面向差異化MTC 場景需求的隨機接入方案

吳哲夫，楊鑫源，翟文超，韓會梅

（1.浙江工業大學信息工程學院，浙江 杭州 310023；2.中國計量大學信息工程學院，浙江 杭州 310018）

1 引言

物聯網是新一代移動通信發展趨勢，也是“信息化”時代發展的重要階段。隨著物聯網的快速發展，預計未來每平方千米將部署100 萬個設備，用于健康監測、民用運輸、智能監控及其他領域。這種場景下需要大量的網絡訪問連接[1]，而現有的長期演進（LTE,long term evolution）隨機接入方案[2]并不是為處理大量接入請求而設計的，因此可能會導致接入信道嚴重擁塞。

大規模機器類通信（mMTC,massive machine type communication）和超可靠低時延通信（URLLC,ultra-reliable low latency communication）是5G 物聯網中2 個重要的應用場景。第6 代移動通信系統（6G,the sixth generation mobile communication system）將兼容5G 中的應用場景，并進一步實現這兩大場景的增強融合[3]。mMTC 設備具有高連接密度低功耗、廣覆蓋、低激活概率、小數據分組傳輸等特性。與mMTC 設備不同，URLLC 設備對服務質量要求高，需要滿足毫秒級的端到端時延和接近百分之百的數據通信可靠性要求，以便及時對數據進行感知和處理?，F有的LTE 網絡隨機接入方案主要是針對人與人（H2H,human-to-human）通信的業務而設計的，適于單一服務型用戶業務。若將其直接應用于6G 通信中mMTC 設備和URLLC 設備的接入，將會產生如下問題：1)難以適應差異化場景下設備服務質量的需求；2)由于海量設備接入網絡會造成頻繁的傳輸沖突，導致接入的吞吐量降低[4]。

目前，研究者對LTE 網絡適用于mMTC 設備和URLLC 設備的隨機接入方案展開了研究。文獻[5]提出了基于接入等級限制（ACB,acess class barring）的隨機接入方案。當機器類通信（MTC,machine type communication）設備請求接入網絡時，將會在[0,1]選擇一個隨機數，僅當這個隨機數低于概率因子，設備才能進行隨機接入。文獻[6]提出了基于擴展ACB 的隨機接入方案，其基本思想是，在網絡擁塞的情況下，不允許時延容忍的設備接入網絡，而只允許時延要求嚴格的設備接入網絡，進而進一步減少擁塞。文獻[7]提出了一種聯合資源分配和接入等級限制的隨機接入方案，該方案根據可用資源塊數量和業務負載自適應地改變ACB 參數，進而動態分配資源。文獻[8]構建了一個博弈論框架，在此框架下，基站先將其隨機接入資源分為3 個子集，分別在人與人通信、機器類型通信和混合通信場景下使用，隨后通過納什均衡策略自適應地分配流量負載來保證系統吞吐量。文獻[9]提出了一種前導碼重用方案，該方案將小區空間劃分為多個區域，并減小接入前導碼的循環移位以生成更多的前導碼。文獻[10]提出了一種事件驅動M2M（machine to machine）業務的流量控制隨機接入方案，通過統計一段時隙內的隨機接入前導碼空閑比來估計信道流量，從而設計控制因子控制接入流量。

上述改善LTE 接入性能的解決方案主要通過控制接入的設備數或增加可用隨機接入資源來提高成功接入的設備數?？紤]大多數mMTC 設備的位置都是固定的，文獻[11-13]利用定時提前（TA,timing advance）來進一步提高成功接入設備數。其中，文獻[11]提出一種基于TA 值比較的隨機接入機制，但是這種機制只單一地使用了TA 值比較，不能有效地緩解擁塞。文獻[12]將ACB 參數與TA 信息結合在一起，只有通過ACB 的MTC 設備才能隨機選擇并傳輸前導碼。當具有不同TA 值的MTC選擇相同的前導碼，eNB（evolved node B）只能隨機選擇一個TA 索引。因此，當有2 個或多個MTC設備選擇與eNB 所選TA 索引相對應的相同前導碼時，沖突仍然存在。為緩解這種接入沖突，文獻[13]提出一種基于緩解沖突的TA 選擇的隨機接入方案。該方案提出了一種特殊的前導碼放置方法，以使eNB 能夠估計出具有不同TA 索引的競爭者的數量，并根據估計的結果選擇合適TA 的值。文獻[14]提出了一種基于迭代干擾消除（SIC,successive interference cancellation）的非正交隨機接入方案。該方案利用MTC 設備的空間分布到達時間的差異來識別具有相同前導碼的多個MTC 設備，并允許多個設備使用相同的資源塊進行數據消息傳輸，因此，該方案可以有效地增加成功接入的設備數，緩解接入擁塞問題。盡管上述接入的方案都能提供可靠的通信，但都僅考慮了mMTC 或URLLC 場景的設備的接入?，F有文獻中，僅有文獻[15]給出了2 種場景下的設備同時接入網絡的隨機接入方案，該方案預先將小區中URLLC 場景的設備分組，并通過指定的組長使用預留前導碼進行接入，保證了URLLC 場景的設備接入成功；但是，mMTC 場景的設備仍采用傳統正交接入機制，無法滿足海量的接入請求，這將不可避免地導致網絡接入的擁塞和過載。

針對以上問題，本文提出了一種面向差異化MTC 場景需求的隨機接入方案。該方案根據TA 信息對MTC 設備進行分組：對于URLLC 設備，基站為組內的核心設備預留前導碼，并通過非競爭方式接入網絡；對于mMTC 設備，根據不同組TA 信息的差異來識別選擇相同前導碼的多個設備，并允許設備在相同的數據資源上傳輸數據信息，eNB 利用SIC 算法恢復設備數據信息。本文方案在為URLLC 場景的設備提供高可靠性和低時延接入的同時滿足mMTC 場景的巨連接要求，避免了網絡擁塞，大幅度提高了系統的成功接入設備數。

2 系統模型

考慮一個半徑為dc的小區，基站位于小區中心，M個MTC 設備分布在小區中，其中包含βM（0≤β≤1）個 URLLC 設備和(1?β)M個mMTC 設備，具體系統模型如圖1 所示。

圖1 系統模型

為了降低前導碼碰撞概率，提升接入設備數，將小區內的MTC 設備按TA 信息的不同進行分組，具體為采用量化間隔為16Ts對小區內所有設備的傳播時延進行量化，得到所有設備的TA 索引Ω=[TI1,TI2,…,TIM]，同時采用量化距離d=16Tsc對小區半徑進行量化，得到ζ個環形空間，其中，Ts表示LTE 系統的最小時間單位，TIM表示第M個設備的TA 索引，c表示光速。小區內的環形數為，其中，「.」表示向上取整函數。進一步地，將同一環形區域內的所有設備作為一個設備組，具有相同的TA 索引；不同環形區域內的設備為不同的設備組，具有不同的TA 索引。每個設備組根據組內的設備服務類型，進一步劃分為URLLC 設備組和mMTC 設備組。用Si表示第i（i=1,2,…,ζ）個環，其中的設備組對應的TA 索引記為TA,i。例如，在圖1 中，n1、n2、n3、n4為小區中的4 個mMTC設備，n1、n2位于同一個環S1中，具有相同的TA索引，屬于同一mMTC 設備組；n3、n4分別位于環S2、S3中，具有不同的TA 索引，屬于不同mMTC設備組。

3 隨機接入方案

3.1 差異化MTC 場景需求的接入方案

考慮URLLC 設備的高可靠低時延需求，本文方案中的URLLC 設備采用非競爭的隨機接入機制。每一個URLLC 設備組都有一個在處理能力和電池壽命方面更加強大的URLLC 設備作為核心設備，同一組的所有URLLC 設備都能與核心設備通信[15]；考慮前導碼數和mMTC 設備數的嚴重不匹配，mMTC 設備采用基于競爭的機制接入網絡，如圖2 所示，具體步驟如下。

圖2 面向差異化MTC 場景需求的隨機接入方案

步驟1前導碼傳輸

URLLC 設備組中的核心設備將基站為組預留的前導碼發送至基站。mMTC 設備從R?NG個前導碼中隨機選擇一個前導碼發送至基站，其中，R表示一個時隙中可用的前導碼總數，NG 表示系統內為URLLC 組設備預留的前導碼數，即劃分的URLLC 設備的組數。為了緩解前導碼沖突，對mMTC 設備使用文獻[13]中提出的前導碼放置方法，具體如下。位于第i個環的mMTC 設備組中的設備采用第個子載波作為放置其選定前導碼的起始位置，使基站能夠估計每個mMTC 設備組中競爭同一前導碼的設備數量。令ρr,i表示第i個mMTC設備組中的mMTC設備發送的第r個前導碼序列，接收到的前導碼信號Y可表示為

其中，ζ表示環總數，b(r,i)表示第i個mMTC 設備組中選擇第r個前導碼的設備數，N表示均值為0、方差為的加性高斯白噪聲。

步驟2 前導碼的檢測和隨機接入響應（RAR,random access response）傳輸

eNB 首先檢測接收到的前導碼。若檢測的前導碼是為URLLC 設備組保留的前導碼，基站根據前導碼與URLLC 設備組一一對應的關系，識別此前導碼所對應的URLLC 設備組，并進一步檢索已注冊組成員的有關設備信息，然后為每個組成員設備分配資源塊。否則，基站通過計算接收序列與特定的前導碼序列的互相關值，得到在第i個mMTC 設備組中選擇第r個前導碼的設備數b(r,i)，其估計方法如算法1 所示。若b(r,i)的值為1，基站生成RAR 消息。每個RAR 消息都包含前導碼標識、TA索引、上行數據傳輸資源、功率等級選取指示。

算法1b(r,i)的估計算法

步驟3數據信息的傳輸

每個URLLC 設備在其所分配的資源塊上傳輸數據信息。由于mMTC 設備的位置固定，每個mMTC 設備在接入之前可以根據現有的一些測距技術知道自身與基站的距離，從而可以計算出所屬分組和TA 索引。在其接收到RAR 消息后，首先比較前導碼標識，確認與步驟1 傳輸的前導碼是否相匹配。如果匹配，則讀取功率等級指示并從L個功率等級中隨機選取一個功率等級，其中，L表示基站分配的功率等級總數。然后進一步比較RAR 消息中的TA 信息是否與自身TA 信息相等，如果相等，則成功解碼RAR 消息，并在相應RAR 消息中所給定的數據傳輸資源上傳輸數據信息；否則，設備從分配給該設備所選擇的前導碼的數據傳輸資源中隨機選擇一個數據傳輸資源傳輸數據信息。

步驟4競爭解決

由于每個URLLC 設備組都有預留的前導碼資源，確保了每個組的接入過程不會發生沖突。此外，基站能夠根據在初始附加過程中分配的地址為組中的成員設備分配資源塊，保證了每個組成員設備的數據信息傳輸的成功，因此URLLC 設備不需要競爭解決過程。

對于mMTC 設備，當多個mMTC 設備使用相同的數據傳輸資源發送數據信息時，基站根據接收功率的不同，采用SIC 算法檢測各設備的數據信息。首先檢測最高接收功率等級設備的數據信息。若能成功檢測，則將此設備的數據信息進行干擾消除，進而檢測次高功率等級設備的數據信息，直到無法成功檢測設備的數據信息。需要說明的是，若在同一資源塊上選取第l個功率等級的設備數為1，且已成功檢測第1～l-1 個功率等級設備的數據信息，則能夠成功檢測此設備的數據信息。否則，基站無法正確檢測此資源塊其余設備的數據信息，設備接入失敗。

3.2 URLLC 設備的分組原則

在本文方案中，URLLC 設備的分組是預先配置的，其分組情況影響著整個方案的接入性能。具體來說，基于分組的非競爭接入機制滿足了URLLC設備高可靠低時延需求，減少了競爭接入的設備數，但同時也減少了mMTC 設備可用的前導碼數，這可能導致mMTC 設備沖突加劇，接入性能下降。因此，需要確定URLLC 設備的分組原則以提高方案的接入性能。一般來說，每個前導碼的設備數可以用來指示不同設備選擇相同前導碼而導致沖突的可能性。當所有設備不進行分組，都采用競爭接入機制時，每個前導碼的設備數可表示為。在本文方案中，每個前導碼的mMTC 設備數可表示為。為保證劃分URLLC 設備組有利于提高mMTC 設備的接入性能水平，需滿足式(2)所示條件。

式(2)可進一步簡化為NG＜βR，即URLLC 設備的分組原則。式(2)的推導詳見附錄1。

如第2 節所述，本文方案中URLLC 設備是按TA 信息的不同進行分組的，具有相同TA 索引的URLLC 設備分為一組，可劃分的最大組數為ζ。就實際應用場景而言，對于小型小區，由于小區半徑較小，按該分組方式可劃分的組數也較少，因此在此場景下使用該分組方式能很大程度地滿足分組原則；而對于大型小區，較大的小區半徑可能導致URLLC 設備的分組數增多，但同時區域內覆蓋的URLLC 設備數也更多，即β更大。此外，由于系統內URLLC 設備的分組是預先配置的，因此可在設備初始部署時，通過增加部署的設備數或調整設備部署的位置使該分組方式滿足分組原則。

4 性能分析

成功接入設備數是衡量隨機接入方案的一個重要指標。在本文方案中，成功接入設備數Z為URLLC 場景成功接入設備數ZG與mMTC 場景成功接入設備數ZNG之和，如式(3)所示。

下面將給出ZG和ZNG的計算過程。

URLLC 設備采用的是無競爭的隨機接入，因此，URLLC 場景的成功接入設備數為

其中，U表示小區活躍的設備總數，γ表示當前活躍的URLLC 設備數占比。

mMTC 設備采用基于競爭的非正交接入機制。若基站能夠成功檢測mMTC 設備數據信息，則該設備可成功接入網絡。成功接入mMTC 設備數為

其中，RNG表示可供mMTC 設備使用的前導碼的總數；m=(1 ?γ)U表示小區內活躍mMTC 的設備數；表示有n個設備選取第r個前導碼的概率；表示在n個設備選取第r個前導碼的條件下，成功接入k個設備的概率。

由文獻[13]可知，當選取同一前導碼設備數n≥ 4時，＜0.013。文獻[13]提出的非正交接入方案只考慮2 個設備選擇相同前導碼的場景，而本文方案將推導1～4 個mMTC 設備選擇相同前導碼的情形。此時，ZNG可近似計算為

假設mMTC 設備均勻分布在小區中，dj表示eNB 與第j個mMTC 設備的距離，且遵循式(8)所示分布。

其中，dc為小區半徑。由式(8)可以計算出第j個mMTC 設備位于第i個環形區域的概率為

顯然，在選擇相同前導碼的n個設備中，如果有u=n? 1個設備的TA 信息與其他設備的TA 信息互相不沖突，則基站能識別n個設備的TA 信息，分配n個資源塊，即。則在選擇相同前導碼的n（n=2,3,4）個設備中，只能分配一個資源塊的概率為

在選擇相同前導碼的n（n=2,3,4）個設備中，只能分配2 個資源塊的概率為

在選擇相同前導碼的（n n=2,3,4）個設備中，只能分配3 個資源塊的概率為

在選擇相同前導碼的（n n=2,3,4）個設備中，只能分配4 個資源塊的概率為

有2 個設備同時向eNB 發送相同前導碼序列，并在u個資源塊上成功接入k個設備的概率為

有3 個設備同時向eNB 發送相同前導碼序列，并在u個資源塊上成功接入k個設備的概率為

有4 個設備同時向eNB 發送相同前導碼序列，并在u個資源塊上成功接入k個設備的概率為

將式(4)和式(17)代入式(3)，可得本文方案的成功接入的設備數為

5 仿真分析

本文方案與文獻[15]的隨機接入方案和傳統的隨機接入方案[2]的成功接入設備數進行了比較，并研究了當預留的前導碼數變化時對方案中設備接入性能的影響。

仿真中，mMTC 設備均勻分布在小區中，劃分的mMTC 設備組數為ζ，每個mMTC 設備組的平均設備數為(1?β)MPi，其中Pi為mMTC 設備位于第i個設備組的概率；URLLC 設備基于特定場景部署在小區中。小區半徑dc=700 m，取量化單位為2d=16TSc=156 m，其中TS=3.072 ×10?7s 為LTE基本時間單位[16]，c=3 ×108m/s 為光速，一個時隙中可用的前導碼數R=64。MTC 設備的成功接入概率為，mMTC 設備的成功接入概率為。

圖3 為成功接入設備數隨小區內活躍設備數的變化曲線。假設按照設備的TA 信息所劃分的URLLC 設備組數為5，即URLLC 設備組預留的前導碼數NG=5。由圖3 可知，傳統隨機接入方案中的成功接入設備數隨著活躍設備數的增加先增大后減小。而本文方案與文獻[15]的隨機接入方案的成功接入設備數隨活躍設備數的增加呈先增長后逐漸趨于平穩的趨勢，與未分組的傳統隨機方案相比，這2 種方案都具有較高的接入吞吐量。同時，由于本文方案是利用設備的TA 的信息來實現前導碼的檢測和RAR 接收，且允許在一個資源塊上同時發送多個設備的消息，因此本文方案能很大程度地提高成功接入的設備數，且遠高于文獻[15]中成功接入的設備數。圖3 中給出的仿真分析結果與理論分析值一致，驗證了文中理論分析結果的有效性。另一方面可以觀察到，在本文方案中，隨著功率等級的增加，成功接入的設備數也隨之增長，這是由于基站在同一資源塊上可以基于更多不同等級的功率成功檢測更多設備的數據信息。

圖3 成功接入的設備數隨MTC 設備數的變化曲線

圖4 為在不同小區半徑下，成功接入設備數隨前導碼數的變化曲線。其中基站分配的功率等級總數L=3，小區內活躍設備數U=80，假設在不同半徑下，小區內URLLC 設備的分布情況一致，即按照其TA 信息所劃分的URLLC 設備組數NG 都為5。

圖4 成功接入的設備數隨系統內前導碼數的變化曲線

由圖4 可知，可用的前導碼越少，系統接入吞吐量就越低。而且本文方案的成功接入設備數遠高于文獻[15]的隨機接入方案和傳統隨機接入方案的成功接入設備數。同時，隨著前導碼的增加，沖突概率逐漸降低，成功接入的設備數隨之增加。圖4 中給出的仿真分析結果與理論分析值一致，驗證了文中理論分析結果的有效性。此外，由于mMTC 設備均勻分布在小區中，當小區內的設備數一定時，隨著小區半徑的增大，接入同一前導碼的多個設備的TA 信息的沖突概率也隨之降低，從而提高了成功接入設備數。

圖5 與圖6 分別給出了在不同的預留前導碼數下，mMTC 設備與MTC 設備成功接入概率隨小區內活躍設備數的關系。其中，基站分配功率等級數L=3，圖中NG=0、γ=0指的是在此場景下不劃分URLLC 設備組，URLLC 設備與mMTC 設備都采用本文方案中的非正交接入機制接入網絡。從圖5 與圖6 中可以看出，隨著活躍設備數的增加，設備成功接入率下降。由于前導碼資源有限，設備數的增多導致mMTC 設備接入沖突加劇，設備的成功接入率下降。

圖5 mMTC 設備的成功接入率隨MTC 設備數的變化曲線

圖6 MTC 設備的成功接入率隨MTC 設備數的變化曲線

對比圖5 與圖6 可知，當活躍的URLLC 設備數一定時，隨著預留前導碼數NG（NG ≠0）增加，設備的成功接入率下降。仿真結果說明，過多地劃分URLLC 設備組，會降低mMTC 設備的接入性能，進而影響整個方案中設備的接入性能。因此，需要使用合適的分組方式劃分URLLC 設備。進一步地，從圖5 中可觀察到，與NG=0場景下的mMTC 設備相比，NG＜γR（NG ≠0）場景下的mMTC 設備具有更高的成功接入率，而NG＞γR場景下的mMTC 設備成功接入率更低。仿真結果表明，當劃分的URLLC 設備組數滿足 NG＜γR（NG ≠0）時，可提高mMTC 設備的接入性能；當URLLC設備組數NG＞γR時，會造成mMTC 設備接入性能下降，且NG 越大，設備的成功接入率越低。從圖6 中可觀察到，在NG=35、γ=0.2場景下的MTC 設備成功接入率低于NG=0場景下設備的成功接入率。這一方面是由于系統內劃分的URLLC 設備組數過多，導致NG＞γR，降低了mMTC 設備的接入性能；另一方面是由于當前成功接入的URLLC 設備數過少，不足以彌補mMTC設備接入性能下降所減少的成功接入設備數。仿真結果強調了遵循式(2)中給出的分組原則的重要性。此外，在當前仿真場景中對小區內URLLC設備按照TA 信息的不同進行分組，所能劃分的最大組數為ζ=5＜γR，這進一步說明了使用本文方案中的分組方式能很大程度地滿足URLLC 設備的分組原則。

2017年2月，婁星區人民法院為全面實施司法責任改革，設立了訴訟服務與速調速裁中心，要求全院30%以上的案件必須在速調速裁中心快速處理、判決。2018年1月1日，婁星區法院正式成立速調速裁庭，下設包括刑事速裁組在內的5個速調速裁組，分別由5民員額法官（包括速裁庭庭長）每人帶一名助理和一名書記員組成，同時要求全院50%以上的案件必須在速調速裁庭快速處理、判決。

6 結束語

本文針對具有不同服務要求的MTC 設備隨機接入問題，提出了一種面向差異化MTC 場景需求的隨機接入方案。該方案根據設備的服務質量要求和TA 信息將設備分為URLLC 設備組和mMTC 設備組，一方面對URLLC 設備基于其所在組進行兩步接入，即由每一組的核心設備使用預留的前導碼與 eNB 進行通信，這種無競爭的接入保證了URLLC 設備接入可靠性，降低了接入時延；另一方面為緩解mMTC 設備大規模接入的擁塞問題，對mMTC 設備基于其所在組的TA 信息進行非正交接入，提高成功接入設備數。理論分析和仿真實驗結果驗證了本文方案的有效性。

附錄1 URLLC 設備的分組原則推導

如第2 節所述，小區內MTC 設備數為M，URLLC 設備數占比為β，假設接入的時隙總數為Ir，第s個時隙內活躍的MTC 設備數為Us，活躍的URLLC 設備數占比為γs。在第1～Ir時隙內，需要滿足的分組原則可表示為

對式(19)進一步推導可得

每個時隙內活躍的MTC 設備由新到達的設備和隨機退避后再次接入的設備兩部分組成。假設系統內前導碼檢測概率為100%[17]，由于之前時隙接入失敗，而執行隨機退避后在第s個時隙再次接入的mMTC 設備數為mfs，式(20)可進一步表示為

推導完畢。