个碰撞的可能性;第一个将被eNodeB,第二个将检测到的MD。如果两个MDs会发生第一次碰撞(或更多)在同一子帧发送相同的序言时访问网络和这个序言eNodeB解码成功。在这种情况下,消息3对于MDs相撞,不会被eNodeB解码成功。因此,如果eNodeB没有收到消息3在一架从RAR,它将考虑这个序言相撞。第二次碰撞会发生如果两个MDs(或更多)在同一子帧发送相同的序言时访问网络和产生损坏的序言。这序言由eNodeB不是解码成功。在这种情况下,医学将不会收到消息2在一个国际,因此它将随机选择一个剩下的组不选择其他MDs传输它的序言,MD可以知道占领组和空团体基于每个序言和决议队列的状态(RQ)值的数量的前言相撞等待重传。
3.2.3。空的状态
如果一个序言中不使用任何医学博士,国际eNodeB会考虑空并将相应的空所有MDs的地位
3.3。DQAL算法
的主要操作提出DQAL协议是基于分布式碰撞解析队列。所有的MDs有两个计数器(RQ和pRQ),中移动在哪里碰撞碰撞解析队列中等待的数量。所有MDs中移动有相同的价值。第二个计数器pRQ碰撞解析队列中的每个MD的位置。每个博士都有一个特定的值基于他的命令队列中。这些计数器更新在每个CRI基于广播的信息对前言eNodeB检测状态(成功,空的,或相撞),牢记RQ的价值也开始前播放由eNodeB每个中国国际广播电台。
相同概念的转换机制,启用或禁用EAB而使用LTE技术,将用于我们DQAL算法。下面的程序描述的操作DQAL如果启用。
在每个国际的开始,每一个医学博士让一些基于广播信息的初始化(RQ值和前言检测状态)。这个初始化称为排队规则规则。另一个规则请求传输规则,用于解决冲突。这两个规则的细节描述如下。
3.3.1。排队规则规则(初始化)
(一)每个初CRI,医学博士将为每个相撞中移动增量的价值由一个序言。(b)如果中移动,每个MD减少的价值单位。(c)如果医学没有序言相撞,然后它将。(d)如果在前面的CRI MD序言相撞,然后pRQ的MD将计算值根据其序言的顺序序列之间的其他相撞前言中移动的。如果医学没有发送任何序言或eNodeB没有检测的状态发送序言pRQ的价值就会遵循相同的更新规则中移动,但只有当初始值是零。
3.3.2。请求传输规则(序言选择)
(一)如果,每一个医学博士(第一次访问或序言地位不被eNodeB)随机选择一个前言的组。(b)如果医学博士(),随机选择的一个前言。
DQAL协议启用后的过程中描述的算法1。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
我们可以看到从算法1,该算法的主要优势是基于让新来的人从上面的组选择前言。这样就可以避免任何进一步的碰撞与现有的碰撞碰撞解析队列中等待的请求。此外,该算法帮助MDs选择适当的序言,可以用来减少碰撞的概率。这将提高成功概率和MDs的访问延迟。
在图所示的例子5澄清MDs和正常的问题设备将如何访问网络。MDs将使用该算法来访问系统时正常的问题设备将使用LTE瑞秋的正常过程。为简单起见,我们假设在该算法有三个虚拟组织;每一个有三个前言如下图。另一方面,LTE框架6前言。的访问请求到来表示(∙)和旧相撞访问请求需要传送的报文(x)表示。该算法操作的每个CRI澄清如下。
在第一国际。没有之前的碰撞;因此,RQ等于0。第二和第三前言相撞,两个MDs选择相同的序言访问系统,一个医学博士选择第一序言。
在第二届中国国际广播电台。访问请求发送第二相撞序言之前的国际解决第一个虚拟组织,而访问请求发送第三相撞序言在前面的中国国际广播电台转播的在第二个虚拟组。所有的新访问请求被派去第三虚拟组的数量之前的碰撞碰撞解析队列中的等待是2(即。中移动,等于2)。
第三届中国国际广播电台。前面的前言相撞解决如下:(我)第二虚拟集团相撞前言:访问请求发送第三相撞序言第一虚拟组织是解决第三国际。(2)第三个虚拟组相撞前言:访问请求发送第二相撞序言解决在第二个虚拟集团第三国际。然而,访问请求发送第三相撞序言是转播的第三虚拟集团第三国际。(3)RQ == 3,因此没有新的访问请求被发送在中国国际广播电台。在第四届中国国际广播电台。访问请求发送第二相撞序言之前的国际解决在第四届中国国际广播电台第一个虚拟组织。所有的新访问请求被派去2中移动虚拟组织,等于1。
4所示。仿真结果和比较
为了评估DQAL的性能,我们将使用推荐设置定义的3 GPP在[16),见表2。也推荐的3 GPP交通模型中定义的表3MDs。
进行模拟,给出DQAL性能的评价和比较与EAB(10使用ACs)方案和传统LTE方案(9]。按以下措施进行评估在这个比较推荐(5]:(1)访问成功概率():定义为成功完成的概率随机存取程序在序言传输的最大数量是10。(2)访问延迟():定义为时间访问请求的生成与RA过程完成的时间。
然后我们将研究选择的影响价值,和碰撞概率,它被定义为事件的数量之间的比率,当两个或两个以上的MDs发送相同的序言和整体的访问机会。
见(9),EAB结果的和与选中的EAB参数不同。这些参数这是在分页周期和子帧的数量这是两个连续播放SIB14s之间的子帧的数量。还DQAL结果与所选值不同。这就是为什么我们将比较这两种算法的访问延迟和LTE同时修复某些约束。的价值选择基于MDs的数量以优化访问延迟根据选择的约束。例如,当MDs的数量= 10 K和访问成功概率约束= 80%,是8前言。然而,当MDs的数量等于15 K下相同的约束,是6前言。另一方面,下固定数量的资源(前言)的价值= (RA总数每CRI插槽),拉槽/中国国际广播电台的总数等于4时开环配置指数等于6。至于EAB的值相同和选择基于MDs的数量以优化访问延迟根据选择的约束。
数据6和7演示的比较三种算法之间的访问延迟条件下大于70%、80%和90%,分别选择最佳parmaters提供最低的延迟选择约束。
如图6启用,EAB DQAL MDs的数字,在某些值,碰撞系数将超过0.4。然而,有一个很大的不同的访问延迟EAB这个切换点前后DQAL相比。这种差异是由于的禁止在EAB MD是等待,直到它接收到该位图表明其交流资格访问系统。从图如图所示,LTE表现良好的到达率低到一定数量的MDs;然后它不能满足选定的约束。EAB和DQAL可以支持所需的成功概率约束下的较高的到达率。
在图6,DQAL执行比EAB而言直到MDs的数量达到26 K。
图7说明增加约束将导致增加的访问延迟EAB,特别是当MDs的数量大于27 K MDs。为了满足约束,分页周期将会增加和MDs将等待很长一段时间,直到检测到分页场合并检查相应的位图。所以访问延迟将会增加。
图8表明支持的最大数量的MDs的LTE却降低了19 K MDs 17 K MDs时必需的限制从70%上升到90%。这是因为大量的MDs碰撞会导致更多MDs和相应的颁布会增加,导致较低的成功概率。另一方面,DQAL访问延迟的结果比EAB尤其是所需的约束访问成功概率增加。背后的原因这显著延迟EAB拥有更高的访问成功概率是需要增加分页周期。因此,MDs的访问延迟将增加要等待长时间,直到他们已经把他们的访问请求的权限。
图9展示了访问延迟的函数鉴于有两个RA槽每帧。DQAL性能的研究有两个交通场景:10000 MDs 20000 MDs中流量和交通拥挤。固定容量条件下(固定数量的前言留给MDs),任何增加将反映在虚拟组织(的总数)。因此,如图9,有翻转点(6、8、13、18日24日27日,36),这些点的访问延迟后将迅速增加。这是由于系统容量(前言总数/国际)是完全利用和分布在虚拟组织没有任何损失,而且,这些点后,任何增加值的总数将减少虚拟组织,留下一个未使用的前言。因此,值应该是选择实现这一条件和利用所有的M2M前言。从图展示了9切换点(8前言10 K MDs和6前言20 K MDs)的最小值的访问延迟,提高的地方之前这一点都将减少碰撞概率在同一虚拟组。因此,访问延迟将会减少。也在这一点上,增加值将减少的数量的虚拟组负责处理碰撞之前的中国国际广播电台和新访问请求。因此,访问延迟将会增加。因此,为了实现最小延迟值应该是仔细选择基于系统的负载如上澄清。
图10表明,增加值结果增加访问成功概率。最初,有快速增长,然后它将是饱和有点小100%。这个快速增长的原因是更多的访问资源(前言)在同一个虚拟集团将导致增加的概率成功访问系统之前颁布的最大数量,同时观察到饱和的原因是,进一步增加将导致积累新的访问请求和解决旧的碰撞,所以访问成功概率会比100%饱和有点小。
图11表明,增加将导致在一定程度上降低碰撞概率狂热,碰撞的概率MDs在同一虚拟组织将减少。
图12比较不同值的访问延迟RA槽每帧下固定值(6前言)。DQAL激活后,有一个快速增长的RA名额时每帧,虽然有2 RAs每帧的访问延迟增加缓慢。这是由于增加了前言2 RA的名额情况将导致更多的虚拟组织。因此,第一个访问MDs不会阻止长时间也老碰撞将很快得到解决。
5。结论和未来的工作
在本文中,我们引入一个有效的协议(DQAL)来解决访问M2M通信问题在LTE网络使用分布式排队算法。这个协议将继续访问过程的LTE H2H不变。因此,它的实现将会非常顺利。原DQRAP适应是符合LTE的框架结构及其规范。最优设计参数的虚拟组织的数量和前言的数量/每组确定基于交通负荷。拟议中的协议的性能比较,EAB算法选择的3 GPP是最可行的基线解解决拥堵的瑞秋。仿真结果表明,的访问延迟DQAL比EAB在某些访问成功概率约束。这是因为该技术的目的是有效地解决冲突,在很大程度上利用访问资源。最后,我们可以得出结论,提出DQAL在LTE协议执行有效地支持M2M服务。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。