LTE的M2M通信负载控制和能效优化技术研究

发布时间：2020-03-24 01:58

【摘要】：随着互联网通信技术的迅猛发展及物联网(IoT)的兴起,具有接入网络功能的机器类设备与日俱增。在少有甚至没有人为干预条件下,机器对机器(M2M)通信是物联网技术中的关键技术。在3GPP中,M2M通信又称为机器类通信(MTC),以蜂窝网络进行数据传输为主。因为传统蜂窝网络架构主要根据人对人(H2H)通信的特性而设计,所以为了满足M2M业务需求,3GPP对蜂窝系统进行演进,蜂窝网络的M2M通信技术随之应运而生。因此本文针对蜂窝网络的LTE-M通信接入技术进行深入研究,对海量设备的通信负载控制和能效优化,使网络能满足适配M2M的业务且具有流量小、连接数量大等指标,对基于蜂窝网络的物联网技术发展具有重要意义。本文首先对LTE-M的随机接入协议进行研究。由于海量设备接入造成的蜂窝网络拥塞,而随机接入网(RAN)中的随机接入是产生拥塞问题的关键过程。因此本文首先对LTE-M的随机接入过程进行阐述与分析,随后建立一个完整的LTE-M随机接入分析模型。考虑到周期上报和异常警报MTC业务场景,在所建立的分析模型上对两种MTC设备接入流量模型进行仿真评估系统性能,包括设备接入的碰撞概率、成功率、平均接入时延以及重传次数统计,并验证了分析模型的正确性。其次本文讨论了蜂窝网络M2M通信面临的首要问题,即当海量MTC设备发起随机接入请求时,随机接入网的拥塞问题严重影响了 MTC设备接入网络的成功率。为了对LTE-M随机接入进行负载控制,讨论分析了目前各类拥塞控制算法的优缺点,如3GPP中时隙ALOHA,特定时隙退避、特定时隙接入和动态RACH资源分配等算法;随后,提出了一种基于统计-等待的随机接入负载控制算法,在所建立LTE-M系统的随机接入数学模型基础上,对所提算法及三种典型算法进行仿真,结果表明所提算法比现有的算法对接入成功率有更优的提升。最后本文还研究了蜂窝网络M2M通信面临的另一个问题,即随着MTC设备的快速增长,蜂窝网络的设备能量消耗随之增加,同时每个设备的能量供应有限,另一方面MTC应用小数据量特性使得单次接入的信令交互数据量超过所传数据量大小,因此蜂窝网络的能量效率变得越来越重要。本文在所建立的随机接入数学模型基础上结合LTE中无线资源RB建立一个系统模型,包括业务模型、信道链路模型以及能效模型;随后,基于协作中继思想,对机器学习中的聚类算法进行改进,提出一种自适应分簇的高能效算法,并搭建仿真平台对所提算法进行系统性能的仿真分析和对比,仿真结果表明,所提算法能够显著地提高系统能效和吞吐量。今后进一步研究工作可以针对未来物联网业务的小数据特性,考虑将数据传输过程结合到接入过程中,简化MTC设备上传数据流程,以此大幅度提高系统的接入容量。针对能效方面,考虑簇内通信采用的技术对系统能效的影响进行深入研究。
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网络架构

图１－丨ＬＴＥ－Ｍ网络架构＂９｜逡逑１．２．１．１邋ＬＴＥ－Ｍ网络架构逡逑ＥＸＡＬＴＥＤ所提出的网络架构在ＬＴＥ蜂窝网络中集成了邋ＬＴＥ－Ｍ，如图１－１逡逑所示。在这种架构下，ＬＴＥ手机和ＬＴＥ－Ｍ设备通过相同的ＬＴＥ／ＬＴＥ－Ｍ网络进逡逑行通信。每个ＭＴＣ设备既可以作为独立设备与其他设备进行通信，通过ＬＴＥ－Ｍ逡逑网络直接连接到应用服务器，也ｎｊ？以与其他相同类型的ＭＴＣ设备形成局域网络，逡逑通过Ｍ２Ｍ网关与服务器连接，且Ｍ２Ｍ网关与苒他ＭＴＣ设备仃若相同的应用逡逑和功能。Ｍ２Ｍ网关被认为是这个架构中最重要的组成部分，其在迎过特定的逡逑ＬＴＥ－Ｍ接口向应用服务器发送消息之前，执行协议转换和数据聚合。在保持使逡逑用与用于ＬＴＥ网络相同的ＥＰＣ的同时，ＬＴＥ－Ｍ基站（又称ＬＴＥ－Ｍ邋ｅＮｏｄｅＢ）提逡逑供对ＬＴＥ－Ｍ设备和Ｍ２Ｍ网关的网络接入。并非所有机器类型的设备都支持逡逑ＬＴＥ－Ｍ技术

协议栈

逦／逡逑图１－２邋ＬＴＥ协议栈逡逑如图１－２所示，ＬＴＥ协议栈由五部分饥成，其中较低层的四部分表示０Ｓ丨逡逑模型的数据链路层（Ｌ２）和物理层（Ｌ１邋）。其中无线资源控制（ＲＲＣ，Ｒａｄｉｏ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅ逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ）层处理ＵＥ与无线接入网络之间的Ｌ３的控制平面信令；分组数据汇聚逡逑协议（ＰＤＣＰ，Ｐａｃｋｅｔ邋Ｄａｔａ邋Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ邋Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）层对数据加密的控制，丨Ｐ报头逡逑压缩以及用户平面或控制平面数据的传输？，无线链路控制（ＲＬＣ，邋Ｒａｄｉｏ邋Ｌｉｎｋ逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ，）层处理ＲＬＣ服务数据单元（ＳＤＵｓ，Ｓｅｒｖｉｃｅ邋Ｄａｔａ邋Ｕｎｉｔｓ）的分组级联，逡逑分段和重组，以及在确认模式（ＡＭ，Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅ邋Ｍｏｄｅ）中，，ＲＬＣ协议数据单逡逑元（ＰＤＵｓ，Ｐｒｏｔｏｃｏｌ邋Ｄａｔａ邋ｕｎｉｔｓ）的重新分段。它还负责通过自动重复请求（ＡＲＱ，逡逑Ａｕｔｏｍａｔｉｃ邋Ｒｅｐｅａｔ邋Ｒｅｑｕｅｓｔ）进行的重传和纠错？，蜂窝网络中的媒介接入控制（ＭＡＣ，逡逑Ｍｅｄｉｕｍ邋Ａｃｃｅｓｓ邋Ｃｏｎｔｒｏｌ）层负责调度数据包并设置适当的优先级
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

【参考文献】