机器类通信随机接入的性能概述及优化

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1、机器类通信随机接入的性能概述及优化1绪论1.1课题研究背景及意义随着信息与通信技术的迅猛发展，人类对于信息交流的需求不仅仅局限于人与人之间（HumanToHuman,即传统的H2H通信），将各种设备接入网络实现机器与机器（MachineToMachine,M2M）、机器与人（MachineToHuman,M2H）之间的通信逐渐成为通信网络发展的趋势。物联网正是在这种环境下应运而生的。物联网（Interofthings,IoT）就是使所有的机器都具备联网、通信能力，将所有机器都连接到一张通信网中，实现机器间相互通信的智能化，以方便识别与管理[1]，其核心理念为网络一

2、切（NetunicationUnion,ITU）于2005年发布的年度互联网报告主要针对物联网的相关研究展开，该讯号预示着物联网将会是下一个时代的科技主旋律[2]。根据欧盟委员预测，物联网在未来的5-15年中将在解决现代社会问题方面显示出巨大优势[3]。世界上很多发达国家（如美国、欧盟、日本及韩国等）纷纷投入巨资用于物联网的研发应用，一些主流运营商已经开始提供M2M业务。我国的物联网也处于迅速发展阶段。我国政府对于物联网产业给予高度关注，积极推动物联网的发展。近几年，物联网相关的研究在国家自然科学基金、863和973等国家重点支持的科研课题中得到了很大支持。作为物

3、联网主要应用形式的M2M相关产业，已被正式纳入国家的重点扶持项目[4]。M2M通信是指在没有人为干涉的情况下，机器或者设备间通过网络进行自主信息交换。M2M通信作为现阶段物联网最普遍的应用形式，逐步深入到人们的生活，并给人们的日常生活带来了极大便利。其涉及领域很多，应用广泛，包括智能电网、智能交通、智能家居、城市信息化和安全监测等。支撑M2M的网络不仅仅有蜂窝网络如GSM、CDMA、TD-SCDMA等，还包括专用无线网络如2M业务以进行数据传输的M2M通信被3GPP定义为机器类通信（Machinetypemunication，MTC）。基于移动蜂窝的M2M机制相比

4、于短程或专用链路的M2M机制在系统部署方面更为便捷，且该机制为M2M通信提供了各种网络技术基础[5]。..1.2国内外研究现状机器类通信被3GPP定义为通过蜂窝网络进行数据传输的M2M通信。虽然MTC业务存在已久，由于部分MTC业务与公共通信网络无关，尤其在某些特定行业里的数据采集与监控系统，早已被用作远距离数据采集和设备控制的通信手段；而且业务总体规模还未形成一定气候，导致其关注度相对较低。随着物联网概念的推广，MTC业务从2009年下半年开始似乎突然间成为了社会的重点关注对象，形成了产业界的一股新浪潮。不知不觉中，MTC通信已经广泛应用于多个领域，典型的有智能

5、电网、无线金融支付、环境感知及资产监控等。在未来的发展中，MTC通信将会得到更加广泛的应用，使得既有应用的内涵更加深刻、规模更加庞大[9]。随着移动运营商的传统核心业务（包括语音和数据业务）逐渐趋向饱和，以智能电网等为代表的MTC业务的强劲增长势头，使电信运营商从中看到了更广阔的市场前景，促使其将MTC业务作为未来扩展空间的重要发展方向。世界上著名的电信运营商均积极推动着MTC产业的发展。英国的Vodafone与Nokia等开发商合作，于2002年展开了解决实时财务方面的M2M业务。法国的Orange于2004年推出了M2MConnect产品，为欧洲公司提供了无线

6、连接的、安全的中央控制网关的MTC业务服务。日本的Doo公司也于2004年底启动了M2M-X的商业服务，设计开发了约300万个终端，用于提供数据传输、应用信息和终端管理等服务。.2相关基础理论2.1LTE随机接入过程简介随机接入过程是用户终端和网络终端进行通信的初始接入过程，是保证通信建立的决定性环节，其直接影响到系统的性能[30]。随机接入过程的目的是实现终端与网络的同步，解决冲突，分配RNTI（RadioNetporaryIdentity）和上行通信资源。依据各方案实现过程中的差别，随机接入过程可分为基于竞争模式的随机接入及基于非竞争模式的随机接入。两者的本质

7、区别在于网络在终端随机接入前，是否给它们分配了专用随机接入资源[31]。基于竞争模式的随机接入是所有的终端可随机选择接入前导码，即每个前导被选中的可能性相同，并在任何时间都可接入。因此，可能导致多个终端同时传输同一个前导序列，这样就会发生冲突，使得此次随机接入失败。基于竞争的随机接入过程有解决冲突的能力，其过程如图2.1所示：..2.2排队论简介排队论也称为随机服务系统理论，起源于20世纪初，是运筹学的一个重要的分支。其主要研究由于一些随机因素的影响（如顾客的到达和离开及服务器的工作和休假等）而引起队伍的积累和消散问题。随着对国内外学者对其不断深入研究，排队论逐渐

8、被数学界承