Transmission Control for Multichannel Random Access Networks with Applications to Machine Type Communications

Abstract

Wireless ad-hoc networks are marked without a basic infrastructure and global information for the current status of the network. For multichannel slotted ALOHA systems of wireless ad-hoc networks, we propose a (re)transmission control algorithm for the transmitters to employ. The algorithm aims at minimizing Lyapunov (negative) drift on the sum of all transmitters' queue, while it is implemented in a distributed way such that each transmitter only needs local information such as the number of idle channels. To control (re)transmission probability optimally, with the local information, each transmitter solves a subproblem of estimating the number of backlogged nodes each time. Simulation results show that our proposed algorithm yields near-optimal queueing performance. Machine type communication (MTC) employs access class barring (ACB) technique to control bursty traffic arrival of the MTC devices during initial random access and we apply the algorithm designed for wireless adhoc networks to MTC. We derive optimal transmission probability, the ACB factor, for MTC devices with the help of modified success probability and compare it with the one using conventional ACB factor. We, then propose a Bayesian strategy to realize optimal ACB factor, based on the knowledge of preambles (PA) being idle, success or collided, by estimating the number of backlogged MTC devices. Numerical results show that the performance of the system improves by employing modified success probability and that our Bayesian strategy gives results quite close to the optimal one where it is assumed that the number of backlogged MTC devices is known. A single channel slotted ALOHA wireless network requires transmission control algorithm for stability and has a maximum throughput of 1/e, while employing collision resolution techniques increases the throughput. Firstly, a transmission control algorithm for multichannel wireless network is proposed which again controls (re)transmission probability by estimating number of backlogged users banking on the information of idle, success and collided channels. Based on transmission control algorithm, another algorithm is developed in which a collision resolution technique is applied to the collided channels while transmission control algorithm is applied to the channels that do not experience collisions. Simulation results show that collision resolution with transmission control outperforms the algorithm where only transmission control is used. Moreover, our proposed schemes calculate the (re)transmission probabilities in the proposed algorithms that are quite close to the optimal probability, which assumes perfect knowledge of backlog size, and thus achieve near optimal performance. We then apply the algorithm based on transmission control and collision resolution to the MTC devices. In conventional MTC, the backlogged MTC devices select and transmit their preambles (PAs) based on ACB factor broadcasted by eNodeB as a part of random access (RA) procedure for accessing the network and upon collision the MTC devices start RA procedure again. We propose a new collision based approach where after the collision only the newly collided MTC devices are allowed to select and transmit the PA on which collision occurred. The eNodeB estimates the number of backlogged MTC devices, using Bayesian algorithm banking on the information of PAs being idle, success or collided, to calculate optimal ACB factor. Simulation results verify the conducted analysis and show that our proposed access scheme, which is a combination of conventional ACB and collision resolution, outperforms the conventional ACB.; 네트워크 현황을 보면 무선 애드 혹 네트워크는 기본 사회 기반 시설과 세계적인 정보 없이도 뚜렷하다. 우리는 무선 애드 혹 네트워크의 다중 채널 S-ALOHA 시스템에서 송신기 (재)전송 제어 알고리즘에 대한 방법을 제안했다. 알고리즘의 목적은 모든 송신기의 큐의 합의 이동을 최소화하는데 있다. 각 송신기는 유효 채널의 수와 같은 지역 정보만을 필요로 하는 분산방식으로 구현되었다. 지역 정보를 가진 (재)전송 확률을 최적으로 제어하기 위해서 각각의 송신기는 매번 지연된 노드 수를 추정하는 하위 문제를 해결한다. 시뮬레이션 결과는 우리가 제안한 거의 최적의 대기 성능을 산출하는 알고리즘을 보여준다. 기계식 통신(MTC)은 최초 랜덤 액세스 동안 MTC장치의 버스티 트래픽 도착을 제어하는 ACB기술을 사용하며, 무선 애드 혹 네트워크를 위해 설계된 알고리즘을 MTC에 적용합니다. 우리는 최적화된 성공확률을 가진 MTC장치에 대한 최적의 전송 확률인 ACB계수를 도출하고, 기존 ACB계수를 사용하여 그것과 비교한다. 그런 다음, 우리는 지연된 MTC장치의 수를 추정하여 유휴 상태이거나 성공 또는 충돌한 PA에 기초하여 최적의 ACB 계수를 실현하기 위한 베이지안 전략을 제안한다. 수치된 결과는 수정된 성공 확률을 통해 시스템의 성능이 개선되고 베이지안 전략이 지연된 MTC장치의 숫자가 알려져 있다고 가정하는 최적의 결과를 제공한다는 것을 보여 준다. 단일 채널 S-ALOHA 무선 네트워크는 안정성을 위해 전송 제어 알고리즘을 사용할 필요가 있으며, 최대 처리량은 0.369이며 충돌 해결 기법을 사용하면 처리량이 증가한다. 첫째로, 다중 채널 무선 네트워크에 대한 전송 제어 알고리즘은 유휴 상태, 성공 및 충돌 채널 정보에 대한 은행의 수에 대한 추정치를 추정함으로써 재전송되는 전송 제어 알고리즘을 제안한다. 전송 제어 알고리즘을 기반으로 충돌이 발생하지 않은 채널에 변속기 컨트롤 알고리즘이 적용되는 동안 충돌 해결 기술이 충돌 채널에 적용되는 또 다른 알고리즘이 개발되었다. 시뮬레이션 결과는 전송 제어를 사용하는 충돌 분해능이 변속기 컨트롤만 사용하는 알고리즘을 능가한다는 것을 보여 준다. 더욱이, 제안된 알고리즘은 최적의 확률에 가까운 최적의 확률을 추정하고 최적의 성능을 달성하기 위해 최적화된 알고리즘의 (재)전송 확률을 계산한다. 그런 다음, 전송 제어 및 충돌 해결을 기반으로 MTC장치에 알고리즘을 적용한다. 전통적인 MTC장치에서, 지연된MTC장치는 eNodeB에 접속하기 위한 무작위 액세스(RA)절차의 일환으로 eNodeB에 알리게 되는 ACB계수(PA)를 선택하고 MTC장치를 다시 시작한다. 충돌이 발생한 경우 충돌이 발생한 PA를 선택하고 송신할 수 있도록 하는 새로운 충돌 기반 접근법을 사용하여 새로운 충돌 기반 접근법을 제안한다. eNodeB는 최적의 ACB계수를 계산하기 위해, 유휴 상태, 성공 또는 충돌 상태의 PA정보에 기초한 베이지안 알고리즘 은행을 사용하여, 지연된 MTC장치의 수를 추정한다. 시뮬레이션 결과는 수행된 분석을 검증하고, 기존 ACB및 충돌 해결책의 조합이 재래식 ACB를 능가하는 기존의 ACB를 능가한다는 것을 보여 준다.