機(jī)器類通信的隊(duì)列模型與過載控制研究.pdf

1、機(jī)器類通信(MTC, Machine Type Communications)①定義為通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)器與機(jī)器(M2M, Machine-to-Machine)通信;與人與人(H2H, Human to Human)通信相比,具有應(yīng)用類型繁多、業(yè)務(wù)模式多樣、終端數(shù)量巨大、小數(shù)據(jù)通信、上行占優(yōu)、定時通信、較低移動性等典型特征。MTC通信的大量引入與快速推廣將給參照H2H通信業(yè)務(wù)特性設(shè)計(jì)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來巨大挑戰(zhàn)。
　　當(dāng)海量

2、MTC終端同步入網(wǎng)時,其瞬時突發(fā)性將造成承載網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重的流量過載或網(wǎng)絡(luò)擁塞。為評估海量MTC終端的入網(wǎng)性能并提出相應(yīng)的過載控制機(jī)制,有必要建立MTC通信專屬的流量模型,即建立能表征海量MTC終端瞬時突發(fā)性的統(tǒng)計(jì)模型,以期為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供解決思路。為話音通信和分組交換網(wǎng)建立的經(jīng)典Markov隊(duì)列模型,因其獨(dú)立增量特性和無后效性,被長期用于隨機(jī)流量建模;但由于它們均蘊(yùn)含到達(dá)過程服從泊松過程的假設(shè),將不再適用于MTC通信的流量估計(jì)與建模

3、。引入具有非泊松或非Markov特性的統(tǒng)計(jì)模型成為必然。3GPP(the3rd Generation Partnership Project)建議采用Beta分布模擬海量MTC終端短時間內(nèi)同步入網(wǎng)的瞬時突發(fā)特性。Beta分布是具有有限支撐區(qū)間的雙參數(shù)概率密度函數(shù),可等效為有限區(qū)間內(nèi)隨機(jī)抽取的n個點(diǎn)的第r小點(diǎn)的概率密度函數(shù),將其作為MTC通信到達(dá)時間間隔的概率密度函數(shù),比以負(fù)指數(shù)分布作為到達(dá)時間間隔的泊松過程更能刻畫MTC通信的瞬時突發(fā)特

4、性?；谠撎岚概cMTC通信的典型應(yīng)用特征,本文為 MTC通信建立了四類小區(qū)流量預(yù)測模型和兩類基于 Beta分布的隊(duì)列模型,并提出了四類MTC通信專屬的過載控制機(jī)制,含工程可實(shí)現(xiàn)的MTC通信專屬的退避機(jī)制。相關(guān)工作可為海量終端入網(wǎng)性能分析和過載控制提供參考。
　　論文的主要研究內(nèi)容和成果包括:
　　①為滿足基于 MTC基本特征與特定網(wǎng)絡(luò)模型的性能評價需要,本文以小區(qū)為單位,為MTC通信的不同應(yīng)用場景建立了四類總流量預(yù)測模型,分

5、別是靜止模型、擴(kuò)展靜止模型、隨機(jī)游走模型和移動模型,從宏觀上給出了本地小區(qū)突發(fā)數(shù)據(jù)及信令開銷的計(jì)算辦法。分析表明:海量MTC終端接入時將使本地小區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的流量和信令過載,預(yù)成簇或布置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以通過“瞬時大數(shù)據(jù)”換取“較少的信令開銷”進(jìn)而緩解網(wǎng)絡(luò)的承載壓力。
　?、阼b于經(jīng)典Markov隊(duì)列模型難以刻畫海量MTC終端同步入網(wǎng)的瞬時突發(fā)特性,基于3GPP參考流量模型,本文首先求解了以Beta分布作為到達(dá)時間間隔的更新過程的t時刻之前

6、的平均更新次數(shù),即給定時間間隔內(nèi)的平均更新個數(shù),分析了MTC通信到達(dá)過程的接入強(qiáng)度等基本特性。接著基于 G/M/1隊(duì)列模型,為純MTC業(yè)務(wù)建立Beta/M/1隊(duì)列模型,為混合MTC業(yè)務(wù)和H2H業(yè)務(wù)建立Beta+M/M/1隊(duì)列模型,分析了海量MTC終端的入網(wǎng)性能及其對H2H通信的影響。通過推導(dǎo)參數(shù)為任意正整數(shù)的第一類合流超幾何函數(shù)的有限級數(shù)表示,給出了參數(shù)為任意正整數(shù)的Beta分布的概率生成函數(shù)的有限級數(shù)表示,該有限級數(shù)形式由指數(shù)函數(shù)和低

7、階冪函數(shù)的有限次加法和乘法運(yùn)算構(gòu)成,為到達(dá)時間間隔為Beta分布的更新過程和隊(duì)列模型的求解提供了解決思路。數(shù)值仿真表明:當(dāng)MTC通信的到達(dá)時間間隔服從Beta分布時,其到達(dá)過程的接入強(qiáng)度、隊(duì)列系統(tǒng)的平均等待時間和平均逗留時間均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由泊松過程模擬的H2H通信,驗(yàn)證了業(yè)界熟知的由MTC帶來的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題,相關(guān)結(jié)論也為過載控制機(jī)制的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。所建隊(duì)列模型與所給求解辦法不僅適用于3GPP參考模型,還可推廣到其他具有瞬時突發(fā)性的應(yīng)用

8、場景。
　　③為解決海量 MTC接入時承載網(wǎng)絡(luò)面臨的過載問題,結(jié)合上述隊(duì)列模型,本文提出了四類MTC通信專屬的過載控制機(jī)制,分別是組間聚類、可任意調(diào)整到達(dá)時間間隔的純數(shù)學(xué)方案、MTC專屬的ACB機(jī)制以及工程可實(shí)現(xiàn)的MTC專屬的退避機(jī)制。融入MTC通信流量特性的過載控制機(jī)制具有更強(qiáng)的針對性。通過蒙特卡洛仿真驗(yàn)證了“MTC專屬的退避機(jī)制-分段均勻隨機(jī)退避算法”的性能情況,數(shù)值仿真表明:當(dāng)MTC與H2H混合接入時,該算法可有效降低隨機(jī)接