一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法技术

本发明专利技术基于传输重传次数的状态转移模型，揭示了一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法。针对当海量机器类设备同时发起接入蜂窝网络时，碰撞概率明显提高、资源利用率低和接入时延增大的问题。本发明专利技术提出了一种新的分析模型来最优化MTCD(Machine Type Communication Device)随机接入蜂窝网络的性能，建立MTCD的状态转移模型，通过分析稳态时MTCD所处的状态转移过程，求得某个MTCD稳态时处于第几次重传前导的稳态概率。接着用迭代算法估计出每个随机接入时隙发起接入的MTCD数目，最后利用最优的ACB检测参数来最优化网络的吞吐量性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法
本专利技术属于无线通信领域，具体而言，涉及一种基于MTCD数量估计和ACB动态接入蜂窝网络过程的联合优化方法。
技术介绍
mMTC，即海量机器类通信场景，是5G三大主要应用场景之一。M2M(MachinetoMachine)通信指在没有人为干预的条件下，机器与机器之间通过通信网络，自主地进行数据传输，以实现智能化的信息处理。机器与机器通信为5G的主要场景，3GPP组织在蜂窝网络中引入M2M通信，旨在提供无处不在的连接。相比于H2H(HumantoHuman)的高速移动宽带数据业务，MTCD具有数量大、小数据包、上行通信占优、低功耗、低成本、固定位置、短时间内突发大量接入等特征。然而当前蜂窝网络是针对人与人通信进行设计时，不适合M2M通信的突发海量接入特性，需要对其进行优化。在单个小区中将有数以千亿计的设备接入网络，而且各种应用通过不同设备所发送的数据类型也各不相同。如果在一个区域内的每类应用的MTC设备都需要独立地接入所在区域的基站的话，会给基站带来很大的负担同时会带来资源浪费和系统冲突。庆幸的是mMTC系统的海量接入具有独特特点，即低功耗、突发性、短帧长业务。现有蜂窝网络是针对H2H通信业务进行部署和优化的，当海量机器类设备接入时，就会造成严重的接入碰撞，导致数据传输错误。因此，海量接入主要需要解决大量发送非常短数据包的设备可扩展的、并高效连接的问题。鉴于mMTC终端数量大、突发性的特点，以及现有蜂窝网络是针对H2H通信业务进行部署和优化的，而且频谱资源有限，不足以支持海量的机器类终端同时发起接入。当海量机器类设备同时发起接入时，就会发生严重的接入碰撞，导致网络出现无法接入的拥塞情况。因此，需要设计一种针对海量机器终端接入的随机接入方法来解决这个问题。
技术实现思路
针对mMTC系统海量机器类设备的连接特性，为了防止网络拥塞、降低碰撞概率，本专利技术的目的旨在提出一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法。本专利技术实现上述目的的技术解决方案为：一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法，其特征在于包括步骤：S1，根据mMTC的到达模型计算出第k个随机接入时隙新到达的MTCD数量Ak，然后估计出之前随机接入时隙中未通过ACB检测退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量和通过ACB检测且前导发生碰撞而退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量；S2，根据估计得到的MTCD数量进行ACB分析，得出第k个随机接入时隙最优的ACB检测参数qk；S3，第k个随机接入时隙中活跃的Mk个MTCD发起接入蜂窝网络的接入请求，每个MTCD随机产生一个0-1的随机数u，将u与qk进行比较筛选出允许发送前导的MTCD数量Nk，然后通过ACB检测的Nk个MTCDs各自从前导资源池中随机选取一个前导发送给基站，得到该时隙基站检测到的前导成功发送的MTCD的概率pk和前导发生碰撞的MTCD数量Mcoll_k；S4，构建任意时隙关于前导传输次数的马尔可夫状态转移图，得到第i次发送前导的稳态概率Пi和前NPT-1次传输前导的概率和其中i≤NPT,NPT为前导的最大传输次数；S5，利用之前ws个时隙中得到的参数Mk、qk、Mcoll_k、返回步骤S1通过迭代估计每时隙发起接入的MTCD数量，其中ws为退避窗口时隙数。进一步地，所述随机接入的流程为：依据贝塔分布的到达过程计算出第一个随机接入时隙新到达的MTCD数量A1；执行步骤S2和S3，将第一个随机接入时隙中估计发起接入的MTCD数量进行ACB自适应调整接入参数q1来最大化系统的吞吐量，得出在该时隙被限制发送前导的MTCD数量和接入成功概率p1；接着将q1和p1应用到步骤S4中的马尔可夫状态转移图，求出该时隙中MTCD处于第i次传输前导的稳态概率Пi；之后的随机接入时隙依次执行步骤S1、S2、S3和S4进行迭代过程。进一步地，步骤S1进行MTCD数量估计算法的流程为：首先利用贝塔分布过程计算出该时隙新到达的MTCD数量Ak；然后利用限制接入窗口内未通过ACB检测的MTCD，估计出退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量；最后利用退避窗口内通过ACB检测但发出的前导发生碰撞的MTCD，并结合各自时隙中状态转移方程解出的处于前(NPT-1)次传输前导的概率，估计出在本时隙重新发起接入的MTCD数量。进一步地，步骤S2中估计出的第k个随机接入时隙发起接入的MTCD数量为Mk，计算最优ACB检测参数qk＝min(1,L/Mk)；其中L为蜂窝网络区域内可用前导的规模数。进一步地，步骤S3中所述ACB检测的结果包括为：若MTCD通过ACB检测，则被允许发送前导，随机从前导资源池中选取一个前导发送给基站，若基站检测到前导未发送碰撞，则表示该MTCD接入成功，否则从退避窗口中随机选取一个退避值进行均匀退避；若MTCD未通过ACB检测，则从限制接入窗口中随机选取一个退避值进行退避。进一步地，步骤S4中的具体流程为：根据传输次数的状态转移特性构建关于传输次数的状态转移图，进而列出状态转移方程，解出各自状态的稳态概率。与现有技术相比，本专利技术具有突出的实质性特点和显著的进步性，其有益效果体现为：使用本专利技术的上述方法，通过构建MTCD数量估计模型来估计每个时隙发起接入的MTCD的数量，从而可以根据每个时隙发起接入的MTCD的数量来最优化ACB参数，使得每个时隙接入成功概率达到最大，提高资源的利用率。附图说明图1为本专利技术基于MTCD数量估计的ACB动态接入迭代流程图。图2为其中MTCD时隙到达的概率密度函数示意图。图3为其中自适应ACB随机接入流程图。图4为其中前导传输次数状态转移图。具体实施方式下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。本专利技术设计者致力于5G通讯应用的发展，总结分析了当前mMTC终端数量大，海量接入拥堵的迫切现状。创新提出了一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法。其概述的技术实现方法如图1所示，包括如下简述步骤。S1，根据mMTC的到达模型计算出第k个随机接入时隙新到达的MTCD数量Ak，如图2所示；然后估计出之前随机接入时隙中未通过ACB检测退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量和通过ACB检测且前导发生碰撞而退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量；S2，根据估计得到的MTCD数量进行ACB分析，得出第k个随机接入时隙最优的ACB检测参数qk；S3，第k个随机接入时隙中活跃的Mk个MTCD发起接入蜂窝网络的接入请求，每个MTCD随机产生一个0-1的随机数u，将u与qk进行比较筛选出允许发送前导的MTCD数量Nk，然后通过ACB检测的Nk个MTCDs各自从前导资源池中随机选取一个前导发送给基站，得到该时隙基站检测到的前导成功发送的MTCD的概率pk和前导发生碰撞的MTCD数量Mcoll_k；S4，构建任意时隙关于前导传输次数的马尔可夫状态转移图，如图4所示，得到第i次发送前导的稳态概率Пi和前NPT-1次传输前导的概率和其中i≤NPT,NPT为前导的最大传输次数；S5，利用之前ws个时隙中得到的参数Mk、qk、Mcoll_k、返回步骤S1通过迭代估计每时隙发起接入的MTCD数量，其中ws为退避窗口时隙数。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法，其特征在于包括步骤：S1，根据mMTC的到达模型计算出第k个随机接入时隙新到达的MTCD数量Ak，然后估计出之前随机接入时隙中未通过ACB检测退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量和通过ACB检测且前导发生碰撞而退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量；S2，根据估计得到的MTCD数量进行ACB分析，得出第k个随机接入时隙最优的ACB检测参数qk；S3，第k个随机接入时隙中活跃的Mk个MTCD发起接入蜂窝网络的接入请求，每个MTCD随机产生一个0‑1的随机数u，将u与qk进行比较筛选出允许发送前导的MTCD数量Nk，然后通过ACB检测的Nk个MTCDs各自从前导资源池中随机选取一个前导发送给基站，得到该时隙基站检测到的前导成功发送的MTCD的概率pk和前导发生碰撞的MTCD数量Mcoll_k；S4，构建任意时隙关于前导传输次数的马尔可夫状态转移图，得到第i次发送前导的稳态概率Пi和前NPT‑1次传输前导的概率和

【技术特征摘要】
1.一种基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法，其特征在于包括步骤：S1，根据mMTC的到达模型计算出第k个随机接入时隙新到达的MTCD数量Ak，然后估计出之前随机接入时隙中未通过ACB检测退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量和通过ACB检测且前导发生碰撞而退避到本时隙重新发起接入的MTCD数量；S2，根据估计得到的MTCD数量进行ACB分析，得出第k个随机接入时隙最优的ACB检测参数qk；S3，第k个随机接入时隙中活跃的Mk个MTCD发起接入蜂窝网络的接入请求，每个MTCD随机产生一个0-1的随机数u，将u与qk进行比较筛选出允许发送前导的MTCD数量Nk，然后通过ACB检测的Nk个MTCDs各自从前导资源池中随机选取一个前导发送给基站，得到该时隙基站检测到的前导成功发送的MTCD的概率pk和前导发生碰撞的MTCD数量Mcoll_k；S4，构建任意时隙关于前导传输次数的马尔可夫状态转移图，得到第i次发送前导的稳态概率Пi和前NPT-1次传输前导的概率和其中i≤NPT,NPT为前导的最大传输次数；S5，利用之前ws个时隙中得到的参数Mk、qk、Mcoll_k、返回步骤S1通过迭代估计每时隙发起接入的MTCD数量，其中ws为退避窗口时隙数。2.根据权利要求1所述基于估计算法的动态接入蜂窝网络的方法，其特征在于：所述随机接入的流程为：依据贝塔分布的到达过程计算出第一个随机接入时隙新到达的MTCD数量A1；执行步骤S2和S3，将第一个随机接入时隙中估计发起接入的MTCD数量进行ACB自适应调整接入参数q1来最大化系统的吞吐量，得出在该时隙被限制发送前导的MTCD数量和接入成功概率p1；接着将q...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙君，万聪，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32