Random Access Procedure for Machine Type Communication in Mobile Networks

Abstract

Komunikace strojů (Machine-type communication, MTC) v mobilních sítích může vést k velkému množství požadavků na přístup k médiu a způsobit tak krátkodobá, ale častá přetížení sítě. Velké množství MTC zařízení přistupujících náhodně k radiovému kanálu vede k vysoké pravděpodobnosti kolize a neúnosné době přístupu k médiu, jelikož velké množství MTC zařízení přistupuje ke sdílenému kanálu pro náhodný přístup (Random Access Channel, RACH), který má však omezenou kapacitu. Tato diplomová práce se zabývá novou procedurou dvoufázového náhodného přístupu (Two-Phase Random Access, TPRA). Navržená procedura TPRA pro přístup MTC zařízení v mobilních sítích umožňuje snížit zátěž kanálu pro náhodný přístup tím, že redukuje pravděpodobnost kolize mezi MTC zařízeními při jejich přístupu k radiovým prostředkům. Toho je dosaženo rozdělením všech zařízení do malých skupin. Navržený koncept umožňuje základnové stanici přizpůsobit počet přístupových kanálů podle jejich aktuálního zatížení. V práci je dále navržen analytický model k vyhodnocení výkonnosti navržené procedury TPRA ve smyslu pravděpodobnosti úspěšného přístupu a doby přístupu. Výsledky simulací potvrzují přesnost těchto metrik odvozených analyticky. Výsledky dále ukazují, že TPRA umožnuje zvýšit pravděpodobnost úspěšného přístupu o 9% a zároveň snížit dobu přístupu o 50% pro vysokou hustotu MTC zařízení v porovnání se standardní LTE-A procedurou náhodného přístupu.Machine-type communication (MTC) can generate numerous connection requests and bring explosive load within small time interval. A massive amount of simultaneous random access attempts results in a high collision probability and intolerable access delay because more devices contend in shared random access channels (RACH) with limited capacity. Thus, this thesis addressed a novel mechanism, denoted as two-phase random access (TPRA) procedure, for MTC in mobile networks to relieve the load of RACH. The proposed TPRA reduces probability of collision among the MTC devices when accessing radio resources by separation of the massive number of devices into small groups. The proposed concept allows a base station to adjust the number of additional access channels according to their current load. Furthermore, we propose an analytical model to evaluate the performance of the proposed TPRA by estimating the access success probability and average access delay. The simulations results validate the accuracy of the performance metrics derived analytically. The results further demonstrate that the proposed TPRA can improve the access success probability by 9% and reduce the access delay by 50% for a high density of the MTC devices comparing to the standard LTE-A random access procedure