【摘要】：隨著互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起,具有接入網(wǎng)絡(luò)功能的機(jī)器類設(shè)備與日俱增。在少有甚至沒有人為干預(yù)條件下,機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)通信是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。在3GPP中,M2M通信又稱為機(jī)器類通信(MTC),以蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸為主。因?yàn)閭鹘y(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要根據(jù)人對(duì)人(H2H)通信的特性而設(shè)計(jì),所以為了滿足M2M業(yè)務(wù)需求,3GPP對(duì)蜂窩系統(tǒng)進(jìn)行演進(jìn),蜂窩網(wǎng)絡(luò)的M2M通信技術(shù)隨之應(yīng)運(yùn)而生。因此本文針對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LTE-M通信接入技術(shù)進(jìn)行深入研究,對(duì)海量設(shè)備的通信負(fù)載控制和能效優(yōu)化,使網(wǎng)絡(luò)能滿足適配M2M的業(yè)務(wù)且具有流量小、連接數(shù)量大等指標(biāo),對(duì)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。本文首先對(duì)LTE-M的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議進(jìn)行研究。由于海量設(shè)備接入造成的蜂窩網(wǎng)絡(luò)擁塞,而隨機(jī)接入網(wǎng)(RAN)中的隨機(jī)接入是產(chǎn)生擁塞問(wèn)題的關(guān)鍵過(guò)程。因此本文首先對(duì)LTE-M的隨機(jī)接入過(guò)程進(jìn)行闡述與分析,隨后建立一個(gè)完整的LTE-M隨機(jī)接入分析模型�？紤]到周期上報(bào)和異常警報(bào)MTC業(yè)務(wù)場(chǎng)景,在所建立的分析模型上對(duì)兩種MTC設(shè)備接入流量模型進(jìn)行仿真評(píng)估系統(tǒng)性能,包括設(shè)備接入的碰撞概率、成功率、平均接入時(shí)延以及重傳次數(shù)統(tǒng)計(jì),并驗(yàn)證了分析模型的正確性。其次本文討論了蜂窩網(wǎng)絡(luò)M2M通信面臨的首要問(wèn)題,即當(dāng)海量MTC設(shè)備發(fā)起隨機(jī)接入請(qǐng)求時(shí),隨機(jī)接入網(wǎng)的擁塞問(wèn)題嚴(yán)重影響了 MTC設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的成功率。為了對(duì)LTE-M隨機(jī)接入進(jìn)行負(fù)載控制,討論分析了目前各類擁塞控制算法的優(yōu)缺點(diǎn),如3GPP中時(shí)隙ALOHA,特定時(shí)隙退避、特定時(shí)隙接入和動(dòng)態(tài)RACH資源分配等算法;隨后,提出了一種基于統(tǒng)計(jì)-等待的隨機(jī)接入負(fù)載控制算法,在所建立LTE-M系統(tǒng)的隨機(jī)接入數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,對(duì)所提算法及三種典型算法進(jìn)行仿真,結(jié)果表明所提算法比現(xiàn)有的算法對(duì)接入成功率有更優(yōu)的提升。最后本文還研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)M2M通信面臨的另一個(gè)問(wèn)題,即隨著MTC設(shè)備的快速增長(zhǎng),蜂窩網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備能量消耗隨之增加,同時(shí)每個(gè)設(shè)備的能量供應(yīng)有限,另一方面MTC應(yīng)用小數(shù)據(jù)量特性使得單次接入的信令交互數(shù)據(jù)量超過(guò)所傳數(shù)據(jù)量大小,因此蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能量效率變得越來(lái)越重要。本文在所建立的隨機(jī)接入數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上結(jié)合LTE中無(wú)線資源RB建立一個(gè)系統(tǒng)模型,包括業(yè)務(wù)模型、信道鏈路模型以及能效模型;隨后,基于協(xié)作中繼思想,對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)中的聚類算法進(jìn)行改進(jìn),提出一種自適應(yīng)分簇的高能效算法,并搭建仿真平臺(tái)對(duì)所提算法進(jìn)行系統(tǒng)性能的仿真分析和對(duì)比,仿真結(jié)果表明,所提算法能夠顯著地提高系統(tǒng)能效和吞吐量。今后進(jìn)一步研究工作可以針對(duì)未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的小數(shù)據(jù)特性,考慮將數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程結(jié)合到接入過(guò)程中,簡(jiǎn)化MTC設(shè)備上傳數(shù)據(jù)流程,以此大幅度提高系統(tǒng)的接入容量。針對(duì)能效方面,考慮簇內(nèi)通信采用的技術(shù)對(duì)系統(tǒng)能效的影響進(jìn)行深入研究。
【圖文】：

圖１－丨ＬＴＥ－Ｍ網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)＂９｜逡逑１．２．１．１邋ＬＴＥ－Ｍ網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逡逑ＥＸＡＬＴＥＤ所提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在ＬＴＥ蜂窩網(wǎng)絡(luò)中集成了邋ＬＴＥ－Ｍ，如圖１－１逡逑所示。在這種架構(gòu)下，ＬＴＥ手機(jī)和ＬＴＥ－Ｍ設(shè)備通過(guò)相同的ＬＴＥ／ＬＴＥ－Ｍ網(wǎng)絡(luò)進(jìn)逡逑行通信。每個(gè)ＭＴＣ設(shè)備既可以作為獨(dú)立設(shè)備與其他設(shè)備進(jìn)行通信，通過(guò)ＬＴＥ－Ｍ逡逑網(wǎng)絡(luò)直接連接到應(yīng)用服務(wù)器，也ｎｊ？以與其他相同類型的ＭＴＣ設(shè)備形成局域網(wǎng)絡(luò)，逡逑通過(guò)Ｍ２Ｍ網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接，且Ｍ２Ｍ網(wǎng)關(guān)與苒他ＭＴＣ設(shè)備仃若相同的應(yīng)用逡逑和功能。Ｍ２Ｍ網(wǎng)關(guān)被認(rèn)為是這個(gè)架構(gòu)中最重要的組成部分，其在迎過(guò)特定的逡逑ＬＴＥ－Ｍ接口向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送消息之前，執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)聚合。在保持使逡逑用與用于ＬＴＥ網(wǎng)絡(luò)相同的ＥＰＣ的同時(shí)，ＬＴＥ－Ｍ基站（又稱ＬＴＥ－Ｍ邋ｅＮｏｄｅＢ）提逡逑供對(duì)ＬＴＥ－Ｍ設(shè)備和Ｍ２Ｍ網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接入。并非所有機(jī)器類型的設(shè)備都支持逡逑ＬＴＥ－Ｍ技術(shù)

邐／逡逑圖１－２邋ＬＴＥ協(xié)議棧逡逑如圖１－２所示，ＬＴＥ協(xié)議棧由五部分饑成，其中較低層的四部分表示０Ｓ丨逡逑模型的數(shù)據(jù)鏈路層（Ｌ２）和物理層（Ｌ１邋）。其中無(wú)線資源控制（ＲＲＣ，Ｒａｄｉｏ邋Ｒｅｓｏｕｒｃｅ逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ）層處理ＵＥ與無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)之間的Ｌ３的控制平面信令；分組數(shù)據(jù)匯聚逡逑協(xié)議（ＰＤＣＰ，Ｐａｃｋｅｔ邋Ｄａｔａ邋Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ邋Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）層對(duì)數(shù)據(jù)加密的控制，丨Ｐ報(bào)頭逡逑壓縮以及用戶平面或控制平面數(shù)據(jù)的傳輸？，無(wú)線鏈路控制（ＲＬＣ，邋Ｒａｄｉｏ邋Ｌｉｎｋ逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ，）層處理ＲＬＣ服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ＳＤＵｓ，Ｓｅｒｖｉｃｅ邋Ｄａｔａ邋Ｕｎｉｔｓ）的分組級(jí)聯(lián)，逡逑分段和重組，以及在確認(rèn)模式（ＡＭ，Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅ邋Ｍｏｄｅ）中，，ＲＬＣ協(xié)議數(shù)據(jù)單逡逑元（ＰＤＵｓ，Ｐｒｏｔｏｃｏｌ邋Ｄａｔａ邋ｕｎｉｔｓ）的重新分段。它還負(fù)責(zé)通過(guò)自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（ＡＲＱ，逡逑Ａｕｔｏｍａｔｉｃ邋Ｒｅｐｅａｔ邋Ｒｅｑｕｅｓｔ）進(jìn)行的重傳和糾錯(cuò)？，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的媒介接入控制（ＭＡＣ，逡逑Ｍｅｄｉｕｍ邋Ａｃｃｅｓｓ邋Ｃｏｎｔｒｏｌ）層負(fù)責(zé)調(diào)度數(shù)據(jù)包并設(shè)置適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)
【學(xué)位授予單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 常雙;;M2M技術(shù)應(yīng)用研究[J];科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng);2014年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 劉林翔;蜂窩系統(tǒng)M2M通信隨機(jī)接入技術(shù)研究[D];東南大學(xué);2015年

2 陳晨;無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中M2M通信大容量接入研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2597619