MTC组寻呼接入策略和位置管理研究论文(PDF 60页).pdf

国内图书分类号 T N 9 2 9 5 国际图书分类号 6 2 1 3 9 西南交通大学 研究生学位论文 密级 公开 年 姓 级三雯二二级 名 夔佳 专 二零一四年五月 C l a s s i f i e dI n d e x T N 9 2 9 5 U D C So u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t y M a s t e rD e g r e eT h e s i s R E S E A R C HO NA C C E SSS C H E M EO FM T C G R O U PP A G I N GA N DL O C A T I O N M A N A G E M E N T G r a d e 2 0 1 1 C a n d i d a t e W e iJ i a n g A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r M a s t e rD e g r e e S p e c i a l i t y C o m m u n i c a t i o na n dI n f o r m a t i o nS y s t e m S u p e r v i s o r P r o f X i a n W a n g M a y 2 0 1 4 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密r I 在年解密后适用本授权书 2 不保密彩使用本授权书 请在以上方框内打 v 学位论文作者签名 日期 卫o I 牛 6 岁 蒋伟 指导老师签名 嘲 日期 卅 b 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 本文首先对无线个人通信网络中的位置管理进行了深入研究 通过探讨位 置管理中的不同位置更新机制 发现基于运动的位置更新机制不能很好的处理U E 乒 乓效应比较严重的情况 会带来不必要的开销 通过对一种改进的基于运动的位置更 新机制进行研究 提出用一种数学模型 一维随机游走模型 来分析U E 的移动性情 况 并通过计算各种事件发生的概率如转移概率 禁止概率等等来计算U E 运动达到 计数器的均值步数 得到位置管理在使用改进的基于运动的位置更新时信令开销的闭 合表达式 通过仿真和数值计算的比较 验证结果的准确性 研究结果表明 改进的 位置更新机制在处理乒乓效应时 具有良好的效果 比原来的位置更新机制更好 本 文对目前的通信系统应用该改进的位置更新机制 具有良好的指导意义 2 本文其次对机器类型通信 m a c h i n e t y p ec o m m u n i c a t i o n M T C 进行了深 入研究 并对M T C 中的候选过载控制方案 组寻呼机制 在不同的接入策略下进行了 性能评估 研究发现 组寻呼机制在采用L T E 网络中传统的随机接入策略时 组寻呼 的接入性能随着寻呼的设备数量的增加 接入性能下降明显 本文提出把基于提前退 避的随机接入机制应用到组寻呼机制中 这样可以大大提高组寻呼的性能 我们提出 一种数学模型来评估组寻呼基于提前退避随机接入策略的接入性能 并推导出组寻呼 基于提前退避随机接入策略的接入性能的性能表达式 通过数值分析 对组寻呼基于 提前退避策略和组寻呼基于传统随机接入策略的性能进行了比较 得到组寻呼基于提 前退避策略的性能更优的结论 并对组寻呼最优组的大小的设置进行了研究 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果 对本章的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 辆伟 日期 沙f 妒 6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无论是人与人 h u m a n t oh u m a n H 2 H 的通信 还是机器与机器 m a c h i n e t om a c h i n e M 2 M 之间的通信 都涉及各种无线接入技术和个人移动性服务 本论文将围绕位置 管理的信令开销和组寻呼接入性能展开研究 在原始的基于运动的位置更新 o r i g i n a lm o v e m e n t b a s e dl o c a t i o nu p d a t e O M B L U 方案中 当穿越的小区数达到运动门限时 执行一次位置更新 M B L U 方案易受乒乓 效应的影响 此处乒乓效应指移动设备 u s e re q u i p m e n t U E 在相邻小区间来来回回 往返运动 为了应对此问题 文献提出 种改进的基于运动的位置更新 i m p r o v e d m o v e m e n t b a s e dl o c a t i o nu p d a t e I M B L U 方案 在I M B L U 中 当访问的不同的小区 数达到运动门限时 执行一次位置更新 要在无线通信网络中实施I M B L U 方案 首先 需要确定能使位置更新开和寻呼开销最小的最佳运动门限 本文提出一种数学模型来 计算I M B L U 方案的信令开销 通过推导得到I M B L U 方案的信令开销的闭合表达式 并用仿真验证了信令开销数值计算的精确性 基于上述公式 开展数值分析 以评估 相关参数对信令开销的影响 数值分析发现 信令开销是运动门限的向下凸函数 当 乒乓效应较强时 I M B L U 方案相对于O M B L U 方案的优越性更明显 仅在低移动性的 情况下 小区驻留时间的方差才对信令开销产生显着影响 提出的模型和所得的结果 对于在无线通信网络中实施I M B L U 方案具有指导意义 在L T E 网络中 当大量机器类型通信 m a c h i n e t y p ec o m m u n i c a t i o n M T C 设备同 时接入网络时 将会导致无线网络过载 R A N 2 提出了组寻呼机制有效的解决了该过 载问题 然而随着组寻呼一次寻呼设备的数量的增加 组寻呼应用L T E 中传统的随机 接入策略时 组寻呼的接入性能下降明显 文献提出了一种提前退避随机接入策略 该策略有效的解决了大量设备接入网络时应用传统随机接入策略的不足 在提前退避 随机接入策略中 该策略使用提前退避机制将设备的接入尝试均匀的分布在提前退避 随机窗口内 本论文给出了一种分析模型来分析组寻呼基于提前退避随机接入策略的 接入性能 并在利用该模型推导出接入性能的分析表达式 通过数值计算 我们得到 了在不同寻呼组大小和提前退避值条件下 组寻呼基于提前退避策略的成功接入概率 平均前导传输次数 平均接入时延和前导利用率等性能尺度 数值结果表明 提前退 避随机接入策略能有效的提高组寻呼的接入性能 关键词 M T C 组寻呼 随机接入 提前退避 基于运动的位置更新 乒乓效应 建 模 信令开销 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I 页 A b s t r a c t B o t hH 2 Ha n dM 2 Mc o m m u n i c a t i o n sa r ei n v o l v i n gi nav a r i e t yo fw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e sa n dp e r s o n a lm o b i l i t ys e r v i c e s T h i sp a p e ri sg e t t i n gd o w n t or e s e a r c h i n ga b o u t t h el o c a t i o nm a n a g e m e ts i g n a l i n go v e r h e a da n dg r o u pp a g i n ga c c e s sp e r f o r m a n c e A ni m p r o v e dm o v e m e n t b a s e dl o c a t i o nu p d a t e I M B L U s c h e m eW a sp r o p o s e di nt h e l i t e r a t u r et ot a c k l et h ev u l n e r a b i l i t yo ft h eo r i g i n a lm o v e m e n t b a s e dl o c a t i o nu p d a t e O M B L U s c h e m e w h i c hp e r f o r m sal o c a t i o nu p d a t e L U w h e nt h e n u m b e ro fc e l l s c r o s s e d r e a c h e sam o v e m e n tt h r e s h o l d t ot h ep i n g p o n ge f f e c t as y n o n y mf o r t h e p h e n o m e n o nt h a ta u s e re q u i p m e n t U E m o v e sb a c k a n d f o r t hb e t w e e na d j a c e n tc e l l s I n t h eI M B L Us c h e m et h ec r i t e r i o nf o rp e r f o r m i n ga nL Ui st h a tt h en u m b e ro fd e r e n tc e l l s v i s i t e dr e a c h e st h em o v e m e n tt h r e s h o l d P r i o rt oi m p l e m e n t i n gt h eI M B L Us c h e m ei n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s f i r s tw en e e dt od e t e r m i n et h eo p t i m a lm o v e m e n t t h r e s h o l dt h a tm i n i m i z e st h es i g n a l i n gc o s to ft h eI M B L Us c h e m ei n c u l l r e db yL U sa n d p a g i n g T h e r e f o r e ac o m p r e h e n s i v em a t h e m a t i c a lm o d e li sr e q u i r e d T h i sp a p e rd e v o t e st o t h i sr e q u i r e m e n tb yd e v e l o p i n gs u c ham o d e lt oa n a l y z et h es i g n a l i n gc o s to ft h eI M B L U s c h e m e W ec h a r a c t e r i z eU Em o b i l i t yb yao n e d i m e n s i o n a lr a n d o mw a l km o d e la n dd e r i v e c l o s e d f o r ma n a l y t i c a lf o r m u l af o rt h es i g n a l i n gc o s to ft h eI M B L Us c h e m e b a s e do nw h i c h w ec a r r yo u tan u m e r i c a lt oi n v e s t i g a t et h ei n f u e n c eo fr e l e v a n tp a r a m e t e r so nt h es i g n a l i n g c o s t I ti so b s e r v e dt h a tt h es i g n a l i n gc o s ti sad o w n w a r dc o n v e xf u n c t i o nw i t hr e s p e c tt ot h e m o v e m e n tt h r e s h o l d t h a tt h es u p e r i o r i t yo ft h eI M B L Us c h e m eo v e rt h eO M B L Us c h e m ei s p r o p o r t i o n a lt ot h ei n t e n s i t yo ft h ep i n g p o n ge f f e c t a sw e l la st h a t t h ev a r i a n c eo fc e l l r e s i d e n c et i m ee x e c sn o t i c e a b l ei n f l u e n c eo nt h es i g n a l i n gc o s to n l yi nt h es c e n a r i oo fl o w m o b i l i t y T h i sp a p e rc a ng u i d et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eI M B L Us c h e m ei n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s R A N 2p r o p o s e dag r o u pp a g i n gs c h e m et oe f f i c i e n t l ys o l v et h er a d i oa c c e s sn e t w o r k o v e r l o a dp r o b l e mw h e nal a r g en u m b e ro fm a c h i n e t y p ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e s M T C a c c e s st h eL T En e t w o r ks i m u l t a n e o u s l y H o w e v e r t h ea c c e s sp e r f o r m a n c ed e c r e a s e s o b v i o u s l ya st h en u m b e ro fd e v i c e si n c r e a s e si nt h ep a g i n gg r o u pw h e nt h eg r o u pp a g i n g p r o c e s su s e st h et r a d i t i o n a lr a n d o ma c c e s ss c h e m ei nL T En e t w o r k Ap r e b a c k o f fr a n d o m a c c e s ss c h e m ew a sp r o p o s e dt os o l v et h eo v e r l o a dp r o b l e me f f e c t i v e l yw h e nl a r g eM T C 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I I 页 r a n d o ma c c e s sp r o c e s su s e st h ep r e b a c k o f fs c h e m ew h i c hC a nu n i f o r m l yd i s t r i b u t et h e a c c e s sa t t e m p t sw i t h i nt h ep r e b a c k o f fw i n d o w I nt h i sp a p e rw ep r e s e n ta na n a l y t i c a lm o d e l t oa s s e s st h ea c c e s sp e r f o r m a n c eo ft h eg r o u pp a g i n gb a s e do nt h ep r e b a c k o f fr a n d o m a c c e s ss c h e m e W ed e r i v ea n a l y t i c a lf o r m u l a sf o rt h ea c c e s sp e r f o r m a n c eb a s e do nt h em o d e l T h r o u g ht h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n w eg e tt h ep e r f o r m a n c em e t r i c si n c l u d i n ga c c e s ss u c c e s s p r o b a b i l i t y a v e r a g en u m b e ro fp r e a m b l et r a n s m i s s i o n sa n da v e r a g ea c c e s sd e l a yo ft h e g r o u pp a g i n gb a s e do np r e b a c k o f fs c h e m ew i t hv a r i o u sc o m b i n a t i o n so fg r o u ps i z e a n d p r e b a c k o f fv a l u e N u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r e b a c k o f fr a n d o ma c c e s ss c h e m ec a n o b v i o u s l ye n h a n c et h ea c c e s sp e r f o r m a n c eo ft h eg r o u pp a g i n g K e yw o r d s M T C G r o u pp a g i n g R a n d o ma c c e s s P r e b a c k o f f s c h e m e M o v e m e n t b a s e d l o c a t i o nu p d a t e P i n g p o n ge f f e c t M o d e l i n g S i g n a l i n gc o s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 V 页 目录 摘要 I A b s t r a c t II 第1 章绪论 1 1 1课题研究背景 1 1 2国内外研究现状分析 2 1 3论文主要研究内容和结构安排 5 第2 章M T C 组寻呼和位置更新基础研究 7 2 1随机过程理论研究 7 2 1 1 泊松过程 7 2 1 2 更新过程 7 2 1 3 马尔科夫过程 8 2 2位置更新方案基础研究 9 2 2 1 静态位置更新机制 9 2 2 2 动态位置更新机制 1 0 2 3 M T C 组寻呼接入策略基础算法研究 1 2 2 3 1 随机接入信道建模算法 1 2 2 3 2 组寻呼策略 1 4 2 4 本章小结 1 5 第3 章无线通信网络中一种改进的基于运动的位置更新机制建模和开销分析 16 3 1改进的基于运动的位置更新相关研究 1 6 3 2I M B L U 建模 1 7 3 2 1I M B L U 机制 1 7 3 2 2 移动性建模 1 9 3 3I M B L U 的信令开销 2 2 3 3 1I M B L U 策略的位置更新次数 2 2 3 3 2 寻呼次数 2 3 3 3 3 信令开销 2 3 3 4I M B L U 策略的性能评估 2 4 3 4 1 数值计算 2 4 3 4 2I M B L U 机制和O M B L U 机制性能比较 2 4 3 4 3I M B L U 机制在不同C M R 条件下的性能 2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第V 页 3 5 本章小结 2 7 第4 章M T C 组寻呼基于提前退避接入策略研究 2 8 4 1M T C 组寻呼相关研究 2 8 4 2M T C 组寻呼接入策略 2 9 4 2 1L T E 随机接入过程 2 9 4 2 2 组寻呼基于提前退避的随机接入策略 3 3 4 3组寻呼基于提前退避策略的理论建模 3 4 4 3 1 系统模型 3 4 4 3 2 理论推导 3 5 4 3 3 性能尺度 3 7 4 4数值计算和性能分析 3 8 4 4 1 参数设置 3 8 4 4 2 两种策略下的接入成功概率 3 9 4 4 3 两种策略下的平均前导传输次数 4 0 4 4 4 两种策略下的平均传输时延 4 l 4 4 5 两种策略下的利用率 4 2 4 5 本章小结 4 3 结论与展望 4 4 致谢 4 5 参考文献 4 6 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 现代蜂窝移动通信技术自诞生以来表现出了旺盛的生命力和巨大的市场潜力 它具 有移动性和个性化服务等特点 为推动全球信息化做出了巨大贡献 移动通信系统的 有效覆盖 使人们能够方便实现移动通话 上网 视频聊天 互联网支付等一系列活 动 移动通信技术的发展已经经历了第一代 第二代 第三代移动通信时代 目前正处 在第四代移动通信应用阶段 第五代移动通信处于研究阶段 无论那一代通信系统 位置管理 L o c a t i o nM a n a g e m t L M 都是作为其研究的关键技术 移动通信网络系统 的特点主要在于用户的移动性 可以无处不在的为用户提供服务 实现通信过程 所 以系统要准确的知道U E 的位置 显得尤为必要 位置管理实现了该目的 很好的保 证系统的性能 位置管理是移动通信系统资源管理的重要组成部分 其目的是跟踪及定位用户的位 置信息 位置管理主要包括位置更新和寻呼两部分 系统通过位置更新来跟踪当前处 于空闲状态的U E 的位置 U E 通过动态的报告它的最新位置信息 当U E 有一个呼叫 到达时 网络将呼叫传送到U E 最后一次报告的位置 而呼叫过程是通过网络寻呼U E 实现的 寻呼 即网络通过发送轮询信号给U E 最近一次报告位置的小区 来搜索被 叫U E 可知位置更新越频繁 位置更新开销越多 而寻呼开销则越少 反之 位置更 新频率越稀疏 寻呼的难道就增大 寻呼开销就增多 位置管理的信令开销也就成为学者们研究的热点 学者对静态位置更新机制和动态 位置更新机制进行理论建模 在各种参数条件下考察位置管理的信令开销 希望找到 一种折中的方案来使位置管理的信令开销最小 因此 对位置管理研究显得很尤为必 要 同时近年来 随着通信网络技术的不断发展 传统的人与人之间的通信变得十分 方便 物联网的发展也开始走入学者的眼球 其中机器与机器 m a c h i n e t o m a c h i n e M 2 M 之间的连接和通信成为物联网的主要形式 M 2 M 通信又名为机器类型通信 M T C 是一种基于蜂窝移动通信网络平台来实 现无线终端之间自动通信的新兴业务 在G S M U M T S L T E 等移动通信网络平台的 支撑下 M T C 应用也开始广泛的应用于多个领域 比如测量 道路安全 电子设备及 消费等 而且机器设备数量巨大 前景十分广阔 将会给移动运营商和设备制造商带 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 来巨大的经济效益 因此M T C 应用受到广泛重视 然而 M T C 与人与人 H 2 H 通 信不同 具有通信量小 设备量大 时延不敏感 应用类型多样化等特点 当大量M T C 设备融合到H 2 H 的通信网络中时 必然会对现有网络带来严重的影响 导致人类通信 质量服务下降 造成网络拥塞等后果 如何寻求有效的过载控制机制是一个具有非常 重要的研究课题 目前国内外对M T C 的学术研究尚处于刚开始研究阶段 有限的研究结果主要集中 在M T C 基本应用问题 如市场预测 应用领域 业务管理等 2 引 在L T E 系统中引入 海量M T C 设备后对H 2 H 通信的影响的研究寥寥无几 在随机接入方面 M T C 设备随 机接入过程是基于竞争的 未来海量M T C 终端加入到系统中后 当前随机接入机制碰 撞概率和接入时延将急剧增加 改进或提出新的L T E 随机接入过载机制以适应海量 M T C 设备竞争接入带来的压力 提高M T C 随机接入的性能 将是一个非常有意义的 研究课题 其中 组寻呼机制是M T C 通信随机接入过载控制的一个候选方案 对其接 入性能进行研究显得十分必要 本论文就是在这样的背景下展开 我们应该深入研究无线通信中的位置管理机制 的信令开销和M T C 组寻呼方案的接入性能 1 2 国内外研究现状分析 自上个世纪八十年代以来 许多学者针对终端的移动性和个人移动性展开了广泛 的研究 位置管理是他们建模时考虑的首要对象 通过假设不同的网络小区拓扑结构 如图1 1 中的一维直线小区拓扑结构 图1 2 中的二维环状的六边小区拓扑结构 等 提出不同的移动性模型 如一维马尔科夫链过程 二维随机游走模型 嵌入式马 尔科夫链模型 通过这些模型来分析U E 的运动状态的转移概率 求得U E 在单位时 间间隔内在不同更新机制 静态的位置更新机制和动态的位置更新机制 条件下的平 均更新次数 以此来求得位置更新的信令开销 寻呼开销同样是考虑不同寻呼策略 如并行寻呼 轮询寻呼 扇形寻呼等条件下寻呼的开销 图1 1 一维直线小区拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 2 二维环状的六边小区拓扑结构 本文主要研究动态的位置更新机制 在这里就不在介绍静态更新机制的研究动态 现目前 动态的位置更新机制主要分为三种 分别是基于距离的位置更新机制 基于 运动的位置更新机制 基于时间的位置更新机制 3 J 在动态的位置更新机制中 基于距 离的位置更新机制在信令开销方面是性能最好的 但难以实施 因为U E 需要知道它 所处的网络拓扑中的位置信息 4 基于时间的位置更新机制是最容易执行的 但是该方 案容易产生不必要的信令开销 如静止的U E 单位时间内不需要位置更新 基于运 动的位置更新是有效并且容易在当前网络拓扑结构下执行的方案1 5 6 J 基于运动的位置更新机制的建模和开销分析在文献 5 1 9 1 进行了深入的研究 在 不同参数条件下 考虑位置更新信令开销 寻求最优运动门限值 让位置更新开销最 小 然而以上文献中的基于运动的位置更新在处理乒乓效应比较强的情况时 会产生 不必要的信令开销 在文献 2 1 1 B e a k 和R y u 提出了一种改进的位置更新机制 通 过设定在U E 中存储经过不同小区 当不同小区个数达到运动阈值时 执行位置更新 有效的克服了乒乓效应 然而他们没有没有提出一种有效的数学模型来验证和分析该 方案 本论文将会针对该问题 对改进的基于运动的位置更新机制进行理论建模 分析 该机制位置更新的信令开销 得到信令开销表达式 并在不同参数条件下与原来的机 制比较性能 本论文的研究对网络使用改进的基于运动的位置更新机制具有指导意义 在研究位置管理的寻呼策略过程中 当换到M T C 场景时 M T C 设备也是需要位 置管理的 不过大部分M T C 设备都是处于静止的 静止的设备位置更新显得不是十分 必要 但寻呼仍然是通信的必要过程 学者研究发现寻呼还有过载控制的作用 但传 统的寻呼过程针对大量的M T C 设备将产生过多的寻呼信令 因此提出了组寻呼机制来 解决这一问题 在研究组寻呼问题前 我们先了解一些M T C 的相关研究 通过在标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 T R3 7 8 6 8 R A NI m p r o v e m e n t sf o rM a c h i n e t y p eC o m m u n i c a t i o n s 中 M T C 应用的无 线网络优化被确认为首要研究工作重点 并确认了以下几种解决随机接入过载的无线 侧候选方案 主要可归纳为以下六类 1 接入类禁止 即将M 2 M 终端划分为不同的 类 通过限制特定的M 2 M 类的接入来避免无线接入网的过载 2 单独的随机接入信 道资源 即专门为M T C 和H 2 H 设备单独分配随机接入信道资源 以实现不同的接入 碰撞概率3 动态分配随机接入信道资源 即根据实时的M 2 M 接入负荷动态地分配接 入信道资源以降低接入M 2 M 终端的碰撞概率 4 M 2 M 专用退避机制 即采用M 2 M 专用的退避机制延迟部分M 2 M 终端的接入尝试 5 时隙化接入 即每个M 2 M 终端 仅在预分配的接入时隙接入 6 基于P u l l 的接入机制 即由M 2 M 服务器而非M 2 M 终端触发通信弘6 文献 2 9 主要是对M 2 M 国内外标准进展进行总结 提到了关于M T C 的相关标准 如文献 2 6 2 8 等重要标准 文献 3 2 3 3 主要是对M 2 M 业务的优化技术进行研究 总结 了一些标准中的随机接入过载控制方案 然而以上文献却很少有关于物联网建模方面 的内容 而且国内外现在关于物联网建模的主要是对流量进行建模 文献 3 0 对M 2 M 服务的流量模型进行了介绍 主要分为会话层建模和数据包层建 模 并提议上面的流量模型作为机器类型R A N 提高分析和仿真的基础 J i a nX i n 和Z e n g x i a o p i n g 等人在文献 3 1 中提出当M T C 设备大量的接入时 在建立模型时已经不适合 用泊松分布 而应该采取B e t a 分布来描述M T C 设备的到达时间间隔 并分析文献 2 6 中的两种流量模型 指出均匀分布适合非同步的方式 而B e t a 分布适合高速同步的方 式 均匀分布是B e t a 分布的一个特殊形式 当运用B e t a M 1 模型对网络建模时 B e t a 分布的M T C 的逗留时间和等待时间都会比均匀分布和泊松分布的更长 网络的性能会 突然下降 文献 3 4 基于串联排队网络理论 将同时承载M 2 M 业务和H 2 H H u m a nt o h u m a n 业务的通信网络建模为离散时间会话级串联排队网络 在生成函数域把网络对 M 2 M 业务的服务映射到对H 2 H 业务的服务时间分布中 得到了实际服务过程的等效 表达式 解决了混合业务到达 异构服务给串联排队网络的离去过程分析带来的求解 困难的问题 求解串联排队系统 得到了M 2 M 业务到达率 服务速率与H 2 H 业务端 到端性能指标的关系 文献 3 5 3 7 对L T E 的随机接入过程进行了详细研究 文献 3 8 4 1 对M T C 设备采 用基于竞争的随机接入过程的接入能力进行了深入研究 文献 4 2 对M T C 采用不同的 优先级接入方式等进行了仿真分析 文献 4 4 中主要是对M 2 M 服务的随机接入方法进 行建模 对M 2 M 和H 2 H 设备单独的分配随机接入资源和混合的分配随机接入资源两 种情况的吞吐量进行了比较 得出混合的分配随机接入资源比单独分配时更优 M i n g Y u a nC h e n g 和G u a n Y uL i n 等人在文献 4 5 中对L T E A 系统中M T C 的R A N 和 C N 侧的过载问题进行了总结 在R A N 层的过载解决方案主要分为基于P u s h 的方法和 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 基于p u l l 的方法 而核心网络层的过载解决机制是提供扩展的接入类禁止机制 扩展 的等待时间和时延容忍指示器等方法 最后他们对P R A C H 的资源利用率 碰撞概率 接入成功概率等进行了仿真 并在不同方法下H 2 H 的平均接入成功率和时延进行了仿 真分析 文献 4 6 4 7 对基于p u l l 的过载控制方案和基于p u s h 的过载控制方案进行了 详细的介绍和性能比较 并得出基于p u s h 的方法应该多应用于时延敏感的应用 而基 于p u l l 的方法应该多应用于时延不敏感的M T C 应用来减少R A C H 密度变化 二种方 法是相补的 应共同使用 组寻呼的相关文献主要集中在3 G P PR A N 2 的相关文献中 文献 4 6 4 8 对组寻呼的 概念 如何工作 如何提高组寻呼性能和组寻呼仿真等进行了介绍 其中 5 0 通过仿真 得到了大量设备接入网络时的成功接入概率 平均时延 前导平均传输次数等性能参 数 R a y G u a n gc h e n g 和C h i a H u a n gW e i 等人对M T C 随机接入进行了深入的研究 文 献 5 2 中 他们总结了T R3 7 8 6 8 中两种碰撞概率的定义 从M T C 设备和随机接入机 会 R A O 两种不同角度入手 给出了这两种碰撞概率定义的差异 为大家研究无线 网络过载控制机制碰撞概率时有更清楚的认识 而文献 5 3 1 q b 他们提出了一种关于有 限用户 多信道时隙A L O H A 系统的一次时隙随机接入的建模方法 并近似评估该模 型下的成功接入和冲突接入用户数目 并提到该方法可以应用到M T C 组寻呼的性能评 估 因此 他们更进一步在文献 5 4 中 对M T C 在L T E 系统中的组寻呼 G r o u p P a g i n g 进行了详细的性能分析 组寻呼是解决R A N 过载问题的有效机制之一 是基于p u l l 的接入机制的典型方法 目前国内外M T C 技术研究工作都在持续展开 现在关于M T C 技术的随机接入过 载控制方案中的组寻呼方案的研究成果仍较有限 随着大规模的M T C 设备进入无线网 络 必然会带来无线网络拥塞 如何减小网络拥塞成为M T C 技术的首要解决问题 针 对M T C 现有的随机接入过载控制方案 研究其性能是评估该过载控制方案的最直接方 式 是为寻求更优的过载控制方案提供了条件 本论文的主要任务也就是如何对M T C 随机接入过载控制方案进行建模和性能评估 我们重点选择了组寻呼方案作为本论文 的主要研究对象 对该方案建模并分析其性能 并提出一种改进的组寻呼的接入策略 通过比较和已有的组寻呼方案二者的性能 分析该方案的优点和缺点 本论文的课题就是针对这样的研究现状 展开对M T C 组寻呼接入策略和位置管理 的研究 1 3 论文主要研究内容和结构安排 我们在总结当前基于运动的位置更新机制的研究成果时 发现传统的基于运动的位 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 置更新机制更新机制在处理乒乓效应严重的移动性过程 会带来不必要的信令开销 同时在总结当前M T C 中的过载控制机制的成果 我们发现在组寻呼接入策略中有 一个缺陷 即在当寻呼的设备数量比较大时 组寻呼的接入性能下降 导致网络负载 严重 在发现上述问题后如何提出一种有效的方案和模型来分析并解决发现的问题是本 论文的主要任务 以下是本文的内容和结构安排 第一章 首先介绍了M T C 组寻呼接入策略和位置管理研究背景 分别总结了当前 位置更新研究成果和M T C 相关研究成果的现状 提出我们需要解决问题的研究思路和 方法 及预期达到的效果 第二章 首先介绍了几种随机过程 为本文建模提供所需数学理论 然后详细分析 了几种位置更新机制 最后分析了M T C 组寻呼随机接入信道建模的理论方法 为后文 做了良好铺垫 第三章 我们针对传统的基于运动的位置更新机制 不能很好处理乒乓效应 通过 研究发现文献提出一种改进的基于运动的更新机制可以很好处理该问题 然而这里没 有数学模型来分析该机制 在本章中 我们提出一种数学模型来作为U E 的移动性模 型 并通过计算各种事件的概率求出U E 在I M B L U 机制中执行位置更新的概率表达式 最后求得位置管理在I M B L U 机制下的总开销 并和O M B L U 机制下位置管理的总开 销进行比较 得出I M B L U 机制比O M B L U 机制更优的结果 第四章 我们提出将基于提前退避的随机接入机制代替原有的随机接入过程应用到 组寻呼过程中 希望以此来提高组寻呼的接入性能 起到更好的过载控制作用 我们 通过提出一种分析模型 该模型描述了组寻呼基于提前退避策略的过程 通过分析并 推导得到组寻呼基于提前退避策略的性能表达式 并详细分析了在不同参数下的性能 结果 最后 为结论和展望部分 我们将会对本文所做工作进行总结 并对该领域研究新 方向提出展望 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章M T C 组寻呼和位置更新基础研究 本章将对M T C 组寻呼接入策略和位置更新所要用的数学理论和基本方案进行介 绍 为读者能更好的理解第三章和第四章的理论分析做良好的铺垫 2 1 随机过程理论研究 本小节将对随机过程理论进行研究 随机过程的应用非常广泛 可以用于分析现实 生活中的很多问题 如移动性管理策略建模 6 1 1 本文中建模时要用到的数学理论主要 是从随机过程中提炼出来的 下面对几种随机过程进行简单介绍 2 1 1 泊松过程 定义一个计数过程 f 0 若满足条件如下 1 0 0 2 具有增量平稳性和独立增量性 3 在足够小时问 f 内 有P N A t 1 A A t D 出 4 P N A t 2 o A t 则称为强度为五的泊松过程 在移动通信网络中 移动台的呼叫过程和M T C 设备的接入过程可以看成一个泊松 过程 2 1 2 更新过程 定义设 f r 0 是一计数过程 瓦 n 1 表示第玎个事件发生的时f q I 1 隔 且 每次事件发生间隔是一独立同分布随机过程 即有 1 五 f 石 正 o 巧 l 其中 表示第胛个事件发生时刻 且满足条件 O 2 1 2 即有 O 行 0 1 r 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 则称 t 丁 是一更新过程 在移动通信系统中 电话呼叫达到过程 用户移动性跨越小区边界和位置更新的计 数过程都可以看成是更新过程 2 1 3 马尔科夫过程 定义设 X f t 0 叫 是一个随机过程 如果对任意的刀 0 t 0 O n 2 3 鸩k J 全P r I X m 尼 l 2 门一1 3 m 2 玎一1 s t X m k l X o20 j 其中k 0 玎 2 3 瑞 J 删 表示从状态0 经过玎步后第一次进入状态 并通过状态七一1 k 1 而不通过状态k 的概率 该概率的表达式可由下面的等式得出 瑞 粥 一础 k o o a n d 玎 2 3 3 9 粥k 稿 厂础 七 o pO a n d 2 3 3 1 0 用力 玎 1 2 表示从马尔科夫链中运动玎步 运动计数器达到运动门限值d 的概率 其中d 为不同小区个数 可以得到公式 件怯二未汝 3 1 1 f0 d 2 力 2 门 d 3 1 2 所一1 瑞d 僻 粥h 一d 鹤k 卜川 d 门兆 V 7 63 q L 邪 n 玎 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 3I M B L U 的信令开销 3 3 1I M B L U 策略的位置更新次数 如图3 3 所示 该图描述了U E 在连续的两个呼叫到达时间间隔r 内跨越小区边界 的时间图 假设当前一个呼叫到达时 U E 驻留在小区1 然后U E 跨越k 个小区后进 入第k 1 个小区时下一次呼叫到达 其中k 0 1 用f 表示U E 在小区 的驻留时间 其中 1 2 用 表示在小区1 中前一次呼叫到达直到U E 运动出小区1 的时间 们仁 一 一罩 1 1 一 l 卜 I I II 1 L l L 图3 3 两次呼叫时间间隔内小区跨越边界的时间图 在这里我们考虑无线通信网络是同构的 所以小区的结构在网络中都是相同的 在 相同的移动性条件下 小区驻留时间r 1 r 2 是独立同分布的 i d e n p e n d e n ta n d i d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i i d 假设 服从一个速率为兄的指数分布 呼叫到达过程服从泊 松分布 用厂 f 和Z f 分别表示0 和 的密度函数 同时让0 的期望值E 0 l l 用g s 表示函数g t 的拉普拉斯变换 表示如下 g s 全f 删P 一盯础 由留数定理例可以得到公式 f s 坐丑盟 3 1 3 J 用 表示两次连续呼叫时间间隔乞时间内跨越的小区数目 由图3 3 可知 P r c c l l k P r r j f 2 t k t c r j P r t t 2 P r 气 P r o 3 2 2 S 十彬 在图3 4 中给出在不同运动门限值条件下 U E 在采用I M B L U 机制和O M B L U 机 制位置管理的信令开销 其中分别设P 0 5 7 1 五 1 2 0 0 0 1 1 0 0 瓯u 1 0 名 咖 5 从图中我们可以知道当d 1 时 I M B L U 机制和O M B L U 机制的位置管理 策略开销是相同的 其他的阈值d 时 I M B L U 机制都比O M B L U 机制产生的信令开销 更少 t o t a lc o s ti nd i f f e r e n ts c h e m e s 图3 4 两种不同机制下的位置管理开销 图3 5 将给出乒乓效应比较小时 I M B L U 机制和O M B L U 机制的信令开销比较图 我们设U E 向右移动的概率q 0 0 5 向左运动的概率为P 0 9 5 y 1 旯 1 2 0 0 0 ou c Ema c E co oo 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 t 1 1 0 0 盈u 1 0 讳 帆 5 由参数中的P 和q 的设置可知 该种情