一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法与流程

文档序号:14943159发布日期:2018-07-13 21:36

本发明属于无线通信技术领域,涉及一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法。



背景技术:

随着物联网(IoT)的发展,机器到机器(M2M,Machine tomachine)通信将会成为蜂窝网络中主要的通信模式之一。机器与机器通信的快速发展给人们的生活带来了极大的方便,已经渗透了生活中的很多领域,其主要应用包括智能抄表、物品追踪/管理、监控、移动支付等。因此,在未来的移动蜂窝网络下,大量的机器类通信设备(MTCD,Machine-type communication device)将被部署。与传统的人类通信(HTC,Human-type communication)相比,机器类通信最显著的特点是具有海量连接需求。据预测表明,在2020年蜂窝网络为MTCD提供服务的数量将是手机用户的10到100倍,甚至更多。由于传统的蜂窝网络是为HTC设计的,将大量的MTCD部署在蜂窝网络中必然会引起网络拥塞等问题,从而影响网络的接入性能。因此,在蜂窝网络中,如何大幅提升系统对MTC的接入能力成为迫切需要解决的问题。

对于机器类通信业务,数据负载只有少量的几个字节,远小于HTC业务。但其设备数量却远大于HTC中用户的数量,具有时延容忍和低移动性的特点。MTCD可以通过随机接入信道与基站建立数据传输连接。在机器类通信中,大量突发的随机接入请求可能会同时发送到同一个基站,造成随机接入过载或者无线接入网络拥塞。MTCD的随机接入过载则会降低蜂窝网络的性能。3GPP提出了几种缓解无线接入网络拥塞的解决方案,MTCD分组是其中之一。基于分组的MTC中,MTCD可以基于位置信息和逻辑分组。目前,基于分组MTC的接入网络通常有3个基本的元素:机器类通信设备、机器类通信网关(MTCG,Machine-type communication device gateway)、基站(BS,Base station)。MTCG的类型有很多,小型基站、MTCD本身和传统HTC通信用户的智能手机都可以作为MTCG,它的功能也很多,包括汇聚和转发数据,转发随机接入请求,分配时隙等。

现有的MTC分组接入策略用于控制网络拥塞时主要是根据MTCD的位置信息分组,没有考虑MTC业务多样性,且此类方法是以增加时延为代价来缓解网络拥塞。实际的通信场景中MTC业务类型不尽相同,它们的业务需求也不一样,例如,根据时延需求,MTCD可以被划分成三个等级:低时延、中等时延和高时延,对应的时延范围分别是:小于10ms、10ms-1000ms、大于1000ms。仅仅根据位置分组,不能很好地将不同业务类型的MTCD区分开,因此不便对这些MTCD提供区别的服务以满足其业务需求(如时延需求,即接入时延)。此外,在基于MTCD位置分组的接入策略中,MTCG的选取多以随机的方式或是从能耗的角度考虑,缺乏对机器类通信业务特征的关注,故而在业务需求方面不能很好的保证。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明的目的在于提供一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法,通过MTCG一次性转发多个组内其他设备的数据包,并根据MTCG时延类型设置不同的转发阈值,减少直接和基站连接的MTCD的数量,从而减小大量MTCD接入过程中的碰撞概率、缓解随机接入网的拥塞现象,提高网络接入量,同时保障MTC的时延需求。

为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:

一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法,包括以下步骤:

S1:根据机器类通信设备MTCD的位置信息和时延需求,采用谱聚类算法对MTCD进行分组;

S2:完成MTCD分组后,根据各个MTCD时延需求的相似性和信道增益为每个MTC组选取合适的网关MTCG,其中MTCG的选取分为初始选择和重新选择两步;

S3:MTCG通过汇聚和转发数据来辅助MTCD发送数据,其过程在两条链路上完成,分别是:MTCD-MTCG链路和MTCG-BS链路,而MTCD-MTCG链路通过短距离无线通信技术实现,负责MTCG的数据汇聚过程,MTCG-BS链路使用蜂窝通信技术,负责MTCG数据转发过程。

进一步,所述步骤S1具体为:

S101:计算系统中M个MTCD之间的相似度,即MTCD i与MTCD j之间的距离相似度时延相似度联合相似度sij,i,j=1,2,…,M;

S102:通过sij构造相似度矩阵S,再根据相似度矩阵构造对角矩阵D和规范化拉普拉斯矩阵Lrw,并求得矩阵Lrw的特征值和特征向量;

S103:依据特征值的突变得到MTCD的分组数目Ng;

S104:将分组数Ng和相似度矩阵代S入到k-means聚类算法中得到分组结果。

进一步,所述步骤S2具体为:

S201:查询每个MTC组中是否已经存在MTCG,若没有,则说明此次是MTCG初始选择,则转至S202;若已存在,则说明是MTCG重新选取,查询计时器,如果其值为Tr,转至S203;

S202:根据每个MTC组中设备的数量和MTCG的服务阈值Gth,k∈Ng,将群组k二次划分成R个子组;

S203:对所有的子组,计算各MTCD i与其他MTCD j之间的时延相似性,并将得到的时延相似性值之和除以设备数量,以得到MTCD i在该子组kr中与其他设备的平均时延相似性计算MTCD i的平均信道增益并将其归一化得

S204:根据以上步骤S203计算得到的选出使得相加最大的MTCD,使其成为该子组kr的MTCG,记为其中初次选择时值为1,重新选择时会根据步骤S205更新;

S205:更新表示MTCD i被选作网关的次数;更新此式表明设备充当网关对其能耗的影响,被选作网关的次数越多剩余能量越少;启动定时器或者将其清零。

进一步,所述步骤S3具体为:

S301:有数据包发送的MTCD随机延迟0~(2BE-1)个退避周期后发送CCA(Clear Channel Assessment)消息检测信道是否空闲;

S302:如果信道忙,则后退次数NB加1,此时若NB小于最大退避次数NBmax,则返回3.1);如果信道空闲,则信道访问成功,MTCD向MTCG发送数据包;

S303:如果只有一个MTCD发送数据包,则MTCG成功接收此数据包,并将其汇聚缓存至缓冲区;如果多个MTCD同时发送数据包至MTCG,则此次数据包发送失败;

S304:MTCG向MTCD发送ACK(acknowledgment)消息,通知其数据包是否被成功汇聚;

S305:MTCG检测其缓冲区中数据包数量,若到达设定的转发阈值Qth,MTCG转换为转发模式,MTCG-BS传输阶段的通信被触发,MTCG的时延类型不一样,对应的转发阈值Qth不同,高时延MTCG的Qth是中等时延MTCG的Qth的两倍;

MTCG-BS传输阶段执行基于竞争的随机接入过程,与基站取得连接;基站给随机接入成功的MTCG分配资源块,然后MTCG将缓冲区中汇聚的Qth个数据包上传至基站;在此阶段,MTCG仍然能汇聚缓存数据包。

本发明的有益效果在于:

(1)相对于使用传统的基于竞争的随机接入方法,本发明可减小大量MTCD接入过程中的碰撞概率、缓解随机接入网的拥塞现象,从而提高网络接入量;

(2)相对于其他根据位置分组的接入方法,本发明结合MTCD的位置信息和时延需求分组,有利于将距离相近并且时延需求相同的MTCD分为一个群组,进而可对不同时延需求类型的群组提供有区别的服务;

(3)相对于其他根据位置分组的接入方法,本发明在选取MTCG时,考虑了MTCD的时延相似度,并根据时延类型给MTCG设置不同的转发阈值,使得中等时延MTCG汇聚较少的数据包后及时进行转发,减少该汇聚阶段的时延,以保障这些MTCD的时延需求;而高时延MTCG则汇聚较多数据包再转发,减少发起随机接入的频率,以缓解网络拥塞。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:

图1为本发明的系统框图;

图2为本发明中MTCD数据传输方式;

图3为系统在不同MTCD数量和转发阈值下的平均碰撞概率;

图4为系统在不同转发阈值和数据包产生率下的平均碰撞概率;

图5为系统在不同MTCD数量和转发阈值下基站成功接收的数据包数量;

图6为系统在不同转发阈值和数据包产生率下基站成功接收的数据包数量;

图7为系统在不同MTCD数量和转发阈值下的平均接入时延;

图8为系统在不同转发阈值和数据包产生率下的平均接入时延;

图9为MTCD分组情况;

图10为中等时延类MTCD的平均接入时延。

具体实施方式

下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1是本发明的系统框图,包含三个部分:MTCD分组、MTCG选取和数据传输,以下将分别对其进行详细说明:

1.MTCD分组

MTC具有一些独特的特点,如小数据传输、低移动性以及海量连接特性。为了支持大量MTCD同时入网,分组接入被看作是一种有效的方法。现有的MTCD分组方式很多,但是用于控制网络拥塞的方法中,大多是基于MTCD位置划分群组。本发明中,我们基于MTCD的位置信息和时延需求对其进行群组划分,值得注意的是,该MTCD分组方法中的时延需求换作其他的业务需求时也是适用的。

在进群组划分之前,需要先确定MTCD之间的相似度,它由距离和时延共同决定,表示为:i,j=1,2,…,M(M表示是MTCD的数量),其中的和分别表示两个MTCD之间的距离相似度和时延相似度,θ∈[0,1]为权重因子,用于表明距离和时延相似度在总相似度中所占的比重。和都是用高斯型相似性模型表示,表示为zi和zj是MTCD i和MTCD j之间的二维空间坐标,ti和tj分别表示MTCD i和MTCD j的最大时延容忍值,σz和σt为距离影响因子,分别控制两个MTCD之间的距离和时延差异程度,以调整相似性值。

基于以上相似性模型,相似性矩阵可构建如下:

其中

矩阵(1)中,对角线上元素值为0,表示MTCD与自己的相似度为0。

基于以上相似性矩阵,我们使用谱聚类算法将MTCD分组。谱聚类算法是一种研究图的最优划分的算法,即按照一定的划分准则将图划分为最优的几个子图,从而使子图内部相似度最大,子图间的相似度最小。代入到MTCD分组问题上即是尽可能使得群组内的点具有较高的相似度且组与组之间相似度低。该算法的基本思想是对MTCD构造相似度矩阵,之后转换成拉普拉斯矩阵并求得特征值及特征向量,通过分析特征值的变化来确定分组数,在这基础上按照一定规则重新组合特征向量,再用k-means对重新组合后的特征向量聚类。

根据相似度矩阵S,构建的构对角矩阵D和拉普拉斯矩阵L分别如下:

为了更容易发现特征值之间的变化关系,可以进一步构建规范的拉普拉斯矩阵Lrw=D-1L=I-D-1S,即将矩阵L中的数值归一化。

具体的MTCD分组过程如下:

1.1)计算系统中M个MTCD之间的相似度,即MTCD i与MTCD j之间的距离相似度时延相似度联合相似度sij;

1.2)通过sij构造相似度矩阵S,再根据相似度矩阵构造对角矩阵D和规范化拉普拉斯矩阵Lrw,并求得矩阵Lrw的特征值和特征向量;

1.3)依据特征值的突变得到MTCD的分组数目Ng;

1.4)将分组数Ng和相似度矩阵代S入到k-means聚类算法中得到分组结果。

通过上述步骤,根据MTCD的位置和时延需求,将M个MTCD划分成Ng个不同的群组。每个群组内MTCD之间的相似度最大,组与组之间的相似度最小,由于MTCD之间的相似度受时延需求的影响,所以群组内部MTCD之间的时延类型很相似。

2.MTCG选取

MTCD分组完成后将从这些MTCD中选出一些设备充当MTCG,它主要作用是汇聚再转发数据。在选取MTCG时,从时延需求和信道增益考虑,其次考虑到被选作MTCG的设备消耗的能量比其他设备高,影响组内设备间能耗的公平性和MTC组的生命周期,所以MTCG会在每间隔一段时间Tr后重新选取,从而整个过程就分为MTCG初始选取和MTCG重新选取。

MTCG初始选取:MTCD分组完成后,MTCD被分为Ng个群组,群组k(k=1,2,…,Ng)中MTCD的数量表示为Nkd,Ng和Nkd的值由MTCD分组决定,受相似度影响。某些群组中MTCD的可能数量较多,如果这些设备由一个MTCG服务,全部都将数据发送到这个MTCG,则容易造成此MTCG处拥塞。因此,我们给MTCG设置一个服务阈值Gth,它表示一个MTCG最多可为Gth个MTCD服务,则一个群组中可能不止一个MTCG。当时,群组k中的设备将被分为多个子组,每一个子组中将选出一个MTCG,则该群组中的MTCG可表示为R表示MTCG的数量,也是该群组中子组的数量。

MTCG选取可定义为如下问题:

其中

kr代表群组k中第r个子组。在子组kr中,表示表示该子组中第i个MTCD,表示MTCD数量,表示MTCD i和MTCD j之间的时延相似性。是MTCD i与子组内其他设备之间的平均时延相似性,它可以表明该子组中与MTCD i时延类型相似的设备数量。这里假设信道条件是已知的,hL1∈(0,1)是MTCD i到MTCD j的信道增益,hL2∈(0,1)是MTCD i到MTCD j的信道增益,而是MTCD i到子组内其他设备的平均信道增益与MTCD i到基站的信道增益之和,并将其归一化。表示MTCD i的剩余能量,它主要是反映了MTCD i充当网关的次数,在MTCG初始选取中,令其为1,即在MTCG重新选取时会重新被计算。

MTCG重新选取:当初始MTCG被选取后,MTCD开始借助网关向基站发送数据,具体过程详见3。考虑到MTCG会比MTCD消耗更多的能量,所以会在间隔时间Tr后进行重新选取。当MTCG重新选取时,剩余能量高的MTCD将更容易被选取,剩余能量的表达式为

是MTCD i被选作子组kr的MTCG的次数,具体的MTCG选取过程如下:

2.1)查询每个MTC群组中是否已经存在MTCG,若没有,则说明此次是MTCG初始选择,则转至2.2);若已存在,则说明是MTCG重选,查询计时器,如果其值为Tr,转至2.3);

2.2)根据每个MTC组中设备的数量(k∈Ng)和MTCG的服务阈值Gth,将群组k二次划分成R个子组;

2.3)对所有的子组,计算各MTCD i与其他MTCD j之间的时延相似性,并将得到的时延相似性值之和除以设备数量,以得到MTCD i在该子组kr中与其他设备的平均时延相似性计算MTCD i的平均信道增益并将其归一化得

2.4)根据以上步骤2.3)计算得到的选出使得这三个值相加最大的MTCD,使其成为该子组kr的MTCG,记为

2.5)更新并以此更新并启动定时器或者将其清零。

3.数据发送

当MTCD分组和MTCG初始选取完成后,MTCD开始通过MTCG的辅助向基站发起接入上传数据,该过程分为两步,如图2所示,分别是:MTCD-MTCG传输阶段和MTCG-BS传输阶段,对应于MTCG的汇聚和转发模式。MTCD通过短距离无线通信技术向MTCG发送数据,CSMA/CA机制被用于该阶段以避免发生冲突。MTCG先是工作在汇聚模式,缓存接收到的数据包,待缓冲区中的数据包数量达到转发阈值Qth时转为转发模式,向基站发起接入转发汇聚的数据包。下面以一个MTC子组为例,说明MTCD-MTCG传输阶段的具体过程:

3.1)有数据包发送的MTCD随机延迟0~(2BE-1)个退避周期后发送CCA消息检测信道是否空闲;

3.2)如果信道忙,则后退次数NB加1,此时若NB小于最大退避次数NBmax,则返回3.1);如果信道空闲,则信道访问成功,MTCD向MTCG发送数据包;

3.3)如果只有一个MTCD发送数据包,则MTCG成功接收此数据包,并将其汇聚缓存至缓冲区;如果多个MTCD同时发送数据包至MTCG,则此次数据包发送失败;

3.4)MTCG向MTCD发送ACK消息,通知其数据包是否被成功汇聚;

3.5)MTCG检测其缓冲区中数据包数量,若到达设定的转发阈值Qth,MTCG转换为转发模式,MTCG-BS传输阶段的通信被触发,值得注意的是,MTCG的时延类型不一样,对应的转发阈值Qth不同,相比于中等时延MTCG,高时延MTCG的Qth较大,是其两倍。

MTCG-BS传输阶段执行基于竞争的随机接入过程,与基站取得连接。基站给随机接入成功的MTCG分配资源块,然后MTCG将缓冲区中汇聚的Qth个数据包上传至基站。在此阶段,MTCG仍然可以汇聚缓存数据包。

为了更好地说明本发明的有效性,本发明采用仿真实验对其进行说明。表一给出了仿真参数。

表一

仿真场景中,MTCD随机或成簇分布,它们产生数据过程服从速率为λ的泊松过程,仿真的性能参数为平均碰撞概率、基站成功接收的数据包数量、平均接入时延以及QoS性能(时延需求)。仿真结果受多种因素影响,如转发阈值,数据产生率和MTCD数量,我们先设置λ=0.01/T,观察转发阈值和MTCD数量对系统性能的影响,然后再固定MTCD数量为10000,观察转发阈值,数据产生率对系统性能的影响。

仿真中一共对比了三种方法:一是本发明所提方法;二是基于位置分组的接入方法,该方法与本发明所提方法类似,只是MTCD分组和MTCG选取时只考虑了位置信息,但是它与其他大多数基于位置分组的接入方法有所区别,因为MTCG的转发阈值同样根据其时延类型在调整,将该方法作对比是为了观察本发明中的MTCD分组和MTCG选取方法对系统性能的影响;三是传统随机接入方法,此方法中没有MTCG,设备直接与基站连接。

图3是系统在不同MTCD数量和转发阈值下的平均碰撞概率,图4是系统在不同转发阈值和数据包产生率下的平均碰撞概率。可以看出,当MTCD的数据产生率固定时,随着其数量的增加,碰撞概率变大,且转发阈值越大,碰撞概率相对减小;同样地,当MTCD数量固定时,其数据包产生概率越大,碰撞概率越大,且转发阈值越大,碰撞概率越小。反映了系统的碰撞概率与接入请求数量和MTCG转发阈值的关系,随着系统中MTCD产生的接入请求的增加,将导致系统产生严重的拥塞,而增大MTCG的转发阈值则会减小系统的碰撞概率。相对于传统随机接入方法,本发明的碰撞概率显著减小,尤其是在MTCD数量增大时,相对于基于位置分组的接入方法,本发明的碰撞概率更低。

图5和图6分别是系统在不同MTCD数量和转发阈值下、不同转发阈值和数据包产生率下基站成功接收的数据包数量。相比于传统随机接入方法,本发明所提方法可增加系统的接入能力,且通过调节MTCG的转发阈值可以不同程度的增大系统的接入能力,但会对MTCD的接入时延产生影响,因此,可通过控制MTCG的转发阈值对系统性能进行调节。

图7和图8分别是系统在不同MTCD数量和转发阈值下、不同转发阈值和数据包产生率下的平均接入时延。接入时延受MTCG转发阈值、MTCD的数量及数据包产生概率的共同影响,当系统中的接入请求数量少时(MTCD的数量较少或数据包产生概率较小),设置较小的转发阈值可相对减小系统的平均接入时延,相反地,当系统中的接入请求数量增大时,可适当增大转发阈值,以减小系统的平均接入时延。总之,可根据系统的负载调节转发阈值的大小,以优化其平均接入时延、成功接入的数据包数量等性能。

图9是分组情况,体现了时延需求对分组结果的影响,相比于基于位置分组的接入方法,本发明所提的分组方式具有更佳的分组效果,使得时延相似的MTCD容易分到时延相似的群组。图10是中等时延类MTCD的接入时延,从图中可以看出本发明所提方法更有益于中等时延类MTCD的时延需求。

最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

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