基于設(shè)備能耗分簇的M2M通信隨機(jī)接入方法

闞求實(shí), 何繼愛, 李志鑫, 張 琴

(蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

機(jī)器對(duì)機(jī)器(Machine to Machine,M2M)通信是指使自動(dòng)化應(yīng)用程序能夠在機(jī)器或設(shè)備之間提供連接而無(wú)須任何人工干預(yù)的方式[1],是下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。預(yù)計(jì)到2023年,全球連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將超過(guò)135億臺(tái)[2],其中蜂窩網(wǎng)絡(luò)有望在M2M通信的成功部署中發(fā)揮重要作用。然而,當(dāng)下部署的蜂窩網(wǎng)絡(luò)針對(duì)的是傳統(tǒng)的人對(duì)人(Human to Human,H2H)通信,并不能完全符合M2M通信的需求,為了促進(jìn)M2M設(shè)備在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的通信[3],要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題:首先要考慮的是設(shè)備隨機(jī)接入的成功率,由于大規(guī)模、突發(fā)的M2M業(yè)務(wù)會(huì)不定期發(fā)生,大量M2M設(shè)備可能會(huì)同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò),這會(huì)導(dǎo)致接入沖突和延遲[4];其次還需考慮設(shè)備能耗,M2M通信中大多數(shù)的設(shè)備都具備長(zhǎng)期工作、無(wú)須人為操作等特征,某些設(shè)備的通信使用壽命需要長(zhǎng)達(dá)十年之久,這意味著對(duì)設(shè)備能耗的要求很高。

針對(duì)上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作,提出了時(shí)隙接入、退避機(jī)制、分配專用接入資源、動(dòng)態(tài)隨機(jī)接入、設(shè)備分組,接入級(jí)限制/擴(kuò)展接入限制(Access Class Barring/Extended Access Barring,ACB/EAB)等方案[5]。文獻(xiàn)[6]介紹了目前最為常見的方案——ACB,通過(guò)降低接入請(qǐng)求的到達(dá)率來(lái)控制隨機(jī)接入擁塞,在該方案中,用戶被劃分為幾個(gè)接入類,當(dāng)用戶希望接入網(wǎng)絡(luò)時(shí),用戶會(huì)自動(dòng)隨機(jī)生成一個(gè)大于0但小于1的值,此時(shí)基站也會(huì)自動(dòng)隨機(jī)生成一個(gè)ACB因子并進(jìn)行廣播,如果生成的值小于或等于ACB因子,則允許用戶接入網(wǎng)絡(luò),否則,用戶將在特定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)被臨時(shí)禁止。雖然ACB方案能夠大幅度提高設(shè)備在隨機(jī)接入過(guò)程中的各項(xiàng)性能指標(biāo),但因其是針對(duì)H2H通信所開發(fā),不適用于設(shè)備數(shù)較多的情況。此外,國(guó)外的一些學(xué)者還對(duì)ACB方案進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā),產(chǎn)生了不同類型的ACB,其中最為常用的就是擴(kuò)展ACB,也就是EAB[7],其原理是當(dāng)隨機(jī)接入到達(dá)率高時(shí),優(yōu)先級(jí)低的M2M設(shè)備將被禁止接入網(wǎng)絡(luò),以此來(lái)降低設(shè)備隨機(jī)接入的碰撞概率,但可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)低的M2M設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)。

文獻(xiàn)[8]中,采用為M2M通信與H2H通信分配獨(dú)立專用的隨機(jī)接入資源的方法,減少二者之間的相互干擾。文獻(xiàn)[9]提出了設(shè)備分簇的思想,把設(shè)備按照一些特性分成若干簇,每簇包含一組M2M設(shè)備和一個(gè)簇頭設(shè)備,簇頭設(shè)備由設(shè)計(jì)的基于通信能力的選擇算法決定,該組內(nèi)的所有設(shè)備只能通過(guò)簇頭設(shè)備向eNB發(fā)送和接收信息,該方法雖然可以有效地降低設(shè)備在接入時(shí)發(fā)生的碰撞,但提升了系統(tǒng)的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[10]提出了一種動(dòng)態(tài)隨機(jī)接入的控制方法,在該方法中,M2M設(shè)備被分成兩簇:時(shí)延敏感設(shè)備和時(shí)延容忍設(shè)備,隨機(jī)接入資源被動(dòng)態(tài)分區(qū)并分配給每個(gè)M2M設(shè)備簇,以此來(lái)降低設(shè)備在隨機(jī)接入過(guò)程中的碰撞概率,但在實(shí)際應(yīng)用中,由于設(shè)備只劃分為兩類,設(shè)備在接入過(guò)程中的碰撞概率并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性降低。文獻(xiàn)[11]把隨機(jī)接入資源劃分為多個(gè)子資源,這些子資源將根據(jù)各個(gè)鏈路特性分配給不同的鏈路,此種方案的缺點(diǎn)是難以找到最優(yōu)的鏈路特性劃分方式。文獻(xiàn)[12]中,作者提出了一種新的概念:前導(dǎo)碼重疊。其核心思想是多個(gè)設(shè)備可以共用一個(gè)前導(dǎo)碼來(lái)進(jìn)行隨機(jī)接入,以此緩解隨機(jī)接入資源不足的問(wèn)題,但此方案會(huì)提升隨機(jī)接入過(guò)程中的碰撞概率。文獻(xiàn)[13]提出了一種根據(jù)估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻需要接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量來(lái)動(dòng)態(tài)分配隨機(jī)接入資源的算法,以提高系統(tǒng)的可靠性,但當(dāng)前還沒(méi)有一種可靠的估計(jì)算法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)出當(dāng)前需要接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)。

在文獻(xiàn)[14]中,根據(jù)設(shè)備的地理位置,對(duì)蜂窩小區(qū)的區(qū)域進(jìn)行劃分并對(duì)設(shè)備進(jìn)行分組,針對(duì)隨機(jī)接入資源短缺的問(wèn)題,提出了一種基于重復(fù)使用前導(dǎo)碼的隨機(jī)接入方案,該方案可以有效地提高前導(dǎo)碼的利用率,但會(huì)增加設(shè)備之間在隨機(jī)接入時(shí)的碰撞概率。在文獻(xiàn)[15]中,設(shè)備按業(yè)務(wù)類型分組,把具有相似業(yè)務(wù)類型的設(shè)備分成一組,以此來(lái)降低隨機(jī)接入資源的浪費(fèi),但由于目前設(shè)備的業(yè)務(wù)類型復(fù)雜度高,無(wú)法找出最優(yōu)分組。文獻(xiàn)[16]采用了一種特定于機(jī)器類通信(Machine-Type Communication,MTC)的退避方案來(lái)解決隨機(jī)接入中的前導(dǎo)碼沖突,在該方案中,在特定時(shí)間段內(nèi),第一次接入嘗試失敗的M2M設(shè)備會(huì)被再次阻止接入網(wǎng)絡(luò),如果M2M設(shè)備由于接入碰撞導(dǎo)致第二次也無(wú)法接入時(shí),則該設(shè)備將被阻塞一段比第一次更長(zhǎng)的退避時(shí)間間隔。

上述文獻(xiàn)中提出的隨機(jī)接入方法能夠在一定程度上緩解大量M2M設(shè)備隨機(jī)接入所產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題,但未考慮降低設(shè)備接入時(shí)所產(chǎn)生的能耗。對(duì)此,本文提出了一種改進(jìn)型的隨機(jī)接入方法——基于設(shè)備能耗分簇的M2M通信隨機(jī)接入方法。本文主要貢獻(xiàn)如下。

① 通過(guò)對(duì)M2M設(shè)備能量消耗率的大小進(jìn)行分簇并設(shè)定簇之間的優(yōu)先級(jí),設(shè)備能耗率越大的簇,優(yōu)先級(jí)越高,處在高優(yōu)先級(jí)簇的設(shè)備優(yōu)先分配接入資源,以此來(lái)節(jié)約設(shè)備接入時(shí)的能耗。

② 隨機(jī)接入資源由每簇的簇頭接收,并將每個(gè)簇中的設(shè)備進(jìn)行隨機(jī)接入的競(jìng)爭(zhēng)分配,以提高隨機(jī)接入的資源利用率。

③ 仿真結(jié)果表明,在大量設(shè)備同時(shí)發(fā)出接入請(qǐng)求時(shí),所提出的隨機(jī)接入控制方法相比于傳統(tǒng)ACB算法能夠更加有效地提高設(shè)備接入的成功率,降低接入時(shí)延。

1 系統(tǒng)模型

在M2M通信中,大多數(shù)設(shè)備都具備長(zhǎng)期工作、無(wú)須人為操作等特征,故節(jié)約設(shè)備能耗是設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型必須考慮的因素;但在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面,除少數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景(如智能警報(bào)系統(tǒng)、智能支付系統(tǒng)等)有著很高的實(shí)時(shí)性要求外,其他大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景(如智能電網(wǎng)、智能家具、智能家用檢測(cè)裝置等)實(shí)時(shí)性要求一般。針對(duì)以上特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于設(shè)備能耗分簇的系統(tǒng)模型,以此來(lái)節(jié)約設(shè)備接入時(shí)的能耗,具體系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 基于設(shè)備能耗分簇M2M通信隨機(jī)接入模型圖

傳統(tǒng)的分簇方法中,通常是以M2M設(shè)備的地理位置或業(yè)務(wù)特性作為分簇標(biāo)準(zhǔn),而本文是以設(shè)備能量消耗率的大小作為劃分標(biāo)準(zhǔn),可以將其量化為設(shè)備每次隨機(jī)接入所消耗的能量與其自身攜帶總能量的比值θ,例如將θ∈[x1,x2)的設(shè)備劃分為一簇,而將θ∈[x2,x3)的設(shè)備劃分為另一簇等,其中x1、x2和x3的值根據(jù)設(shè)備所在的具體場(chǎng)景而定。

此種設(shè)備分簇方法的劃分依據(jù)為:設(shè)備每次在向基站發(fā)起隨機(jī)接入請(qǐng)求時(shí)都會(huì)消耗其自身所攜帶的能量且在隨機(jī)接入的過(guò)程中存在發(fā)生碰撞的概率,因此考慮將消耗自身能量較快的設(shè)備優(yōu)先進(jìn)行接入,以此有效地節(jié)約因大量設(shè)備同時(shí)接入發(fā)生碰撞而無(wú)法正常接入消耗的能量,進(jìn)而達(dá)到提高隨機(jī)接入的資源利用率并降低設(shè)備能耗的目的。

2 基于設(shè)備能耗分簇的M2M通信隨機(jī)接入方法

2.1 M2M設(shè)備能耗分簇的方案

與文獻(xiàn)[10]中所提出的設(shè)備分簇過(guò)程相同,該方案同樣把設(shè)備按照一定特性(即設(shè)備能量消耗率)分成若干簇,其具體過(guò)程如圖2所示。假定每個(gè)M2M設(shè)備的θ值能夠被其自身計(jì)算出來(lái),第1節(jié)中描述的分簇的分類規(guī)則已被提前存儲(chǔ)在eNB端。M2M設(shè)備能耗的分簇過(guò)程可分為兩種情況:一次接入和二次接入。

圖2 M2M設(shè)備能耗的分簇過(guò)程示意圖

(1) 一次接入。

當(dāng)設(shè)備向eNB發(fā)送隨機(jī)接入請(qǐng)求時(shí),eNB可以根據(jù)設(shè)備所發(fā)送的隨機(jī)接入請(qǐng)求中是否包含簇ID來(lái)判斷該設(shè)備是否為第一次接入;否則,將根據(jù)設(shè)備θ值查詢分類規(guī)則將相應(yīng)的簇ID分配給該設(shè)備。

(2) 二次接入。

由于設(shè)備向eNB發(fā)送的隨機(jī)接入請(qǐng)求中包含著簇ID,因此eNB可直接確認(rèn)其所在簇,無(wú)須重復(fù)分配簇ID。

2.2 M2M設(shè)備能耗分簇的接入方案

本文的設(shè)備隨機(jī)接入流程是依據(jù)ALOHA協(xié)議而來(lái),其隨機(jī)接入流程如圖3所示。

圖3 M2M設(shè)備隨機(jī)接入流程

eNB以時(shí)間P為尋呼周期進(jìn)行廣播,以每簇的簇頭來(lái)進(jìn)行隨機(jī)接入過(guò)程,存在以下兩種情況。

(1) 簇頭需要發(fā)送數(shù)據(jù)。

在廣播尋呼過(guò)程中,如果簇簇頭有數(shù)據(jù)要發(fā)送,而eNB仍有隨機(jī)接入資源,則會(huì)立即為其簇分配大小相對(duì)應(yīng)的接入資源。然后,具有接入需求的簇設(shè)備可以通過(guò)隨機(jī)接入競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入資源。如果具有接入需求的簇設(shè)備數(shù)量少于分配的接入資源,則剩余接入資源將由其他簇的設(shè)備使用。

(2) 簇頭無(wú)須發(fā)送數(shù)據(jù)。

① 在廣播尋呼過(guò)程中,如果簇簇頭沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送,而簇設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí),有接入需求的簇設(shè)備會(huì)先緩存數(shù)據(jù),待到t時(shí)間段后,簇簇頭有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí),其隨機(jī)接入過(guò)程將如情況(1)所述進(jìn)行。

② 如果一個(gè)簇的某些設(shè)備在一段時(shí)間后沒(méi)有獲得簇內(nèi)的隨機(jī)接入資源,它將直接向eNB發(fā)起隨機(jī)接入請(qǐng)求。不同簇的設(shè)備將根據(jù)簇優(yōu)先級(jí)ID依次接入。來(lái)自同一簇(具有相同優(yōu)先級(jí)ID)的設(shè)備將根據(jù)隨機(jī)接入競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程直接競(jìng)爭(zhēng)eNB的接入資源。同時(shí),為了避免來(lái)自同一簇的大量設(shè)備同時(shí)發(fā)起接入請(qǐng)求,每個(gè)設(shè)備將等待一段隨機(jī)時(shí)間q后再發(fā)起接入請(qǐng)求。

③ 如果一個(gè)簇中的多個(gè)M2M設(shè)備同時(shí)選擇同一接入資源,則視為發(fā)生碰撞沖突。此時(shí),只有一個(gè)設(shè)備可以接入網(wǎng)絡(luò),其他設(shè)備必須退避一段隨機(jī)的時(shí)間T。如果此時(shí)出現(xiàn)(1)情況,設(shè)備將按照(1)中描述的方式競(jìng)爭(zhēng)接入資源。否則,將重復(fù)情況(2)中的步驟①～步驟③。

3 系統(tǒng)性能分析

本文主要分析設(shè)備能耗分簇的隨機(jī)接入過(guò)程,應(yīng)重點(diǎn)考察一個(gè)尋呼周期內(nèi)的M2M設(shè)備成功接入的概率和時(shí)延問(wèn)題。

該模型的決定性因素在于如何高效地分配隨機(jī)接入資源(即前導(dǎo)碼)問(wèn)題。通常隨機(jī)接入資源是以隨機(jī)接入時(shí)隙為單位進(jìn)行分配的,一個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙包含64個(gè)前導(dǎo)碼,多數(shù)情況下會(huì)為非競(jìng)爭(zhēng)性的設(shè)備接入預(yù)留10個(gè)[17],而本文所采用的隨機(jī)接入方案是基于競(jìng)爭(zhēng)性的,因此可用前導(dǎo)碼的數(shù)量只有54個(gè)。

假設(shè)尋呼周期為Ps,則1 s內(nèi)的隨機(jī)接入時(shí)隙數(shù)為M,并且每個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙中有N=54個(gè)前導(dǎo)碼可用于設(shè)備接入。那么,在一個(gè)尋呼周期內(nèi),單個(gè)eNB中可用的隨機(jī)接入時(shí)隙數(shù)為P×M,則一個(gè)eNB可以為M2M設(shè)備在一個(gè)尋呼周期內(nèi)隨機(jī)接入機(jī)會(huì)為P×M×N。

假設(shè)一個(gè)eNB中的M2M設(shè)備被劃分為L(zhǎng)簇,第i簇的簇頭在第h個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙發(fā)起的接入請(qǐng)求數(shù)為Mi(h),則在簇廣播尋呼時(shí)間段P內(nèi)發(fā)起訪問(wèn)請(qǐng)求的簇總數(shù)為

(1)

假定每簇有m個(gè)M2M設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)接入,h個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙中有h×N個(gè)隨機(jī)接入資源,則成功接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量為

(2)

當(dāng)h個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙分配給i個(gè)簇時(shí),如果剩余前導(dǎo)碼的數(shù)量為Ri(h),則h個(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙中成功接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量為

(3)

若尋呼周期P內(nèi)成功接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)為

(4)

則尋呼周期P內(nèi),一個(gè)eNB范圍下M2M設(shè)備的成功接入率為

(5)

在一個(gè)尋呼周期內(nèi),通信設(shè)備的總能耗E由兩部分組成:① 所有發(fā)起隨機(jī)接入設(shè)備的能耗;② 接入成功設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎摹t

E=m×L×Eaccess+C×Edata

(6)

式中:m×L為一個(gè)尋呼周期內(nèi)所有發(fā)送接入請(qǐng)求的設(shè)備數(shù);Eaccess為設(shè)備發(fā)送隨機(jī)接入請(qǐng)求時(shí)的能耗;C為尋呼周期內(nèi)成功接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù);Edata為設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的能耗。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

4.1 仿真參數(shù)

利用MATLAB軟件模擬LTE蜂窩小區(qū)場(chǎng)景下,M2M設(shè)備在一個(gè)尋呼周期內(nèi)各種擁塞策略的隨機(jī)接入過(guò)程,以此來(lái)驗(yàn)證本文提出的設(shè)備能耗分簇隨機(jī)接入方法的性能。經(jīng)實(shí)際調(diào)查及參考文獻(xiàn)[5]可知,單小區(qū)場(chǎng)景下的總設(shè)備數(shù)基本不超過(guò)6 000個(gè),其他仿真參數(shù)則是由3GPP為設(shè)備的隨機(jī)接入配置所給出的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),其仿真參數(shù)更能貼近實(shí)際應(yīng)用,具體數(shù)值如表1所示。

表1 仿真參數(shù)具體數(shù)值

4.2 仿真結(jié)果與分析

圖4是依據(jù)上文所描述的隨機(jī)接入控制方法得出的,為設(shè)備首次發(fā)送隨機(jī)接入請(qǐng)求接入成功的概率。從圖4中可以看出,3種設(shè)備分簇方式的初次成功接入率都隨著總設(shè)備數(shù)的增多呈下降趨勢(shì),同時(shí)設(shè)備分簇?cái)?shù)量越多,設(shè)備隨機(jī)接入的成功率W也就越高,這是因?yàn)榉执財(cái)?shù)越多,每簇中的設(shè)備數(shù)量就越少,簇中的每個(gè)設(shè)備都能夠無(wú)須競(jìng)爭(zhēng)地獲取隨機(jī)接入資源,進(jìn)而設(shè)備在接入中發(fā)生碰撞的可能性就越小。但比較3種設(shè)備分簇方式可以得出:分簇?cái)?shù)為200相比于分簇?cái)?shù)為100時(shí),設(shè)備初次接入成功率提升明顯,尤其是當(dāng)設(shè)備數(shù)量超過(guò)4 000時(shí),初次接入成功率能夠提升10%以上,但在分簇?cái)?shù)為300與分簇?cái)?shù)為200進(jìn)行比較時(shí),設(shè)備初次接入成功率的提升很小,幾乎可以忽略。當(dāng)總設(shè)備數(shù)到達(dá)6 000時(shí),其成功接入概率曲線下降程度尤為顯著,這是因?yàn)橐粋€(gè)隨機(jī)接入時(shí)隙中可用的前導(dǎo)碼固定為54個(gè),如果分簇后每個(gè)簇的設(shè)備數(shù)大于54個(gè),則由簇頭接收到的隨機(jī)接入資源需要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式分配給簇內(nèi)的設(shè)備,容易發(fā)生碰撞,導(dǎo)致設(shè)備的接入成功率降低。

圖5為尋呼周期P=10 s時(shí),在不同M2M設(shè)備總數(shù)下,設(shè)備接入成功率W的示意圖。可以看出:總設(shè)備數(shù)越少,分簇?cái)?shù)越多,W越大;總設(shè)備數(shù)越多,簇?cái)?shù)越少,W越小。但從圖5中可以看出,即使設(shè)備總數(shù)達(dá)到6 000時(shí)依然能保證設(shè)備接入成功率W在90%以上,這是因?yàn)椴捎昧送吮軝C(jī)制,設(shè)備在接入時(shí)發(fā)生碰撞后,將退避20 ms才會(huì)重新接入,而本實(shí)驗(yàn)規(guī)定的設(shè)備的最大回退次數(shù)為5次,當(dāng)回退次數(shù)達(dá)到5次后,如果設(shè)備仍未成功接入網(wǎng)絡(luò)時(shí),設(shè)備將放棄發(fā)起接入請(qǐng)求。

圖5 P=10 s時(shí)M2M設(shè)備接入成功率

圖6為尋呼周期P=20 s時(shí),在不同M2M設(shè)備總數(shù)下,設(shè)備接入成功率W的示意圖。可以看出:當(dāng)設(shè)備總數(shù)在6 000以內(nèi)時(shí),圖中所有設(shè)備分簇?cái)?shù)的接入成功率都在95%以上,而且接入成功率要明顯高于P=10 s時(shí),這是因?yàn)閷ず糁芷诘脑龃?設(shè)備在發(fā)生碰撞時(shí)能夠有更多的回退時(shí)間,所以設(shè)備接入成功率必然會(huì)提高。

圖6 P=20 s時(shí)M2M設(shè)備接入成功率

由圖5、圖6可以看出,當(dāng)總設(shè)備數(shù)相同時(shí),設(shè)備接入成功率W隨著分簇?cái)?shù)的增加而呈上升趨勢(shì),且W的平均下降速度隨著分簇?cái)?shù)的增加而降低,但當(dāng)P=20 s時(shí),W的下降速度明顯比P=10 s時(shí)慢。當(dāng)分簇?cái)?shù)為200時(shí),W下降最慢;分簇?cái)?shù)為100時(shí),W下降最快。

圖7為P=20 s時(shí)3種隨機(jī)接入策略設(shè)備隨機(jī)接入成功率的比較。由圖7可以看出,傳統(tǒng)的ACB策略與本文所提的以設(shè)備能耗率分簇的策略相比,在設(shè)備數(shù)較少時(shí),兩者在接入成功率方面相差不大,但隨著設(shè)備數(shù)的持續(xù)增加,設(shè)備能耗分簇策略能夠提升約5%的設(shè)備接入成功率。這是由于傳統(tǒng)的ACB策略本身針對(duì)H2H通信所設(shè)計(jì),不能滿足大量設(shè)備的同時(shí)接入,在設(shè)備數(shù)量過(guò)多的情況下,容易發(fā)生二次擁塞。而在沒(méi)有擁塞控制策略時(shí)隨機(jī)接入成功率始終較低,并且隨機(jī)接入成功率隨著設(shè)備數(shù)目的增加而急劇惡化,當(dāng)設(shè)備數(shù)達(dá)到6 000個(gè)時(shí),其隨機(jī)接入成功率已不足30%,出現(xiàn)了明顯的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

圖7 P=20 s時(shí)3種隨機(jī)接入策略設(shè)備隨機(jī)接入成功率的比較

圖8為尋呼周期P=20 s時(shí),設(shè)備成功接入的平均時(shí)延。設(shè)備數(shù)越大,M2M設(shè)備成功接入的平均時(shí)延

圖8 P=20 s時(shí)設(shè)備成功接入的平均時(shí)延

越長(zhǎng)。當(dāng)設(shè)備數(shù)為1 000個(gè)時(shí),平均時(shí)延范圍為20～30 ms,即大多數(shù)設(shè)備可以在第一時(shí)間成功接入。設(shè)備總數(shù)越多,簇?cái)?shù)越少,發(fā)生碰撞的可能性越大,此時(shí)設(shè)備的退避機(jī)制就會(huì)被大量使用,所以其成功接入的平均時(shí)延就會(huì)增加。但從整體上看,隨著分簇?cái)?shù)的增加,設(shè)備的隨機(jī)接入平均時(shí)延在減少,但當(dāng)分簇?cái)?shù)從200增加到300時(shí),設(shè)備成功接入的平均時(shí)延變化很小。

圖9為尋呼周期P=20 s時(shí),在不同設(shè)備總數(shù)的情況下,3種不同隨機(jī)接入策略的隨機(jī)接入平均時(shí)延趨勢(shì)圖。從圖9中可以看出,ACB算法的設(shè)備隨機(jī)接入的平均時(shí)延在30～40 ms之間,明顯高于設(shè)備能耗率分簇策略的平均時(shí)延,這表現(xiàn)出ACB算法對(duì)M2M通信的不適應(yīng)性。當(dāng)設(shè)備數(shù)小于3 000個(gè)時(shí),3種分簇的設(shè)備接入平均時(shí)延幾乎一致。當(dāng)設(shè)備數(shù)大于3 000個(gè)時(shí),分簇?cái)?shù)為200和300時(shí),設(shè)備的隨機(jī)接入平均時(shí)延明顯低于分簇?cái)?shù)100的平均時(shí)延,尤其當(dāng)設(shè)備數(shù)達(dá)到6 000個(gè)時(shí),降低了大約5 s;但隨著設(shè)備數(shù)的增加,分簇?cái)?shù)為200與300時(shí),設(shè)備隨機(jī)接入平均時(shí)延幾乎沒(méi)有差距。而在沒(méi)有擁塞控制的策略下,即使設(shè)備總數(shù)較少,隨機(jī)接入平均時(shí)延也會(huì)較大,而隨著總設(shè)備數(shù)的增加,其隨機(jī)接入的平均時(shí)延會(huì)急劇增大,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能。

圖9 P=20 s時(shí)3種隨機(jī)接入策略設(shè)備接入平均時(shí)延趨勢(shì)圖

圖10為尋呼周期P=20 s時(shí),不同M2M設(shè)備數(shù)在不同的隨機(jī)接入算法下完成整個(gè)接入過(guò)程所需要的通信能耗。從圖10中可以看出,當(dāng)設(shè)備數(shù)為1 000個(gè)時(shí),4種隨機(jī)接入策略在能耗方面的差距不大,但隨著設(shè)備數(shù)的不斷增加,ACB算法下的通信總能耗會(huì)大幅度提升,約為設(shè)備分簇算法的一倍,且當(dāng)設(shè)備數(shù)達(dá)到6 000個(gè)時(shí),設(shè)備分簇算法比ACB算法節(jié)省約2/3的能耗,這是由于ACB算法在設(shè)備數(shù)較多的情況下隨機(jī)接入的成功率會(huì)發(fā)生急劇惡化,導(dǎo)致設(shè)備的重傳次數(shù)不斷增多,進(jìn)而導(dǎo)致能耗的增加。而同等設(shè)備數(shù)下,設(shè)備分簇?cái)?shù)越多,隨機(jī)接入的成功率越高,能耗越少,可以達(dá)到較好的能耗水平。

圖10 P=20 s時(shí)M2M設(shè)備隨機(jī)接入通信能耗比較

總結(jié)仿真結(jié)果可以得出:當(dāng)分簇?cái)?shù)為200,尋呼周期P為20 s時(shí),設(shè)備可以獲得較高的接入成功率和更理想的接入時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究以設(shè)備分簇的隨機(jī)接入方法為基礎(chǔ),提出了一種基于設(shè)備能耗分簇的M2M通信隨機(jī)接入方法,該方法將M2M設(shè)備按能耗率的比值進(jìn)行分簇,能耗率比值越大的簇具有較高的接入優(yōu)先級(jí),每個(gè)簇的簇頭代表簇申請(qǐng)接收隨機(jī)接入資源,隨機(jī)接入資源將在簇設(shè)備之間競(jìng)爭(zhēng)分配。仿真結(jié)果表明,該方法能夠有效地節(jié)省設(shè)備能耗,提高設(shè)備的接入成功率,降低時(shí)延。未來(lái)將會(huì)對(duì)M2M隨機(jī)接入方案展開進(jìn)一步的探究來(lái)決定能耗率θ的取值范圍以及每個(gè)簇簇頭的最佳選擇。