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⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 1(2015)97www.elsevier.com/locate/icte一种新的基于根索引的5G蜂窝网络Taehoon Kim,Han Seung Jang,Dan KeunSung大韩民国大田KAIST电气工程学院接收日期:2015年8月31日;接受日期:2015年2015年12月2日在线发布摘要蜂窝网络将在实现新兴的万物互联(IoE)方面发挥重要作用。具有挑战性的问题之一是在接入阶段支持服务质量(QoS),同时容纳大量的机器节点。在本文中,我们展示了一个新的范例的多个接入优先级的随机接入(RA)过程中,并提出了一种新的根索引为基础的优先随机接入(RIPRA)计划,隐式地嵌入在根索引的RA优先级。性能评估结果表明,所提出的RIPRA方案可以成功地支持不同的访问优先级的差异化性能,即使存在大量的机器节点。2015年,韩国通信信息科学研究所。制作和托管由Elsevier B.V.这是一个开放获取的文章根据CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/)。关键词:万物互联; M2M;随机接入;1. 介绍万物互联(IoE)是一个新兴的概念,它意味着包括人、机器、过程和数据在内的一切都通过网络连接。 由于巨大的市场潜力和广泛的应用随着智能计量、紧急报警、监控和安全以及电子健康等机器对机器(M2M)通信的发展,许多研究已经将M2M通信作为在蜂窝网络中实现IoE的基本要素之一进行了调查[1,2]。在蜂窝网络中,随机接入(RA)用于将用户设备(UE)与eN-odeB连接和同步[3]。由于蜂窝网络中的RA过程使用时隙ALOHA协议的变体[4],因此随着竞争UE的数量增加,冲突概率可能显著增加。*通讯作者。电子邮件地址:thkimm@kaist.ac.kr(T. Kim),jhans@kaist.ac.kr(H.S.Jang),dksung@kaist.ac.kr(D.K.Sung)。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。这项工作得到了韩国政府(MSIP)的支持,韩国国家研究基金会(NRF)资助2014R1A2A2A01005192。本文是由Jungwoo Lee教授、Sumei Sun博士、Huaping Liu教授、Seong-Lyun Kim教授和Wan Choi教授客座编辑的题为“Next Generation(5G/6G)Mobile Communications”的特刊的一部分增加已经有许多关于有效的RA方案的研究,以减轻RA过程中的冲突问题[5利用这些方案,网络可以在接入阶段期间以低冲突概率容纳更多的UE;然而,仍然存在固有的缺点,即它们在接入时段期间可能不适当地支持多个优先级在蜂窝M2M通信的概念出现之前,由于只有相对少量的UE用于人对人(H2H)通信,因此即使RA协议不能保证可靠的接入延迟,也不需要花费太多时间来接入网络因此,蜂窝网络在接入阶段完成之后考虑QoS(即,RA过程),这似乎是一个合理的方法来支持QoS。然而,这种方法应该针对未来的蜂窝网络进行增强,因为大多数UE在容纳用于M2M通信的大量机器节点时可能难以接入网络,并且因此可能难以支持所需的QoS。因此,将需要一种新的范例,其中未来的蜂窝网络应该从接入阶段而不是在接入阶段之后处理QoS。换句话说,未来的蜂窝网络应该能够支持RA方案)。使用访问优先级的概念,我们可以支持http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2015.10.0032405-9595/c2015韩国通信信息科学研究所。制作和托管由爱思唯尔B. V.这是一个开放获取的文章下,CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons。org/licenses/by-nc-nd/4. 0/)。98T. Kim等人/ICT Express 1(2015)97PA(d)PA[]=[+]·]·∈{−个文件夹k=1根根根(n=0[ ]在滞后σ处,PAPA,要求为第k个接入优先级分配的RA许可数n=0)(=0⌋根k=1根根PANZC/NCS(d))可由下式生成:在一个单元格中使用根索引的BER,不值得道具根PA根从接入阶段为各种服务应用提供不同的QoS。据我们所知,一些研究已经处理了蜂窝网络中的接入优先级[8,9]。这些研究的关键思想是在接入阶段期间另外利用功率域以及时频域。然而,由于UE和机器节点处的功率放大器的限制,在推广这些方案以支持多个接入优先级方面存在一些限制,并且RA性能可能由于无线信道中的不确定性而降级。在本文中,我们展示了一个新的范例,多个接入优先级的RA过程中,每个RA前导应该能够表明自己的接入优先级在RA过程中。我们提出了一种新的根索引为基础的优先随机接入(RIPRA)计划,隐式地嵌入在根索引的RA优先级。 性能评估结果表明,所提出的RIPRA方案可以成功地支持不同的访问优先级的差异化性能,即使存在大量的机器节点。2. 常规随机接入方案传统的RA方案包括四个步骤[3]。在第一步中,每个节点随机生成一个前导签名,并在物理随机接入上发送它信道(PRACH)。A Zadoff–Chu (ZC) sequence isexp[−jπ·r·n·(n+1)/NZC],其中n = 0,. . . ,NZC−1,其中在第二步骤中,如果已经正确地接收到前导码,则eNodeB通过物理下行链路控制信道(PDCCH)发送RA响应 ( RAR ) 消 息 。 RAR 消 息 包 括 RA 前 导 标 识 符(RAPID)、定时对准(TA)、上行链路授权(UG)和小区无线电网络临时标识符(C-RNTI)。在第三步骤中,节点在物理上行链路共享信道(PUSCH)上发送调度 的 消息 。 一 旦 发送 了 消 息 ,节 点 就 启动 竞 争 解 决(CR)定时器,用于确定前同步码的先前传输的冲突。在第四步,eNodeB通过物理下行共享信道(PDSCH)回显节点的标识。如果节点在CR定时器内没有接收到任何消息,则它将RA视为失败,并且在执行退避机制之后重试RA否则,它认为RA是成功的。3. 建议的随机接入方案我们提出了一种新的根索引为基础的优先随机接入(RIPRA)计划,隐式地嵌入在根索引的RA优先级。原则上,所提出的RIPRA方案不仅支持接入优先级,而且允许一些接入优先级等级遵循不同的接入过程,例如,在RA过程期间直接支持无连接数据传输1然而,在这里,我们主要关注所提出的RIPRA方案的接入优先级机制,其目标是在支持接入优先级的同时与eNodeB连接在所提出的RIPRA方案中,eNodeB可以支持r∈ {1,. . .,NZC-1}是根索引,NZC是对K个接入优先级的依赖,如果满足序列长度[10]。ZC序列是一个常数fies,其中NkD)表示根索引的数目,如下所示:幅度零自相关(CAZAC)序列,其标记为第k主要表现出以下两个属性:一是自动化,依赖于小区半径d。注意,Nk(d)可能不同于两个相同ZC序列之间的相关特性Nl(d),其中k=l,由于Nk根 由consid决定,根索引r,其产生δ函数,即, |c rr[σ]|为根K输入NPA,请求根(d),这是所需的RA许可证数量NZC−1zr[n]zr=NZC·δ[σ],其中crr[σ]是为了满足第k个接入优先级的目标冲突概率水平。如果Nroot(d) Nk,则应该有(·)π表示复共轭。另一个是,该杂志-被分配到第k个接入优先级,直到Nk(d)≥任意两个ZC序列之间的互相关的次数Nk满足,其中Nk(d)(=Nroot(d)·Nk(d)是具有不同的根索引r和s,是恒定的,即,|为|=PA,要求PA PA根<$$>NZ C−1 zr[n]zs<$[n+σ]<$$>=<$NZ C,r<$=s。原则上lev el. Nprop(d,K )(,NN k(d))表示总数量。具有给定根索引的单个ZC序列,其中NCS(d)是循环移位的大小,其高度依赖于小区半径d。换句话说,可以通过循环移位NCS(d)的整数倍从单个ZC序列生成多个RA码。例如,移位i的序列NCS(d),其中i0,. . .,NZC/NCS(d)1,可以表示为zr,inzr(n i NCS(d))mod NZC。常规地,在单个小区中存在所需数量的RA可访问性,NPA, req。如果N_root(d) N_PA, req,则eNodeB需要利用更多根索引以便提供N_PA, req。N的根(d, K)依赖于K和d。根据Nprop(d, K),需要优化前导检测阈值,以便在前导检测程序;然而,这超出了本文的范围图1示出了所提出的RIPRA方案的总体过程。eNodeB广播RA参数、接入优先级信息等配置参数。特别是, 的 接入 优先 信息 包括访问优先级总数、根索引集Nconv(d)(,NPA,req/Nroot(d))表示所需的数量。用于生成NPA, req的根索引的BER。最后,值得注意的是,Nconv(d)仅依赖于d。简而言之,在该步骤中,每个节点在N个PA请求中随机选择一个RA前导。使用无连接数据传输,每个节点可以在RA过程期间发送小分组(在步骤3中)。为了支持该模式,eNodeB应当向对应的接入模式分配多个根索引。zr n的离散循环自相关函数NT. Kim等人/ICT Express 1(2015)9799我我我根PA我我根Tk Tk+ Tk(1)()·(1−(pcol))1 2N根(d)·Fig. 1. RIPRA方案的流程。对应于每个访问优先级的在第一步骤中,基于广播映射表,每个节点根据其应用确定其接入优先级。如果访问优先级被确定为k,则节点随机地在rk={r k,r k,. . .,r kk}的情况下,其中,rk表示分配给第k个访问优先级的一组根索引,并且通过从所选择的根索引循环移位ZC序列来如果节点分别选择r_k和j作为ZC序列的根索引和循环移位的整数倍,则所生成的前导签名可以表示为zrk[(n + j·NCS(d))mod NZC],其中n = 0,. . . ,NZC−1,其中因为使用了多个根索引,所以具有相同的前导标识符。为了区分这些RAR消息,我们需要如下修改RAR消息格式:即使前导码标识符相同,由于根索引可能不同,RAR消息格 式 应 重 新 配 置 为 包 含 RA 根 索 引 ( RARID ) 以 及RAPID、TA、UG和C-RNTI。在第三步骤中,节点在PUSCH上发送调度的消息2一旦消息被发送,节点启动CR定时器以确定是否发生冲突。当两个或更多个节点在第一步骤中选择具有相同根索引的相同前导码时,它们在该步骤中利用相同的上行链路资源,这导致冲突。在第四步骤中,eNodeB在PDSCH上确认在第三步骤中成功发送其消息的节点的标识符。如果节点在CR定时器内没有接收到任何消息,则它将RA视为失败,并且在执行退避过程之后重新尝试RA。否则,它认为RA是成功的。34. 绩效评价4.1. 数值分析如果两个或更多个节点在相同的RA时隙中发送具有相同根索引的相同前导码,则它们接收相同的RAR消息,并且因此它们利用相同的上行链路资源来发送调度的消息,这最终导致冲突。冲突概率被定义为两个或更多个节点在相同RA时隙中选择具有相同根索引的相同前导码的概率具有第k接入优先级的RA尝试的冲突概率可以被导出为[6]:j∈ {0,. . . ,<$NZC/NCS(d)<$− 1}。1pNPA在第二步骤中,eNodeB检测哪些优先级被发送。传来 在检测期间,eNodeB应当利用Nprop(d, K)根指数。例如,通过使用所有引用根据图1中的根索引中的每个根索引生成的ZC序列KCol=1−expWln1−k·λk·Nk·TPRACH、(一)设置r,k,eNodeB可以检测指示第k个接入优先级。特别地,当eNodeB检测到如果在第j个前导码检测区域中存在任何峰值,则认为节点已经执行了具有zrk,j[n]的RA过程,以指示其第k个接入优先级。eNodeB不发送任何RAR消息,直到完成所有检测过程。在检测到具有N个prop(d, K)根索引的前导签名之后,eNodeB根据接入优先级对检测到的前导签名进行此后,其中W()表示Lambert W函数,并且Nk,λk,Nk和TPRACH表示所分配的比特数到第k接入优先级、具有第k接入优先级的RA的到达速率、尝试具有第k接入优先级的RA的节点的数目以及PRACH的周期。此外,接入延迟可以被定义为从新分组生成到RA过程成功完成的持续时间。具有第k个接入优先级的RA尝试的平均接入延迟Tk可以如下导出eNodeB按照从阿姆斯壮k l−1Kl检测到的具有最低接入优先级的序列,并在PDCCH上发送它们基于这个命令-QRAl=1因此,在具有更高接入优先级级别的检测到的优先级的RAR消息可能被提前服务,即使在后续步骤中没有足够的下行链路资源用于发送RAR消息和上行链路注意,可能存在多个RAR消息,包括2 可以发送无线电资源控制(RRC)连接请求消息或调度请求(SR)消息。特别是对于无连接的数据传输,可以通过该步骤传递实际数据。3 对于无连接数据传输,在接收到对应的在步骤4中,每个节点终止其RA。此外,可以修改用于无连接数据传输模式的确认的格式检测到的具有最高访问优先级的优先级,·、(二)100T. Kim等人/ICT Express 1(2015)97根PA ∀PAPA表1系统参数和值。参数值小区半径(d)0.7(km)NZC,NCS(d = 0. (7)839,13UE的数量(N个UE)100机器节点数(NM)0~ 50, 000UE的RA到达率(λUE)1/300(s-1)机器节点的RA到达率(λM)1/60(s−1)访问优先级的数量(K)3根索引的数目(Nk、克罗地亚)1可用的优先级的数量(Nk,k)64前导码传输的最大数量(maxTx)10PRACH周期(TPRACH)10(ms)后退指示器(W)20(ms)RA响应窗口5(ms)争用解决定时器48(ms)k k图2。 机器节点总数与冲突概率,当NUE=其中,TQ、TRA和maxTx表示平均排队延迟,即尝试或重试RA过程所需的时间分别考虑退避过程和前导码传输的最大数量4.2. 数值结果100,λUE=1/ 60( s−1),λM=1/ 300( s−1)和Nk=64,k。表1列出了基于[3]的系统参数我们假设节点的位置服从均匀分布,RA到达间隔时间服从指数分布。在10 ms的无线电帧内,分配的RA时隙的数量是1 ms的一个子帧。此外,我们假设在前导检测期间没有误检测和假警报。我们考虑用于H2H通信的一组UE和用于M2M通信的两组机器节点:具有高优先级的一组机器节点和具有低优先级的一组我们假设第一、第二和第三接入优先级分别对应于一组UE、一组具有高优先级的机器节点和一组具有低优先级的机器节点。我们主要观察机器节点对UE和机器节点本身的性能的影响图图2示出了改变单元中的机器节点的数量NM的冲突概率。对于传统的RA方案,随着NM增加,UE和机器节点的冲突概率增加,并且它们彼此相同。由于UE和机器节点都利用从相同的根索引生成的RA冲突,因此随着NM的增加,它们具有最高的冲突概率,而不管节点的类型是UE还是机器节点。另一方面,利用所提出的RIPRA方案,即使NM增加,由于具有不同根索引的ZC序列的良好互相关特性,UE的冲突概率也不受机器节点的影响(在图中,UE的冲突概率被描绘为恒定线,因为它是恒定的,而与NM无关)。图3示出了对于变化的NM的平均接入延迟。在传统的RA方案中,随着NM的增加,UE和机器节点同时的平均接入延迟图三. 机器节点总数与平均接入延迟,当NUE =100,λUE=1/60(s−1),λM=1/300(s−1)和Nk=64,k。由于大量机器节点的影响,由于UE和机器节点都利用从相同根索引生成的RA然而,与建议的RA方案,我们可以观察到不同的接入优先级的平均接入延迟性能作为NM增加。5. 结论在本文中,我们展示了一个新的范例的多个接入优先级的RA过程中,每个RA前导表明其接入优先级在RA过程中。我们提出了一种新的基于根索引的优先级随机接入(RIPRA)方案,隐式地嵌入在根索引的RA序列。性能评估结果表明,所提出的RIPRA方案可以成功地支持不同的访问优先级的差异化性能,即使存在大量的机器节点。T. Kim等人/ICT Express 1(2015)97101引用[1] 机器类型通信的服务要求,3GPP TS 22.368 V10.1.0,2010年6月。[2] 用于机器类型通信的RAN改进,3GPP TR 37.868 V11.1.0,2011年10月。[3] 演进 通用 陆地 无线 电接 入网 络(E-UTRAN ) ; 媒体 接入 控制(MAC)协议规范,3GPP TS 36.321 V11.2.0,2013年3月。[4] A. 拉亚湖阿隆索,J.阿隆索-萨拉特,是随机接入通道LTE和LTE-A是否适合M2M通信?A survey ofalternatives,IEEE Trans.Commun. 监视器Tuts 16(1)(2014)4[5] K.S. Ko,M.J. 金,肯塔基州Bae,D.K.Sung,J.H.金,J. Y.安…小说在基于OFDMA的系统中用于固定位置机器对机器通信的随机接入,IEEE Commun. Lett. 16(9)(2012)1428-1431。[6] H.S. Jang,S.M. Kim,K.S. Ko,J. Cha,D.K. Sung,Spatial groupbased random access for M2M communications,IEEE Commun. Lett.18(6)(2014)961-964。[7] T. 金 先生Jang,D.K.一 种增强的 随机接入方案利用蜂窝M2M网络中基于空间组的可重用前导码分配,IEEECommun. Lett. 19(10)(2015)1714-1717.[8] T. Kim,K.S.科岛砰,D.K.Sung提出了一种基于随机接入的关于支持紧急报警的特殊序言,见:IEEE WCNC,2014年4月。[9] T. Kim,K.S. Ko,D.K. Sung,Prioritized random access for machine-to- machine communications in OFDMA based systems , in :Proc.IEEE ICC,2015年6月[10] D. Chu,具有良好周期相关特性的多相码,IEEE Trans.Inform。Theory 18(4)(1972)531-532.
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