Построение модели радиоканала случайного доступа с предварительной синхронизацией D2D-устройств

 

Построение МОДЕЛи РАДИОКАНАЛа СЛУЧАЙНОГО ДОСТУПА С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СИНХРОНИЗАЦИей D2D-УСТРОЙСТВ [1]

, ,

Российский университет дружбы народов, *****@***ru, *****@***ru, *****@***com

В докладе рассматривается один из методов контроля за перегрузками при обслуживании трафика межмашинного взаимодействия по радиоканалу случайного доступа.

Ключевые слова: pull-based, push-based, RACH, eNB, схема I-RA, M2M, LTE, трафик межмашинного взаимодействия, контроль за перегрузками.

С учетом активного роста трафика межмашинного взаимодействия, задача оптимального распределения радиоресурсов становится все более актуальной для операторов сетей связи стандарта LTE (Long Term Evolution). В этой связи применение процедуры установления соединения по радиоканалу случайного доступа RACH (Random Access Channel) является одним из возможных решений по улучшению эффективности механизмов обслуживания M2M-устройств (Machine-to-Machine) в беспроводных сетях связи следующего поколения.

Процедура установления сессии начинается с передачи M2M-устройством преамбулы (англ. Msg 1) на базовую станцию LTE через физический радиоканал случайного доступа PRACH (Physical Random Access Channel) [5]. Далее базовая станция eNB (eNodeB) высылает ответное сообщение (англ. Msg 2) типа RAR (Random Access Response) через радиоканал PDCCH (Physical Downlink Control Channel). Следующим шагом M2M-устройство отправляет запрос на передачу данных (англ. Msg 3) посредством радиоканала PUSCH (Physical Uplink Shared Channel). Затем eNB подтверждает соответствующий запрос сообщением (англ. Msg 4). После получения Msg4 M2M-устройством исследуемая процедура установления соединения по радиоканалу случайного доступа считается завершенной [2,3]. После пересылки указанного сигнального сообщения, в зависимости от настройки базовой станции устройство начинает непосредственно передачу данных или происходит последующий обмен сигнальными сообщениями.

Существует две категории контроля, которые управляют перегрузками сетей радиодоступа RAN (Radio Access Network): push-based и pull-based. Метод push-based подробно представлен в [3]. К данному методу относят процедуру запрета вызова ACB (Access Class Baring), Differentiated Services Provision и DRA (Dedicated Resource Allocation). В следующей технологии pull-based каждое M2M-устройство периодически прослушивает широковещательное сообщение. Как только устройство обнаруживает, что широковещательное сообщение включает в себя идентификационный код (ID) устройства, то начинается передача блоков данных на базовую станцию. Считается, что pull-based является централизованным, предварительно синхронизирует устройства в кластеры, в которых определятся главное M2M-устройство для передачи блоков данных на базовую станцию сети LTE.

В [4] предложена схема I-RA (Improved Random Access), которая позволяет улучшить значения основных вероятностно-временных характеристик модели установления соединения по радиоканалу случайного доступа. В этой схеме M2M-устройства делятся на две группы: первую называют D-RA-устройствами (Direct Random Access), а вторую – D2D-RA-устройствами (Device-to-Device Random Access). Первый тип устройств способен посылать запросы на установление соединения по RACH и передавать свои данные непосредственно базовой станции eNB. Устройства из группы D2D-RA посредством технологии D2D (Device-to-Device) способны передавать свои данные главному устройству кластера. Далее передача трафика на базовую станцию осуществляется после обнаружения D2D-RA-устройством своего UID (Unique Identifier) в широковещательном сообщении. Функционирование схемы I-RA разделена на три периода передачи данных и представлена в [4].

Одной из целей исследования является разработка симулятора, который будет настроен на выполнение метода, аналогичного [4]. На рисунке 1 представлена диаграмма последовательности действий схемы I-RA в нотации UML [1], которая описывает упрощенную схему группового обслуживания M2M-устройств по радиоканалу случайного доступа RACH. Устройства, не входящие в кластеры, не учитываются.

Период 1	Период 2
Период 3

(a)

(b)

Рис. 1. (a) Модель установления сессии по радиоканалу случайного доступа c процедурой предварительной синхронизации устройств в группы, (b) схема I-RA

На основании сформированной функциональной схемы был разработан программный комплекс на языке Java, который позволяет моделировать процесс установления соединения по радиоканалу случайного доступа с методом контроля за перегрузками I-RA. Для проведения эксперимента число М2М-устройств взято в диапазоне [0; 10 тыс.], время для синхронизации устройств в группы по технологии D2D принимает значение 30 мс. Pезультаты численного анализа представлены на двух графиках (Рис. 2 a, b) с учетом применения схемы I-RA в сравнении с технологией RACH. На рисунке 2 (a) изображен график, на котором представлены значения среднего времени установления соединения одного устройства с учетом общего их числа. На рисунке 2 (b) показан график общего времени установления соединения в зависимости от роста количества устройств. Не трудно заметить, что кривые, иллюстрирующие работу схемы I-RA, свидетельствуют о преимуществах достижения минимальных задержек на передачу блоков данных.

RACH I-RA (a) (b)

Рис. 2. Зависимость среднего времени передачи данных от роста числа устройств

Основываясь на результатах эксперимента можно заключить предварительные выводы, что применение схемы I-RA позволяет существенно сократить время соединения М2М-устройств с базовой станцией сети в зависимости от значительного роста трафика межмашинного взаимодействия. Таким образом, принцип работы данной схемы достаточно эффективен при любом количестве устройств.

Литература

1.  зык UML. Руководство пользователя / Г. Буч, Д. Рамбо, И. Якобсон. – М: ДМК Пресс, 2006.

2.  Borodakiy V. Y., Samouylov K. E., Gaidamaka Y. V., Abaev P. O., Buturlin I. A., Etezov S. A. Modelling a Random Access Channel with Collisions for M2M Traffic in LTE Networks // Lecture Notes in Computer Science. – 2014. – Vol. 8638. – P. 301–310.

3.  Ming-Yuan Cheng, Guan-Yu Lin, Hung-Yu Wei, Alex Chia-Chun Hsu Overload Control for Machine-Type communications in LTE-Advanced System, 2012.

4.  Tao Deng, Xian Wang Performance Analysis of a Device-to-Device Communication-Based Random Access Scheme for Machine-Type Communications, 2015.

5.  3GPP TR 37.868 – Study on RAN Improvements for Machine-type Communications. (Release 11), 2011.

Modelling a Random Access Channel with the procedure of prior D2D synchronizing for M2M Traffic in LTE Networks

Begishev V. O., Buturlin I. A., Isaev Y. D.

Peoples’ Friendship University of Russia, *****@***ru, *****@***ru, *****@***com

The report addresses the main principles of maintenance of Machine-Type Communications on a Random Access Channel, namely the procedure of establishing connection with Random Access Channel and a method of overload control during the maintenance of Machine-Type Communications on a Random Access Channel.

Кеу words: M2M, Machine-Type Communications, overload control, pull-based, push-based, RACH, eNB, I-RA scheme.

[1] Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-07-03051 а.