魏成强，王 聪，李 宁，陈彦成

（1.陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007）

0 引 言

M2M（Machine-to-Machine，M2M）通信是指在不需要或极少需要人干预的情况下，通过各种无线接入技术，实现机器与机器之间的信息交互。随着科技的发展，M2M设备数量急剧增加。根据Gartner公司统计，到2020年通过机器对机器（M2M）连接的物联网设备将达到204亿台[1]，最终它们将作为物联网终端接入互联网[2-3]。

在LTE/LTE-A网内，通信服务应当优先满足H2H设备通信[4]。但是，随着大规模M2M设备接入网络，导致网络性能下降，严重影响了H2H通信的服务质量。针对此问题，很多学者做了大量研究工作，主要将拥塞控制机制分为基于推和基于拉两种方法[5]。在基于推的方案中，采用多种不同机制，如RACH（Random Access Channel，RACH）资源的分离、RACH资源的动态分配、M2M通信特有的回退机制以及ACB（Access Class blocking，ACB）机制等。在采用RACH资源分离的方法中，当M2M与H2H（Human-to-Human，H2H）共享资源时，由于M2M设备的数量巨大，会对H2H的服务质量产生较大影响。将RACH资源划分为M2M和H2H两部分，即使部署了大量M2M设备，也不会影响H2H通信质量。这种分离可以通过不同方式实现，如时间、频率、前导码资源的分离或它们的混合。RACH资源的动态分配是对之前静态分配资源的一种改进，基站根据数据流量动态为M2M和H2H分配资源。这种方法虽然更好地处理了拥塞问题，但只能在网络知道M2M设备需要发送信息的时间 时使用。

本文针对基于拉的方法中的组寻呼机制[5]进行研究。在组寻呼机制内，基站根据QoS（Quality of Service，QoS）需求将设备分成不同的组，并为每一个分组分配ID，称为GID（Group ID，GID）。当组内设备收到寻呼消息后，所有设备同时发起随机接入进程[6]。由于基于竞争的随机接入过程中前导码资源有限，当两个以上设备选择相同的前导码时，则发生冲突。大规模M2M设备的接入，使冲突的概率骤增，严重影响网络性能和H2H通信质量。对此，文献[7]提出连续组寻呼方法，通过重复寻呼间隔，提高设备的接入成功率；文献[8]提出通过严格的时隙调度来控制M2M设备的接入；文献[9]中提出预回退机制，设备接入前被强制回退一定的时间，减少了同时接入网络的设备数量。

本文提出一种基于ACB机制的组寻呼拥塞控制方法，将ACB机制和组寻呼方法结合，减少同时访问网络的M2M设备数量，从而提高接入成功率，提高网络性能。本文安排如下：第1部分介绍ACB机制和随机接入过程；第2部分讨论基于ACB机制的组寻呼拥塞控制方法；第3部分进行性能分析；最后总结全文。

1 ACB机制和随机接入过程

1.1 ACB机制

ACB机制作为一种拥塞控制机制，在2G/3G网络内已经被研究使用[10]。在LTE/LTE-A中，ACB机制由禁止参数（ac_BarringFactor）和禁止时间（ac_BarringTime）参数组成[11]。这两个参数由基站通过系统信息通知参与竞争的设备（包含H2H和M2M）。在设备发起基于竞争的随机接入进程前，首先根据系统信息判定所在的组是否被禁止。没有被禁止，则组内所有设备都可以同时发起随机接入进程；否则，组内每个设备在0～1之间随机选择一个数值，然后与基站广播的ACB机制的禁止参数进行比较，如果小于参数值，设备发起随机接入进程。相反，则被强制回退一定的禁止时间，直到禁止时间为0，该设备重新选择一个随机数进行判定。工作原理如图1所示。

图1 ACB机制

1.2 随机接入过程

基于竞争的随机接入过程如图2所示。

1.2.1 前导码传输（Msg1）

设备根据系统广播消息确定物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）的位置和可用的前导码集合，随机选择一个前导码发送到基站，由基站进行前导码的检测。

图2 LTE竞争随机接入过程

1.2.2 随机接入响应（Msg2）

基站在检测到前导码后，在规定的响应窗口内向设备发送随机接入响应消息（Random Access Response，RAR）。如果设备在规定时间内没有成功收到Msg2，设备将判定本次随机接入请求失败，并进行回退重传。

1.2.3 上行调度请求（Msg3）

基站成功接收到Msg2后，将在指示信道发送Msg3，内容包括C-RNTI、连接建立请求和资源调度请求。由于发生前导码冲突的设备被分配给了相同的上行信道，基站将无法对Msg3进行译码并做出响应，即基站不会向存在冲突的UE发送Msg4。

1.2.4 竞争解决（Msg4）

基站在成功对Msg3译码后发送给设备确认消息，表明随机接入完成，设备成功建立连接，之后设备可以发送数据。如果设备在定时超时后没有收到Msg4，则判定本次随机接入请求失败并进行重传。

2 基于ACB机制的组寻呼拥塞控制方法

2.1 系统模型

本文假设网络中只有一个小区，小区内有M个M2M设备。基站为基于竞争的随机接入过程保留了R个前导码资源，则总的可用资源数量被称为随机接入机会（Random Access Opportunities，RAOs）等于每个随机接入时隙内频带的数量与前导码的数量的乘积。由随机接入机会构成的序列被称为随机接入信道（Random Access Channel，RACH）。假设每个接入时隙内只有一个频带，即总得可用资源数量RAOs等于前导码的数量。

当设备所在的组收到寻呼消息后，取代传统组寻呼机制中组内所有设备同时发起随机接入进程。基站首先将参与竞争的M2M设备均匀分布到整个寻呼周期的每个随机接入时隙内，然后根据每个时隙内参与竞争的设备数量（包含第一次尝试连接的设备数和之前时隙内发起随机接入进程失败的设备）和可用资源数动态调整ACB机制的参数值，控制同时接入网络的设备数量，从而达到缓解拥塞的效果。

2.2 传统组寻呼机制

在组寻呼内，每个组被分配一个ID，被称为GID。设备根据GID接收寻呼消息后，在物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）上发送前导码，等待TRAR+WRAR时间来确认发送的前导码是否发生冲突。其中，TRAR表示基站处理时延，WRAR表示随机接入响应窗口。窗口长度表示窗口内包含随机接入响应消息（Random Access Response，RAR）的数量，其中每个RAR内又包含NRAR个确认消息。因此，每个随机窗口内确认信息的数量为NACK=NRAR×WRAR。

当收到寻呼消息后，组内所有设备在第一个可用的随机接入时隙内同时发起随机接入进程。根据文献[12]，第一次前导码传输后，成功和冲突的M2M设备数量分别为：

式中，i表示寻呼周期内随机接入时隙的序号，p表示设备所传输的前导码被基站检测到的概率。第一次传输的前导码被基站检测到的概率为p1=1-e-1，则第n次传输的前导码被基站检测到的概率为pn=1-e-n。Mi,s表示在随机接入时隙i内成功传输前导码的设备数量，Mi,c表示在随机接入时隙i内前导码冲突的设备数量

前导码传输过程中发生冲突的设备，遵循回退机制，均匀分布在回退窗口WBO内[12]，等待进行第二次传输，如图3所示。

图3 各个随机接入时隙内第一次和第二次进行前导码传输的设备数量

根据文献[12]，回退窗口WBO中第一个随机接入时隙a内进行第二次前导码传输的设备数量占重传设备总数量的比例∂a为：

式中，TRA_REP表示两个连续随机接入时隙之间的间隔。回退窗口WBO中bc间的每个随机接入时隙内进行第二次前导码传输的设备数量占重传设备总数量的比例为：

回退窗口WBO中第一个随机接入时隙d内进行第二次前导码传输的设备数量占重传设备总数量的比例为：

Kmax表示bc内随机接入时隙的最大数量，由于整个回退窗口WBO内进行第二次前导码传输的设备总数是第一次前导码传输产生冲突的设备数，即在回退窗口WBO中每个随机接入时隙内进行重传的设备数量为：

假设每个随机入时隙内参与第一次前导码传输设备数量相同，则每个随机时隙将产生与图3相同的前导码传输图形，后面每个随机接入时隙内进行第二次前导码传输的设备数是前面随机接入时隙内第一次前导码传输发生冲突数量在本时隙内的累积和，如图4所示。从图4可以看出，当每个时隙内总得设备数量和成功的设备数量恒定时，每个时隙的回退窗口的累积部分等于回退窗口，即Mi,c[n]=Mi[n+1]。

图4 第二次前导码传输每个随机接入时隙内回退窗口的累积部分

每个随机接入时隙内，参与竞争的设备中包含新到达的设备（进行第一次前导码传输的设备）和之前时隙内发生冲突在本时隙进行重传的设备。由于每个设备最大可进行NPTmax次传输，则每个随机接入时隙内进行第n次前导码传输设备数量[13]为：

方程式中Mk,c[n-1]表示在k时隙内进行第n-1次前导码传输失败的设备数量，这些设备在时隙i内进行第n次重传。Kmin、Kmax分别表示能够在时隙i进行重传的最小和最大的k值。Kmin、Kmax分别表示为：

αk,i表示在时隙内k传输前导码失败的设备在时隙i进行重传的比例，则αk,i为：

每个随机接入时隙i内进行第n次前导码传输成功的设备数量Mi,s[n]为：

方程中，Mi,s表示时隙i内传输前导码成功的M2M设备总数量，即则随机接入时隙i内进行第n次前导码传输失败的M2M设备数量分别为：

2.3 基于ACB机制的组寻呼拥塞控制方法

在所提的机制内，当组内设备收到寻呼消息发起随机接入进程前，基站首先将参与竞争的M2M设备均匀分布到整个寻呼周期内的各个随机接入时隙内，则每个随机接入时隙内新到达的设备数为：

Marv表示每个随机接入时隙内新到达的设备数，即每个随机接入时隙内进行第一次前导码传输的设备数，Marv=Mi[1]。Imax表示寻呼周期内随机接入时隙的最大序号。

然后，根据式（7）～式（10）得出随机时隙i内第n次传输前导码的设备数量。将式（7）内得出的值代入式（15），得出随机接入时隙i内进行前导码传输的总设备数Mi，如图5所示。

图5 随机接入时隙i内第n次传输前导码的设备数量及该时隙内传输前导码的设备总数（NPTmax=5）

根据文献[14]，计算ACB机制的禁止参数ac_BarringFactor，即取每个随机接入时隙内可用的前导码数量和参与竞争的设备数量之比与1之间的最小值：

最后，通过式（17）达到动态控制每个随机接入时隙内参与竞争的设备数量。

3 性能分析

3.1 性能指标

采用如表1所示的参数对GP机制、PBO机制和本文所提机制进行仿真，并通过成功率、冲突率、资源利用率和平均访问延迟来评估上述三种方案的性能。

表1 仿真参数

其中，成功率PS指在最大前导码传输次数以内完成整个随机接入过程的设备数量除以总的设备数量（包含激活和睡眠的设备）。

冲突率PC指两个或多个MTC设备以相同的前导码在相同的频带上发送随机访问尝试的事件发生次数与基站保留的RAOs总数之比[15]，即发生冲突的RAOs总数与保留的RAOs总数之比。在每个随机接入时隙内，发生冲突的RAOs等于基站保留的RAOs（R）减去成功的RAOs（Mie-Mi/R）和空闲的RAOs（Re-Mi/R）[16]，则冲突率PC为：

资源利用率RU指成功的MTC设备总数与总的可用资源的比值。

平均时延指设备成功完成随机接入过程的平均时间，即完成随机接入过程的设备的总时延除以完成随机接入过程的设备的总数。Ti表示在时隙i false内发起随机接入过程并完成前导码传输和信息传输的设备时延[17]。

3.2 结 果

从接入成功率仿真结果来看（见图6），当大规模M2M设备接入后，接入成功率都在下降，且当M=1 000时，组寻呼机制和预回退机制下降幅度巨大。相比较而言，本文所提机制下降较为平缓，当M=4 500时，接入成功率仍能保持在15%以上。

如图7所示，本文所提机制很好地缓解了网络拥塞问题，冲突率随着M2M设备数量的增加而略有增加，增加幅度缓慢，最后将网络冲突率控制在30%以下。然而，对于较小的群组，组寻呼机制和预回退机制的冲突概率较小。随着M2M设备的增加，组寻呼机制较预回退机制的冲突率更高，两种机制冲突率增长迅速。当M=1 000时，两种机制的冲突率在60%左右；随着设备增多趋于稳定后，都接近80%左右。

图6 接入成功率

图7 冲突率

如图8所示，从资源利用率来看，当MTC设备数量比较小时，组寻呼机制的资源利用率比预回退机制要好；当M=750时，预回退机制取得了一定改善；而当MTC设备数量较大时，预回退机制的行为几乎与组寻呼机制相同。但是，当超过 M＞2 000时，两种机制资源利用率都会降低，且低于5%。与两种机制相比，本文所提机制实现了较高的资源利用率。尤其是当MTC设备数量较大时，本文所提机制的资源利用率保持在25%左右，与组寻呼和预回退机制的差异均大于20%。

图9显示了访问成功的M2M设备的平均访问延迟。当组较小，NPTmax=10时，组寻呼和预回退机制平均访问延迟几乎相同，本文所提方法的平均访问延迟是前两种方法的一倍。但是，随着组内设备的增多，本文所提方法访问延迟趋于稳定，且低于前面两种方法。此外，不同NPTmax值的平均访问延迟也不相同。NPTmax越小，平均访问延迟越低。

图8 资源利用率

图9 平均访问时延

4 结 语

为了提高组寻呼的性能，本文提出了一种基于ACB机制的组寻呼拥塞控制方法。通过对所提机制与组寻呼、预回退机制的仿真结果进行对比可以看出，所提机制在成功率、冲突率以及资源利用率等方面都有显著提高，且更适用于大规模M2M设备的接入，缓解了网络拥塞，提高了网络性能。