CN112004212B - 基于滑动窗口的随机接入系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑动窗口的随机接入系统及方法，该系统是由一个等待接入设备队列N和一个退避设备队列B组成的，设备按照到达时隙的先后顺序依次排入到等待接入的设备队列中，通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量，每当一个新的接入时隙到来时，处于窗口内部的设备允许发起随机接入尝试，而窗口外的设备则继续等待，若设备在发送前导码的过程中发生了碰撞，则进入退避状态转移到退避队列中；每个随机接入时隙结束的时候，若此时退避设备队列中有设备已经完成退避，则完成退避的设备插入到等待队列的头部，等待队列上的窗口向后滑动一次，然后进入下一个随机接入时隙。本发明提高了设备的接入成功率，降低了接入时延。

Description

基于滑动窗口的随机接入系统及方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及大规模机器类通信中随机接入过程中的拥塞控制系统及方法。

背景技术

移动互联网对数据业务量的需求日益增加，以及当前物联网时代下人们在工作娱乐等各种场景中的业务需求，使得业界对5G移动通信系统的要求骤然提高。未来的蜂窝系统被称为高效且可扩展地支持由极大量的“物联网”(IoT)设备产生的流量。实际上，被称为大规模机器类型通信(mMTC)的场景已被明确指定为5G移动网络的三个用例之一。mMTC伴随着需要应对许多设备在相对短的时间内被激活的可能性。因此，mMTC 严重挑战初始随机接入过程(RAP)，这是获得用于数据传输的无线电信道所必需的。

当大规模mMTC设备通过共享物理随机接入信道(PRACH)发送随机选择的前导码(“请求”)来表明他们愿意接入无线信道时面临的两个问题：其一是接入拥塞问题，当大量触发型MTCD在随机接入信道(PRACH)采用竞争方式突发上行接入时，引发接入拥塞，造成严重的接入拥塞，降低MTCD成功接入网络的概率；其二是资源利用问题，上行M2M包括随机接入信道的接入过程和上行共享信道(PUSCH)的数据传输过程。如果MTCD采用当前蜂窝网络先通过随机接入建立连接、再传输数据的通信方式，将降低系统的资源利用率，造成MTCD与基站之间严重的信令开销。

为此3GPP在TR37.868协议中给出了6中解决方案建议，分别是：

1)接入类别限制机制(ACB机制)/扩展接入类别限制(EAB机制)

将MTCD按照优先等级分类，基站设置一个接入参数并广播给所有的MTCD，这个接入参数允许一些类的MTCD接入而限制其它类的MTCD接入，能够有效缓解接入拥塞问题，减少接入碰撞。

2)随机接入信道MTC资源的分配(Separate RACH resources for MTC)

给H2H和M2M分配接入随机接入信道资源。

3)动态分配随机接入信道资源(Dynamic allocation of RACH resources)

基站根据系统的实时信息动态的给MTCD分配随机接入资源，系统的实时信息可以是碰撞概率或当前系统中的MTCD数目。

4)MTC特定退避机制(MTC Specific Backoff scheme)

通过増加MTCD退避窗口的大小，将请求接入的MTCD平均到更大的时隙窗口内，减小同一时刻发起接入的MTCD数目，从而减小接入负载来减小碰撞概率，提高MTCD 成功接入概率。

5)时隙接入(Slotted access)

将时频资源分成一个个时隙，MTCD只有在接入时隙中才能发起接入请求。如果接入失败，则要等到下一个接入时隙才能再次发起接入。

6)上拉机制(Pull based scheme)

数据的传输由基站控制，只有当基站需要机器设备发送数据时，基站才会发信息通知机器设备。而且只有基站要求发送数据的机器设备才能接入信道进行数据传输，这可能造成有的机器设备长时间不能接入产生较大时延，而有的设备被要求发送数据却没有数据发送造成资源浪费。

发明内容

针对大规模机器类通信场景下随机接入过程中的拥塞控制的问题，本发明的目的是提供一种基于滑动窗口的随机接入系统及方法，通过限制每个接入时隙中同时发起随机接入尝试的设备数量，从而缓解接入碰撞问题，进而提高了设备的接入成功率，降低接入时延。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于滑动窗口的随机接入系统，该系统是由一个等待接入设备队列N和一个退避设备队列B组成的，设备按照到达时隙的先后顺序依次排入到等待接入的设备队列中，通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量，每当一个新的接入时隙到来时，处于窗口内部的设备允许发起随机接入尝试，而窗口外的设备则继续等待，若设备在发送前导码的过程中发生了碰撞，则进入退避状态转移到退避队列中；每个随机接入时隙结束的时候，若此时退避设备队列中有设备已经完成退避，则完成退避的设备插入到等待队列的头部，等待队列上的窗口向后滑动一次，然后进入下一个随机接入时隙。

一种随机接入过程中的拥塞控制方法，步骤为：通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量，每当一个新的接入时隙到来时，处于窗口内部的设备允许发起随机接入尝试，而窗口外的设备则继续等待，若设备在发送前导码的过程中发生了碰撞，则进入退避状态转移到退避队列中；每个随机接入时隙结束的时候，若此时退避设备队列中有设备已经完成退避，则完成退避的设备插入到等待队列的头部，等待队列上的窗口向后滑动一次，然后进入下一个随机接入时隙。

所述窗口长度W_RA通过以下方法确定：

设当前接入时隙发起随机接入尝试的设备数量为N_i＝n，可用前导码数量为R，D_k＝0， 1，2…表示第k个前导码被0个设备、1个设备、多个设备选中，则第k个前导码仅被 N_i＝n个设备中的某一个设备选择的概率为P(D_k＝1|N_i＝n)，其计算公式为：

设S_i为第i时隙中设备数量为N_i＝n时成功发送前导码的设备数量，E[S_i|N_i＝n]为第i时隙中设备数量为N_i＝n时成功发送前导码的期望值，则有

每一个时隙中可用的上行链路授权总数为N_UL＝N_RAR×W_RAR＝15，这也就意味着每个时隙中允许接入的设备数量最多为N_UL个，若当前时隙中成功发送前导码的设备数量超过了N_UL，则超过N_UL的那些设备也将进入退避状态，等待发起新的随机接入尝试；

当前时隙中设备数量N_i＝23时，成功发送前导码的设备数量为15.25个，接近N_UL，若活跃设备数量少于23个，则成功发送前导码的设备数量不足15个，将无法充分利用上行链路授权；若活跃设备数量多于15个，虽然能够充分利用全部上行链路授权，但是势必有些成功发送前导码的设备也需要退避，将无法成功接入网络，这将会增加设备前导码发送次数；因此，将窗口长度W_RAR设置为23。

所述通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量的具体步骤为：

每连续两个随机接入时隙之间的间隔T_{RA_REP}为5个子帧，随机接入时隙占用一个子帧，用于传输前导码，基站接收到前导码之后需要T_RAR的时间检测接收到的前导码，并在随机接入响应窗口W_RAR个时隙中给设备发送随机接入响应信息，同时设备等待基站发送RAR，若设备在响应窗口内没有接收到RAR，则此次随机接入尝试失败，设备随机选择退避时长，进入退避状态，等待退避结束才能再次发起新一次的随机接入尝试；

设第i个随机接入时隙中活跃的设备数量为N_i，新到的设备数量为N_i,New，前面时隙发生碰撞退避到当前时隙重传的设备数量为N_i,RT，前面时隙积压的设备数量为N_i,BL，当 0≤i≤T_P/T_{RA_REP}时，每个随机接入时隙周期内有新设备到达，当T_P/T_{RA_REP}<i≤T_S/T_{RA_REP}时，没有新的设备到达，则有(3)

若当前接入时隙发起随机接入的设备数量为N_i,RAAttempt，成功的设备数量为N_i,S，发生碰撞的设备数量为N_i,F；若此时等待队列中的活跃设备数量N_i≤W_RA，则N_i,RAAttempt＝N_i；反之，N_i,RAAttempt＝W_RA；显然每个接入时隙中发起随机接入的设备要么成功，要么发生碰撞接入失败，即N_i,RAAttempt＝N_i,S+N_i,F。

有益效果：本发明与现有技术相比有如下优点

1、本发明在LTE-A系统的随机接入过程的基础上提出的一种拥塞控制方案，主要通过滑动窗口的大小控制同时发起随机接入尝试的设备数量，而窗口长度不需要根据网络负载情况频繁的调整；静态ACB虽然不需要调整接入参数P_ACB，但是接入效率并不理想，特别是在网络负载很大的情况下，仍然会发生比较严重的碰撞，但是本方案中每个接入时隙的设备数量总是固定的23个，时钟保持在最佳状态；动态ACB相比于静态 ACB在接入效率方面虽然有很大的提升，但是需要频繁的估计每个接入时隙的活跃设备数量，再根据估计值调整接入参数P_ACB,但是本方案就不需要频繁进行参数调整，这就大大降低了系统实现的复杂度，这是本方案的优势所在。

2、本方案与ACB策略的另一个不同之处就是没有接入限制时间T_ACB，在ACB策略中，发起随机接入尝试的设备首先需要经过ACB检测，通过ACB检测的设备允许发起随机接入尝试；反之则要受到接入限制，即在T_ACB时长内禁止发起随机接入尝试，而 T_ACB相对于一个接入时隙来说很长，这就延长了系统总的服务时间(从第一个设备发起随机接入尝试到所有设备完成接入的总时间)。而本方案没有ACB策略的接入限制过程，所以缩短了系统总服务时间，进一步提升了系统效率。

附图说明

图1为基于滑动窗口的随机接入过程系统模型图；

图2为成功发送前导码设备数量S_i随总设备N_i变化关系图(R＝54)；

图3为随机接入过程时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本方案的关键在于限制同时发起随机接入尝试的设备数量，具体来说，整个随机接入过程主要由四次握手组成，分别是：

(1)、Msg1：设备在所有可用的前导码中随机选择一个，并将其发送给基站。

(2)、Msg2：基站接收到设备发送来的前导码之后，对接收到的前导码进行解码，得到前导码ID号，然后想设备发送随机接入响应信息(RAR)。若该前导码仅被一个设备选择，则该设备将能够成功接收到随机接入响应信息；但是如果该前导码被多个设备选择，将会发生碰撞，发生碰撞的所有设备都将无法成功接收随机接入响应信息，此次随机接入过程失败。当系统中活跃设备数量庞大且可用前导码数量有限的情况下，如果不限制同时发起随机接入尝试的设备数量，必将造成严重的碰撞，陷入网络拥塞，系统效率大大降低。

(3)、Msg3：设备成功接收到基站发来的RAR之后，在基站为其分配的PUSCH资源上传输连接请求。

(4)、Msg4：基站向设备发送Msg4以回应设备发送来的Msg3。

本发明提出的基于滑动窗口的随机接入过程系统模型如图1所示。它是有一个等待接入设备队列N和一个退避设备队列B组成的，设备按照到达时隙的先后顺序依次排入到等待接入的设备队列中，通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量，每当一个新的接入时隙到来时，处于窗口内部的设备允许发起随机接入尝试，而窗口外的设备则继续等待，若设备在发送前导码的过程中发生了碰撞，则进入退避状态转移到退避队列中。每个随机接入时隙结束的时候，若此时退避设备队列中有设备已经完成退避，则完成退避的设备插入到等待队列的头部，等待队列上的窗口向后滑动一次，然后进入下一个随机接入时隙。

下面介绍窗口长度W_RA的确定。

设当前接入时隙发起随机接入尝试的设备数量为N_i＝n，可用前导码数量为R，D_k＝0， 1，2…表示第k个前导码被0个设备、1个设备、多个设备选中，则第k个前导码仅被 N_i＝n个设备中的某一个设备选择的概率为P(D_k＝1|N_i＝n)，其计算公式为：

进一步假设S_i为第i时隙中设备数量为N_i＝n时成功发送前导码的设备数量， E[S_i|N_i＝n]为第i时隙中设备数量为N_i＝n时成功发送前导码的期望值，则有

根据LTE-A随机接入过程中的Msg2中的信息N_RAR和W_RAR可以得到每一个时隙中可用的上行链路授权总数为N_UL＝N_RAR×W_RAR＝15，这也就意味着每个时隙中允许接入的设备数量最多为N_UL个，若当前时隙中成功发送前导码的设备数量超过了N_UL，则超过 N_UL的那些设备也将进入退避状态，等待发起新的随机接入尝试。由公式(2)可知，当可用前导码数量R＝54时，得到成功发送前导码设备数量S_i和当前时隙中设备活跃数量 N_i的图形如图2所示。

从图中标识点的坐标(23,15.25)可以知道，当前时隙中设备数量N_i＝23时，成功发送前导码的设备数量为15.25个，接近N_UL，若活跃设备数量少于23个，则成功发送前导码的设备数量不足15个，将无法充分利用上行链路授权；若活跃设备数量多于15个，虽然能够充分利用全部上行链路授权，但是势必有些成功发送前导码的设备也需要退避，将无法成功接入网络，这将会增加设备前导码发送次数。综上所述，如果能将每个接入时隙周期内活跃设备数量限制在23个，那么不仅可以缓解拥塞，还能充分利用资源，提升资源利用率。所以根据前面的分析，将窗口长度W_RAR设置为23最为合适，不仅能够有效地缓解碰撞概率，还能够提升资源利用效率。

设备按照到达时隙的先后顺序依次排入到等待接入的设备队列中，通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量，每当一个新的接入时隙到来时，处于窗口内部的设备允许发起随机接入尝试，而窗口外的设备则继续等待，若设备在发送前导码的过程中发生了碰撞，则进入退避状态转移到退避队列中。每个随机接入时隙结束的时候，若此时退避设备队列中有设备已经完成退避，则完成退避的设备插入到等待队列的头部，等待队列上的窗口向后滑动一次，然后进入下一个随机接入时隙。从随机接入过程时序图 3中可以看出，每连续两个随机接入时隙之间的间隔T_{RA_REP}为5个子帧，随机接入时隙占用一个子帧，用于传输前导码，基站接收到前导码之后需要T_RAR的时间检测接收到的前导码，并在随机接入响应窗口W_RAR个时隙中给设备发送随机接入响应信息，同时设备等待基站发送RAR，若设备在响应窗口内没有接收到RAR，则此次随机接入尝试失败，设备随机选择退避时长，进入退避状态，等待退避结束才能再次发起新一次的随机接入尝试。假设第i个随机接入时隙中活跃的设备数量为N_i，新到的设备数量为N_i,New，前面时隙发生碰撞退避到当前时隙重传的设备数量为N_i,RT，前面时隙积压的设备数量为N_i,BL，当0≤i≤T_P/T_{RA_REP}时，每个随机接入时隙周期内有新设备到达，当T_P/T_{RA_REP}<i≤ T_S/T_{RA_REP}时，没有新的设备到达，则有(3)

若当前接入时隙发起随机接入的设备数量为N_i,RAAttempt，成功的设备数量为N_i,S，发生碰撞的设备数量为N_i,F。若此时等待队列中的活跃设备数量N_i≤W_RA，则N_i,RAAttempt＝N_i；反之，N_i,RAAttempt＝W_RA。显然每个接入时隙中发起随机接入的设备要么成功，要么发生碰撞接入失败，即N_i,RAAttempt＝N_i,S+N_i,F。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于滑动窗口的随机接入系统，其特征在于：该系统是由一个等待接入设备队列N和一个退避设备队列B组成的，设备按照到达时隙的先后顺序依次排入到等待接入的设备队列中，通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量，每当一个新的接入时隙到来时，处于窗口内部的设备允许发起随机接入尝试，而窗口外的设备则继续等待，若设备在发送前导码的过程中发生了碰撞，则进入退避状态转移到退避队列中；每个随机接入时隙结束的时候，若此时退避设备队列中有设备已经完成退避，则完成退避的设备插入到等待队列的头部，等待队列上的窗口向后滑动一次，然后进入下一个随机接入时隙；

所述通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量的具体步骤为：

每连续两个随机接入时隙之间的间隔T_{RA_REP}为5个子帧，随机接入时隙占用一个子帧，用于传输前导码，基站接收到前导码之后需要T_RAR的时间检测接收到的前导码，并在随机接入响应窗口W_RAR个时隙中给设备发送随机接入响应信息，同时设备等待基站发送RAR，若设备在响应窗口内没有接收到RAR，则此次随机接入尝试失败，设备随机选择退避时长，进入退避状态，等待退避结束才能再次发起新一次的随机接入尝试；

设第i个随机接入时隙中活跃的设备数量为N_i，新到的设备数量为N_i,New，前面时隙发生碰撞退避到当前时隙重传的设备数量为N_i,RT，前面时隙积压的设备数量为N_i,BL，当0≤i≤T_P/T_{RA_REP}时，每个随机接入时隙周期内有新设备到达，当T_P/T_{RA_REP}<i≤T_S/T_{RA_REP}时，没有新的设备到达，则有：

若当前接入时隙发起随机接入的设备数量为N_i,RAAttempt，成功的设备数量为N_i,S，发生碰撞的设备数量为N_i,F；若此时等待队列中的活跃设备数量N_i≤W_RA，则N_i,RAAttempt＝N_i；反之，N_i,RAAttempt＝W_RA；显然每个接入时隙中发起随机接入的设备要么成功，要么发生碰撞接入失败，即N_i,RAAttempt＝N_i,S+N_i,F。

2.一种基于权利要求1所述系统的随机接入过程中的拥塞控制方法，其特征在于：步骤为：通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量，每当一个新的接入时隙到来时，处于窗口内部的设备允许发起随机接入尝试，而窗口外的设备则继续等待，若设备在发送前导码的过程中发生了碰撞，则进入退避状态转移到退避队列中；每个随机接入时隙结束的时候，若此时退避设备队列中有设备已经完成退避，则完成退避的设备插入到等待队列的头部，等待队列上的窗口向后滑动一次，然后进入下一个随机接入时隙；

所述通过窗口长度W_RA控制同时发起接入的设备数量的具体步骤为：

每连续两个随机接入时隙之间的间隔T_{RA_REP}为5个子帧，随机接入时隙占用一个子帧，用于传输前导码，基站接收到前导码之后需要T_RAR的时间检测接收到的前导码，并在随机接入响应窗口W_RAR个时隙中给设备发送随机接入响应信息，同时设备等待基站发送RAR，若设备在响应窗口内没有接收到RAR，则此次随机接入尝试失败，设备随机选择退避时长，进入退避状态，等待退避结束才能再次发起新一次的随机接入尝试；

设第i个随机接入时隙中活跃的设备数量为N_i，新到的设备数量为N_i,New，前面时隙发生碰撞退避到当前时隙重传的设备数量为N_i,RT，前面时隙积压的设备数量为N_i,BL，当0≤i≤T_P/T_{RA_REP}时，每个随机接入时隙周期内有新设备到达，当T_P/T_{RA_REP}<i≤T_S/T_{RA_REP}时，没有新的设备到达，则有：

若当前接入时隙发起随机接入的设备数量为N_i,RAAttempt，成功的设备数量为N_i,S，发生碰撞的设备数量为N_i,F；若此时等待队列中的活跃设备数量N_i≤W_RA，则N_i,RAAttempt＝N_i；反之，N_i,RAAttempt＝W_RA；显然每个接入时隙中发起随机接入的设备要么成功，要么发生碰撞接入失败，即N_i,RAAttempt＝N_i,S+N_i,F。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述窗口长度W_RA通过以下方法确定：

设当前接入时隙发起随机接入尝试的设备数量为N_i＝n，可用前导码数量为R，D_k＝0，1，2…表示第k个前导码被0个设备、1个设备、多个设备选中，则第k个前导码仅被N_i＝n个设备中的某一个设备选择的概率为P(D_k＝1|N_i＝n)，其计算公式为：

设S_i为第i时隙中设备数量为N_i＝n时成功发送前导码的设备数量，E[S_i|N_i＝n]为第i时隙中设备数量为N_i＝n时成功发送前导码的期望值，则有

每一个时隙中可用的上行链路授权总数为N_UL＝N_RAR×W_RAR＝15，这也就意味着每个时隙中允许接入的设备数量最多为N_UL个，若当前时隙中成功发送前导码的设备数量超过了N_UL，则超过N_UL的那些设备也将进入退避状态，等待发起新的随机接入尝试；

当前时隙中设备数量N_i＝23时，成功发送前导码的设备数量为15.25个，接近N_UL，若活跃设备数量少于23个，则成功发送前导码的设备数量不足15个，将无法充分利用上行链路授权；若活跃设备数量多于15个，虽然能够充分利用全部上行链路授权，但是势必有些成功发送前导码的设备也需要退避，将无法成功接入网络，这将会增加设备前导码发送次数；因此，将窗口长度W_RA设置为23。

Images