CN109005559B - 带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，具体包括以下步骤：S1：基于冲突检测功能确定当前接入周期发送成功的调度请求前导数n_s,SR(i)和分配给数据传输的时频资源块数目R_data(i)；S2：获取当前接入周期和上一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目R_SR(i)和R_SR(i‑1)；S3：按照

确定下一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目，其中，Δ(i)＝n_s,SR(i)‑R_data(i)表示当前接入周期发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的时频资源块数目的差值，Δ(i‑1)表示上一接入周期的差值，i表示接入周期的序列号。其效果是：折衷了需要反馈调度请求三状态信息的两阶段无连接接入协议的复杂度，利用较少的性能损失，实现了无需用户数估计的最优资源分配。

Description

带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法。

背景技术

大规模机器类通信(mMTC，massive machine type communications)是第五代移动通信定义的三大典型应用场景之一，是3GPP为智慧城市、智能能源、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用场景提出的一种海量低功耗广域覆盖技术，面临海量连接、超低功耗、广域覆盖与深度覆盖、信令与数据相互触发等技术挑战。当海量机器类终端(MTD，machine type devices)短时间内同步入网时，其业务模式将表现出明显的瞬时突发特性,该特性将造成承载网络严重的流量过载或网络拥塞，尤其是资源稀少的无线接入网及其控制平面。为缓解上述问题，研究者们提出了诸如分类受控接入、动态资源分配、专属的退避机制以及无连接接入协议等候选解决方案。其中，前三类为3GPP标准化进程中的过渡策略，期望通过充分利用和优化现有网络技术来承载mMTC业务。无连接接入作为5G mMTC的长期策演进策略，允许MTD无需建立无线承载就进行小数据传输，可最大程度降低系统信令开销与MTD能耗，是解决mMTC海量连接问题的重要研究方向之一。

在现有研究基础上，无连接接入宏观上可分为一阶段无连接接入(OSCLA)和两阶段无连接接入(TSCLA)两大类。当采用OSCLA时，MTD直接以竞争接入的方式发送小数据包,如编码时隙ALOHA及其改进型。除极少的同步开销外，直接竞争接入几乎不引入额外的系统信令开销，但随着MTD终端数的增加OSCLA性能将竞争接入冲突概率的增加急剧降低。尽管该问题可在一定程度上通过ALOHA或多前导单次随机接入等方式部分解决，但这需要重新设计MTD与基站的无线接入协议，存在后向兼容的问题。当采用TSCLA时，MTD需要发送调度请求后才能开始小数据包发送。尽管发送调度请求会引入额外的时延，但TSCLA却可据此合理分配调度请求阶段和数据传输阶段的资源达到提高系统吞吐量、最大化资源利用率的目的。更为重要的是TSCLA的两阶段工作方式与现行蜂窝网的资源预约型无线接入协议相仿，无需过多协议修改即可应用，不存在后向兼容问题。简言之，OSCLA因采用竞争接入而更适合低负载场景的小包传输；而TSCLA因可合理调度请求阶段和数据传输阶段资源配比而更适合中高负载场景。

进一步的，TSCLA源于现行蜂窝网的两阶段资源预约型无线接入协议，根据其资源分配方式可进一步分为三个子类。为描述方便，本发明将这三个子类按序编号为TSCLA1，TSCLA2，TSCLA3并将其工作原理概述如下：

(1)TSCLA1为每一个调度请求申请绑定一个固定的数据传输资源，而TSCLA2与TSCLA3无需这样的一一对应关系。

(2)TSCLA2为每一个活跃的调度请求申请随机分配有限的数据传输资源，这需要基站反馈调度请求申请空闲或活跃的信息，即调度请求申请的两状态反馈。

(3)TSCLA3为每一个成功的调度请求申请随机分配有限的数据传输资源，这需要基站反馈调度请求申请空闲、成功或冲突的信息，即需在活跃调度请求申请的基础上进行冲突检测以反馈调度请求申请的三状态信息。

对三种两阶段无连接接入子类的研究现状，分别如下：

TSCLA1工作原理简单，其工作原理和性能分析已经较为成熟。

TSCLA2最优资源分配策略可参考现行蜂窝网两阶段资源预约型无线接入协议的相关研究。现有研究推导了当用户数、调度请求资源和数据传输资源给定时，成功完成调度请求申请和数据传输两个阶段的用户数的概率密度函数；也有完整的推导了当用户数和总资源数给定时，TSCLA2的性能极限与达到该极限时调度请求阶段与数据传输阶段的最优资源分配策略。

针对TSCLA3，仅有少量研究给出了调度请求阶段与数据传输阶段最优资源分配的穷举法数值解。现有研究尚未对TSCLA3的工作特点、性能极限以及调度请求阶段与数据传输阶段最优资源分配的解析解等方向进行全面的刻画。因此在对TSCLA3的方法优化上，现有技术仍处于欠缺状态。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，主要应用于TSCLA3协议场景，为mMTC相关的无线接入协议的最优资源分配提供一种参考，实现利用较少的性能损失达到无需用户数估计的最优资源分配的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，其关键在于包括以下步骤：

S1：基于冲突检测功能确定当前接入周期发送成功的调度请求前导数n_s,SR(i)和分配给数据传输的时频资源块数目R_data(i)；

S2：获取当前接入周期和上一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目R_SR(i)和R_SR(i-1)；

S3：按照

确定下一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目，其中：

Δ(i)＝n_s,SR(i)-R_data(i)，表示当前接入周期发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的时频资源块数目的差值；

Δ(i-1)表示上一接入周期发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的时频资源块数目的差值；

i表示接入周期的序列号，R_SR(0)，R_SR(1)以及Δ(0)通过参数初始化步骤确定。

可选地，R_SR(0)和R_SR(1)采用直接赋值法进行参数初始化，随机选择区间[1,R-1]内任意两个不同值，其中R为系统时频资源块的总数。

可选地，R_SR(0)和R_SR(1)采用间接赋值法进行参数初始化；

设

其中

和

分别表示第0个和第1个接入周期内的估计用户数，通过求解隐式方程：

确定分配给调度请求的时频资源块的最大数目

和

n作为估计用户数的变量，

表示估计用户数为n时分配给调度请求的时频资源块的最大数目，k为每个时频资源块提供的前导码数量，R为系统时频资源块的总数，

为最大用户数量，W_x(·)表示第x∈{0,1}类Lambert W函数，Δ₀为一个微小的摄动量，避免了因为

而导致无法初始化算法。

可选地，系统分配给调度请求的时频资源块中，每个时频资源块提供k个前导码，且每个前导码可供一个终端设备进行一次调度申请。

可选地，系统分配给数据传输的时频资源块中，每个时频资源块可供一个终端设备进行一次数据传输。

本发明的显著效果是：在一定程度上折衷了TSCLA3因检测发送成功或冲突的调度请求前导码而需要的复杂度，即充分发掘了TSCLA3协议检测发送成功或冲突的调度请求前导码的能力，利用较少的性能损失，实现了无需用户数估计的最优资源分配。且经过数值仿真，得出本发明方法与已知每个接入周期内用户数的理想方法的性能差异可控制在4％以内，为mMTC相关的无线接入协议的最优资源分配提供了一种可用的方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明方法流程图；

图2为

与n的关系(R＝300)；

图3为n_max、n_s,max与R_SR的关系(R＝300)；

图4为本发明方法与理想方法n_si的对比。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明方法流程如图1所示，其具体步骤如下：

S1：基于冲突检测功能确定当前接入周期发送成功的调度请求前导数n_s,SR(i)和分配给数据传输的时频资源块数目R_data(i)；

S2：获取当前接入周期和上一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目R_SR(i)和R_SR(i-1)；

S3：按照

确定下一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目，其中：

Δ(i)＝n_s,SR(i)-R_data(i)，表示当前接入周期发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的时频资源块数目的差值；

Δ(i-1)表示上一接入周期发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的时频资源块数目的差值；

i表示接入周期的序列号，R_SR(0)，R_SR(1)以及Δ(0)通过参数初始化步骤确定。

其中，R_SR(0)和R_SR(1)可以采用直接赋值法进行参数初始化，随机选择区间[1,R-1]内任意两个不同值，其中R为系统时频资源块的总数。

作为优选，R_SR(0)和R_SR(1)也可以采用间接赋值法进行参数初始化，其具体步骤为：设

其中

和

分别表示第0个和第1个接入周期内的估计用户数，通过求解隐式方程：

确定分配给调度请求的时频资源块的最大数目

和

n作为估计用户数的变量，

表示估计用户数为n时分配给调度请求的时频资源块的最大数目，k为每个时频资源块提供的前导码数量，R为系统时频资源块的总数，

为最大用户数量，W_x(·)表示第x∈{0,1}类Lambert W函数，Δ₀为一个微小的摄动量，避免了因为

而导致无法初始化算法。

系统将时频资源块分别分配给调度请求和数据传输。分配给调度请求的时频资源块中，每个时频资源块提供k个前导码，且每个前导码可供一个终端设备进行一次调度申请；分配给数据传输的时频资源块中，每个时频资源块可供一个终端设备进行一次数据传输。

为了进一步证明本发明方法的优越性，本次实施例通过建立系统模型，对发明效果进行进一步的验证，具体的建模假设可概述为：

1)基站具有理想的冲突检测功能；

2)当前活跃的用户数为n；

3)系统最小资源分配单元为时频资源块(RB)，其总数为R；

4)分配给调度请求申请的RB数目为R_SR且每个RB可提供k个前导码，因此可用的前导码数目为m＝kR_SR且每个前导码可供一个MTD进行一次调度请求申请；

5)分配给数据传输的RB数目为R_data＝R-R_SR且每个RB可供一个MTD完成一次数据传输；每个RB支持不同数量前导码和不同数量MTD进行数据传输的情况可通过线性变换等效为上述情况；

6)实际场景中上述变量均为整数，但因为整参的实数近似与真实值的最大差值小于1，所以为求解方便，在本发明实施例中上述整数变量近似为实数变量。

首先对三种TSCLA子类协议的性能对比进行理论推导，并依此给出TSCLA3的优势。

TSCLA1为每一个调度请求申请绑定一个固定的时频资源块，这意味着

那么采用TSCLA1时，成功完成数据传输的用户数n_s等于调度请求前导码发送成功的用户数，即：

n_s＝ne^-n/m＝ne^-n(k+1)/Rk (2)

当采用TSCLA2时，基站检测活跃的调度请求前导码并为其分配数据传输资源，其中活跃的调度请求前导码包含发送成功和冲突的调度请求前导码。因基站会为冲突的调度请求前导码分配相同的时频资源块使得其无法完成数据解调，此时只有发送成功的调度请求前导码才能完成数据传输。进一步地，当活跃的前导码数超过分配给数据传输的RB数目R_data时，因基站为活跃的调度请求前导码随机分配数据传输资源块，此时只有一部分发送成功的调度请求前导码才能完成数据传输，其比例等于发送成功的调度请求前导数与活跃的调度请求前导码数之比。因此当采用TSCLA2时，成功完成数据传输的用户数可表示为：

当采用TSCLA3时，基站检测发送成功的调度请求前导码(也即可检测冲突的调度请求前导码)并为其分配时频资源块。此时只要发送成功的调度请求前导码数据不超过分配给数据传输的RB数目R_data，发送成功的调度请求前导码都可有效的完成数据传输，因此当采用TSCLA3时，成功完成数据传输的用户数可表示为：

n_smin{ne^-n/m,R-R_SR} (4)

对比式(2)-(4)可知，当n,R,k固定时：

1)TSCLA1可视为一种静态的资源分配策略并且具有固定的n_s；其本质上与OSCLA工作原理相同，当且仅当n＝m＝kR/(k+1)，n_s可取最大值ne^-1；

2)TSCLA2和TSCLA3的n_s均与R_SR相关且存在一个最优的R_SR使n_s最大；

3)R_SR在较大范围内变化时，TSCLA2和TSCLA3的n_s均大于TSCLA1的n_s；

4)因为

是归一化负载n/m的单调递减函数且小于1，那么TSCLA2的n_s一定小于TSCLA3的n_s并且n/m越大，两者差距越大。

这意味着尽管TSCLA3具有更高的复杂度，但其特别适合应对mMTC的海量连接需求。

接着研究TSCLA3的性能极限，即求给定R和R_SR时，n的最大值。

定理1：

当给定R和R_SR时，TSCLA3支持的n的最大值n_max可表示为：

与之对应的n_s的最大值n_s,max可表示为：

其中，

其意义将在引理1进一步解释。

引理1：由已知研究可得，当发送成功的SR前导数等于分配给数据传输的RB数目R_data时，TSCLA3的n与n_s可取得最大值。将其应用于式(3)，上述条件等效为

将式(7)两边同时除以-1/kR_SR可得

由朗伯W函数的定义可知，式(8)关于n的解可表示为：

n_max＝-kR_SRW_x(-(R-R_SR)/kR_SR) (9)

其中W_x(·)表示第x∈{0，1}类Lambert W函数。因为n_max＞0，所以y＝-(R-R_SR)/kR_SR应属于区间[-e^-1,0]。由R_SR≤R可知y必定小于等于0，即上述区间右边一定成立；由-e^-1≤y可知，

R-R_SR≤kR_SRe^-1或

此时可用的数据传输资源数将n_s,max限定为R_data＝R-R_SR。由Lambert W函数定义可知：在区间[-e^-1,0]内，-W_-1(y)≥-W₀(y)；为了更低SR前导码冲突概率，本文令x＝0，即取Lambert W函数的上分支(upper branch)。式(5)与(6)上半部分得证。

当

或R-R_SR＞kR_SRe^-1时，Lambert W函数无实数解。尽管如此，上述条件却意味着有充足的数据传输资源(其数目为R-R_SR)够发送成功的SR前导码(其数目为kR_SRe^-1)进行数据传输。此时当且仅当n＝m时，可得n_max＝kR_SR与n_s,max＝kR_SRe^-1。式(5)与(6)下半部分得证。

定理2：

当仅给定R时，TSCLA3支持的n与n_s的最大值可表示为：

此时最优的R_SR取值为

定理2的证明可由(5)和(6)是关于R_SR的凸函数直接得出。值得注意的是：1)

与

给出了TSCLA3的性能极限，其中

可用于合理设置ACB策略接入概率；2)

给出了对应的最优资源分配策略。

然后研究TSCLA3的最优资源分配，即给定R和n时，R_SR的最优值。

定理3：

当给定R和n时，以最大化n_s为目标时，TSCLA3分配给调度请求申请的RB数目的最优值

由以下函数决定

且

此时n_s的最大值

因为R总是固定的，所以为简单起见式(12)和(13)中关于

的符号表示没有体现R。

定理3的证明如下：

是式(7)关于R_SR的解，其解由式(8)给出。此时n作为自变量，其取值范围为0,∞，x＝0或1的两个解均为

的可行解。当

时，

与n,R的关系由Lambert W函数的上分支决定；当

时，

与n,R的关系则由Lambert W函数的下分支(lower branch)决定。式(12)得证。

由W₀(·)与W_-1(·)函数在e^-1,0]范围内的性质可知：当

时，

是关于n的单调递减函数；当

时，

是关于n的单调递增函数；因此

在

取得最小值

即

当

时，n_s的最大值由式(6)给出，即

式(13)得证。

现有技术缺陷分析：

当运用式(13)进行最优资源分配时，与大多数最优资源分配方法类似，必须辅之以精确的用户数n估计方法，否则难以避免的用户数估计误差

偏离最优值

其中

为n估计值。用户数估计误差

带来的偏差可以由

关于n的导数给出，可表示为

其中，x＝0，当

时；x＝1，当

时；

z＝-(R-R_SR)/kR_SR；而Δn给

带来的偏差

则进一步由式(13)和(14)联合给出。如图2所示，当

越大时，相同的|Δn|将造成最优值

更大的偏离，即|ΔR_SR|、|Δn_S|更大。

为避免上述问题，本发明充分发掘TSCLA3协议检测发送成功或冲突的调度请求前导码的能力，所提方法将发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的RB数目的差值Δ(i)＝n_s,SR(i)-R_data(i)作为反馈以迭代方式逐步逼近

其工作原理为：

其中，i表示第i个接入周期；n_s,SR(i),R_SR(i)与R_data(i)分别表示第i个接入周期发送成功的调度请求前导数、分配给调度请求申请和数据传输的RB数目。为初始化方法，R_SR(0)和R_SR(1)可取为[1,R-1]内任意的不同值；为提高方法收敛速度，可令

其中

表示第i个接入周期内的估计用户数，Δ₀为一个微小的摄动量以避免

而无法初始化方法。

当运用本发明方法进行最优资源分配时，因其无需用户数估计，因此可在一定程度上折衷TSCLA3因检测发送成功或冲突的调度请求前导码而需要的复杂度，即充分发掘TSCLA3协议检测发送成功或冲突的调度请求前导码的能力。

本实施例通过数值分析验证了上述理论分析的正确性。为对比方便，本实施例设定R＝300和k＝4，此时

图3的一高一低两根实线分别描述了n_max、n_s,max与R_SR∈[1,299]的关系，由图可知：

1)n_max与n_s,max是关于R_SR的凸函数；

2)n_s,max是关于n_s,max的线性分段函数；

3)当

n_max与R_SR呈线性关系；当

n_max与R_SR的关系由W₀·函数决定；

4)n_max与n_s,max的最大值都在

时取得，分别为

与

图3的三条虚线分别描述了

时n_s与R_SR的关系，由图可知：

1)三种情况下的n_s均小于等于n_s,max；

2)三种情况下的n_s均为R_SR的凸函数，分别在

取得最大值；

3)当

n_s受限于R_data；

n_s受限于R_SR。

据此可得，上述结果验证了定理1至定理3的正确性。

图2描述了

与n∈[10,1000]的关系。由图2可知：

1)

是关于n的凹函数，其最小值为

并在

时取得；该结果与现有研究的结果相符；

2)当

时，

与n的关系由W₀(·)函数描述；当

时，

与n的关系由W_-1(·)函数描述；

3)

等于

并且在

时取得最大值。

为验证本发明所提方法的有效性，图4对比了所提方法与已知每个接入周期内用户数n的理想方法的n_si的差别。图4所采用的业务到达过程为接入强度

的分段泊松过程；为图示方便，每个段内仅取了40个接入周期。由图4可知：

1)除在每个段的开始几个接入周期存在较大的波动外，本发明方法将快速收敛到与理想方法一致的结果；

2)本发明方法性能较理想方法较差，但其差别也在可接受的范围内。

为进一步衡量所提方法与理想方法的性能差异，本实施例将不同λ时本发明方法与理想方法n_si的平均比值(i∈[1,1000]内的平均)列在表1。

表1不同λ时方法(14)与理想方法n_s(i)的比值

由表1可知：

1)当λ在较大范围内变化时，本发明方法较理想方法的性能损失在4％以内；

2)

越小，所提方法的性能损失越小。

上述结果验证了本发明方法的有效性，也即可利用较少的性能损失实现无需用户数估计的最优资源分配。

综上所述，本发明以最大化成功完成数据传输用户数，避免因用户数估计误差造成最优资源分配策略的性能损失为目标，提出了一种带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，在一定程度上折衷了需要反馈调度请求三状态信息的两阶段无连接接入协议的复杂度，利用较少的性能损失，实现了无需用户数估计的最优资源分配。本发明方法经过数值仿真，与已知每个接入周期内用户数的理想方法的性能差异小于4％，为mMTC相关的无线接入协议的最优资源分配提供了一种切实可行的参考方案。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：基于冲突检测功能确定当前接入周期发送成功的调度请求前导数n_s,_SR(i)和分配给数据传输的时频资源块数目R_data(i)；

S2：获取当前接入周期和上一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目R_SR(i)和R_SR(i1)；

S3：按照

确定下一接入周期分配给调度请求的时频资源块数目，其中：

Δ(i)＝n_s,SR(i)-R_data(i)，表示当前接入周期发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的时频资源块数目的差值；

Δ(i-1)表示上一接入周期发送成功的调度请求前导数与分配给数据传输的时频资源块数目的差值；

i表示接入周期的序列号，R_SR(0)，R_SR(1)以及Δ(0)通过参数初始化步骤确定。

2.根据权利要求1所述的带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，其特征在于：R_SR(0)和R_SR(1)采用直接赋值法进行参数初始化，随机选择区间[1,R-1]内任意两个不同值，其中R为系统时频资源块的总数。

3.根据权利要求1所述的带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，其特征在于：R_SR(0)和R_SR(1)采用间接赋值法进行参数初始化；

设

其中

和

分别表示第0个和第1个接入周期内的估计用户数，通过求解隐式方程：

确定分配给调度请求的时频资源块的最大数目

和

n作为估计用户数的变量，

表示估计用户数为n时分配给调度请求的时频资源块的最大数目，k为每个时频资源块提供的前导码数量，R为系统时频资源块的总数，

为最大用户数量，W_x(·)表示第x∈{0,1}类Lambert W函数，Δ₀为一个微小的摄动量。

4.根据权利要求1所述的带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，其特征在于：系统分配给调度请求的时频资源块中，每个时频资源块提供k个前导码，且每个前导码可供一个终端设备进行一次调度申请。

5.根据权利要求1所述的带冲突检测的两阶段无连接协议资源分配方法，其特征在于：系统分配给数据传输的时频资源块中，每个时频资源块可供一个终端设备进行一次数据传输。

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