CN102769868B

CN102769868B - 基于td-scdma网络的m2m业务无线资源调度方法

Info

Publication number: CN102769868B
Application number: CN201210255669.6A
Authority: CN
Inventors: 史琰; 杨鹏; 盛敏; 于胜涛; 杨敏; 郭丹; 牛永彬
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN102769868A

Abstract

本发明公开了一种基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，其设计的方案解决了在TD-SCDMA网络中支持M2M通信以及降低大量M2M终端接入的拥塞情况，本发明还简化了信令传输过程，高效的利用信道传输数据，并在M2M通信过程中支持H2H通信。实现步骤为：基站将小区内的M2M终端进行分组；根据M2M终端上行同步过程的情况基站估算小区内总的终端个数；为成功完成同步过程的终端提供接入信道；根据各终端的摘要信息分配传输信道；在M2M通信过程中支持H2H通信。本发明针对TD-SCDMA网络在特定的M2M通信时间段内，为小区内数量巨大的M2M终端提供数据传输服务，在降低冲突的情况下尽可能提高信道的利用率，同时降低对H2H通信的影响。

Description

基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，主要涉及网络通信中的M2M终端接入、数据传输和资源调度，具体是一种基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法。用于TD-SCDMA网络覆盖的小区。

背景技术

随着科技、社会的进步，物联网技术越来越受到人们的关注，实现“无处不在的网络社会”是社会信息化以及国家信息发展战略的必然演进方向，作为物联网的重要组成部分，M2M(Machine to Machine，机器与机器)通信是指利用自动控制及网络通信等技术，在没有人为干预的情况下实现机器与机器之间自主数据通信与信息交互的一系列技术或技术组合的总称。它为各种终端设备在系统之间、网络之间以及远程实体之间实时建立通信连接和数据传输提供了一种有效途径。在广义上，M2M可泛指信源或信宿双方一方是机器的通信，包括H2M(Human to Machine，人与机器)及M2H(Machine to Human，机器与人)通信形式。

当前的TD-SCDMA无线网络中的接入与负荷控制机制是针对人与人之间(H2H)的通信进行设计的，而与传统H2H通信相比，M2M通信的业务特性具有应用类型繁多、终端数量巨大、与应用联系紧密、业务模式多样等特点。这些与传统H2H通信的区别使得M2M通信在不改变当前的接入及资源配置机制，直接应用到TD-SCDMA系统中带来诸多问题：由于M2M终端数量巨大，这就使得大量M2M终端同时接入网络时造成的网络拥塞严重；由于M2M的业务特性与H2H有较大区别，采用以往的信令传输机制将会造成过多的开销，而且以往的资源调度机制也不适用于M2M业务；同时，在M2M通信过程中也不能对H2H通信造成影响。

目前在TD-SCDMA网络中，还没有适用于M2M业务的资源调度方法，而随着网络的快速发展和人们对网络应用多样性的要求，需要一种能够在TD-SCDMA网络中支持M2M业务的资源调度方法，这种方法不但能够同时在网络中支持H2H业务和M2M业务，并且针对M2M的业务特性能够降低终端的接入拥塞，简化信令流程，提高信道利用效率。

发明内容

本发明的目的是针对M2M业务直接使用现行的TD-SCDMA网络的终端接入、信令建立、数据传输等方法时，存在终端接入拥塞、信令开销过大、数据传输效率低等缺点，提供一种降低大量M2M终端的接入拥塞，简化信令流程，提高信道利用效率，并在M2M通信过程中同时支持H2H通信的基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法。

本发明是一种基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，本发明的无线资源调度方法包括如下步骤：

步骤1、由于TD-SCDMA网络是时分同步系统，因此在进行通信之前，各终端需要与基站进行相互同步，由于用于上行同步过程的上行导频码数量有限而且M2M终端数量巨大，如果同时发起上行同步过程会造成接入拥塞，接入效率下降。为避免大量终端同时发起上行同步过程，需先将小区内的M2M终端进行分组，本发明的步骤1是对小区内的M2M终端进行分组，基站在小区信息中广播M2M通信分组的个数N，各M2M终端等概率随机从N中选择一个数作为自己的组号n_i，基站将N个子帧组成一个超帧，并对超帧内的每个子帧编号为n_i(n_i＝1，2，…N)，子帧编号与组号对应，通过对小区内的M2M终端进行分组，减少同时发起上行同步过程的终端数量，以降低网络的拥塞情况。

步骤2、由于最初TD-SCDMA网络设计是用于支持H2H通信，在拓展了TD-SCDMA网络对M2M通信后，又不能对H2H通信造成影响，降低H2H用户的体验，所以当两种通信同时发生时，需要优先为H2H通信提供服务。在M2M通信过程中，由于基站无法区分终端的类型，这给H2H终端的接入带来困难，改变H2H终端在上行同步过程中传输的内容来解决。在步骤2中实现在M2M通信过程中同时支持H2H通信，H2H终端在发起上行同步过程时，先发送所在小区的下行导频码，基站在监测到上行导频时隙中包含下行导频码时，判断小区内有H2H终端需要接入，基站根据检测到的情况决定采取的策略，如果检测到一个H2H终端请求服务，则基站同时为M2M终端和H2H终端提供服务；如果检测到多个H2H终端请求服务，则基站暂停M2M业务转变为H2H终端提供服务；如果没用H2H终端请求服务，则执行步骤3。

步骤3、发起上行同步过程的M2M终端与基站进行同步过程，相互同步过程包括：

步骤3a、基站广播子帧编号n_i，在基站广播子帧编号n_i时，还要广播随机数p(p∈[0，1])；当基站广播的子帧编号n_i与M2M终端所在的组号相同时，属于该组的M2M终端均产生随机数q_i(q_i∈[0，1])；当基站广播的子帧编号与M2M终端所在的组不同时，M2M终端不产生随机数q_i。

步骤3b、M2M终端将产生的随机数q_i与基站广播的随机数p比较，如果q_i＜p，则M2M终端等概率的从8个上行导频码即SYNC-UL码中随机选择一个，M2M终端以估计的时间和发射功率发送上行导频码开始上行同步过程；如果q_i≥p，则终端停止上行同步过程，等待当前超帧结束，返回步骤1。

步骤3c、基站检测收到的上行导频码，此时的8个上行导频码分别可能处于3种状态：正确接收，发生碰撞，信道空闲；基站统计三种状态的上行导频码个数：分别为S_correct，S_conflict，S_free，并且根据三种状态的情况估算小区内总的终端个数。

步骤4、基站发送接入控制信息后终端根据接入控制信息发送摘要信息，对于在上行同步过程中正确接收的SYNC-UL码，基站需要进行的操作如下：计算要使发送相应SYNC-UL码的终端实现同步的时间提前量和发射功率，选择可用的空闲上行信道作为M2M终端的随机接入信道即PRACH信道，并将这些信息通过快速接入信道即FPACH信道，通知相应的M2M终端，M2M终端根据接收到的接入控制信息在指定的PRACH信道发送数据；当数据量较少时，终端将ID和数据一次性在PRACH信道上传输给基站；当数据量较多无法在PRACH信道完成时，终端将摘要信息通过PRACH信道传输给基站，摘要信息中包括终端的ID、传输数据量及时延要求。

步骤5、基站根据摘要信息分配无线信道资源，基站收集小区内完成上行同步过程终端的摘要信息，基站对已收集到的小区内n个终端的摘要信息进行记录，每个终端需要传输信息量为Q_i(i＝1，2，…n)，时延要求由小到大排列为t₁＜t₂＜…＜t_n，对于ID为i的终端，其信息量为Q_i，时延要求为t_i，基站根据以上摘要信息进行计算，决定分配给每个终端相应的信道资源。

本发明采用了对M2M终端和H2H终端接入过程的差异化，M2M终端分组进行上行同步过程，基站根据M2M终端的接入情况估算小区内终端数量并且使用空闲的下行信道向成功完成上行同步过程的各终端传输接入控制信息，各M2M终端在基站指定的信道中发送摘要信息，基站在收集到摘要信息后计算和更新信道资源的分配。本发明解决了在TD-SCDMA中同时支持H2H通信和M2M通信，并且降低M2M通信对H2H通信的影响，降低大量M2M终端接入的拥塞情况，简化传输信令过程，高效的利用信道传输数据。

本发明的实现还在于：其中步骤2中在M2M通信过程中同时支持H2H通信，包括如下步骤：

步骤2a、基站检测到上行导频时隙存在本小区使用的下行导频码即SYNC-DL码，基站根据检测到的情况判断当前请求进行服务的H2H终端数量；这时存在两种情况：基站正确接收SYNC-DL码，基站没有正确接收；正确接收表明当前只有一个H2H终端请求进行上行同步过程，执行步骤2b；没有正确接收表明当前存在多个H2H终端请求进行上行同步过程，执行步骤2c。

步骤2b、只有一个H2H终端请求服务时，基站通过系统原先配置的FPACH信道为其服务，发送时间提前量和发射功率，同时不影响对M2M终端的服务。

步骤2c、在M2M通信过程中，基站通过广播子帧的编号来确定为哪组M2M终端提供服务，当存在多个H2H终端请求服务时，基站记录应当广播的子帧编号并在下一个子帧广播一个不存在的子帧编号，来暂停为M2M终端服务转而为H2H终端提供服务。

基站广播的子帧编号与终端所在的组号是一一对应的，如果广播一个存在的子帧编号就会有M2M终端相应，本发明采用了广播一个不存在的子帧编号的方式暂停为M2M终端服务。

步骤2d、H2H终端监听下一个子帧的FPACH信道，如果FPACH信道内有信息则是基站发送给自己的接入控制信息；如果FPACH信道内没有信息表明有多个H2H终端同时请求服务，那么H2H终端使用现行的H2H通信流程重新进行尝试；当H2H通信结束后，基站从暂停的子帧编号开始继续广播暂停的子帧编号恢复对M2M终端的服务。本发明此步骤的目的在于差异化H2H终端和M2M终端的接入过程，降低M2M通信对H2H通信的影响，同时根据检测到请求接入的H2H终端数量采取不同的策略来处理。

本发明的实现还在于：其中步骤3c所述的基站根据小区内终端接入情况估算小区内终端个数，包括如下步骤：

步骤3c1、M2M终端在上行同步过程中发送的SYNC-UL码是随机选取的，这样基站检测到的SYNC-UL码存在3种状态：正确接收，发生碰撞，信道空闲；基站统计并记录当前的超帧中3种状态的SYNC-UL码个数：S_correct，S_conflict，S_free；同时基站记录完成上行同步过程的终端个数X_complete。

步骤3c2、当前的超帧广播结束后，基站依照统计的SYNC-UL码的3种状态的数量计算上一个超帧中每一个分组内平均终端的个数x，以此计算小区内M2M终端的总数X_total，X_total＝x×N；剩余等待接入的终端个数X_remain，X_remain＝X_total-X_complete，然后基站确定新的分组数N，并将新的分组数N返回步骤1更新小区信息；每当一个超帧广播结束后，基站就重复步骤3c2。如果不实时的改变分组数N，则每组内的终端个数将减少，造成上行导频码使用率下降，上行同步过程的总时延增加；实时改变分组数N，使有限的上行导频码得到充分的利用，上行同步过程的总时延减少。

本发明此步骤的目的在于基站根据M2M终端的接入情况估算出小区内终端的数量，更新合适的分组数N来减少M2M终端在上行同步过程中的时延。

本发明的实现还在于：其中步骤4所述的根据接入终端的情况配置子帧内信道，包括如下步骤：

步骤4a、由于TS0时隙固定用作下行时隙又不承载任何数据业务信息，并且在现行的信道配置中，使用了TS0时隙的16个下行信道中的8个，则剩余的信道作为M2M业务的FPACH(M)信道，这样可以充分利用空闲的信道并且快速将接入控制信息传送给各终端，使用TS0时隙中的空闲信道作为M2M终端的FPACH(M)信道，H2H终端仍然使用系统原先配置的FPACH信道，两种信道分别以FPACH和FPACH(M)区别，也就是说FPACH专门为H2H终端提供服务，FPACH(M)信道专门为M2M终端提供服务。

步骤4b、基站记录一个子帧内空闲的上行信道位置和数量，将这些信道用作M2M终端的PRACH信道，基站通过FPACH(M)信道将PRACH信道所在的位置通知相应的M2M终端；

步骤4c、M2M终端在发送完成SYNC-UL码后，在下一子帧的TS0时隙监听FPACH(M)信道中是否有相应的控制信息，决定之后采取的行为。如果有，则M2M终端根据自己所要传输的数据量决定在PRACH信道上传输的内容；否则，终端等待当前超帧结束，返回步骤1。

本发明此步骤的目的在于利用空闲的信道为完成上行同步过程的M2M终端发送接入控制信息，并且M2M终端在指定的信道上将摘要信息发送给基站。

本发明的实现还在于：其中步骤5所述根据终端对时延的要求来分配信道资源，包括如下步骤：

步骤5a、根据接收到的摘要信息，基站计算以下内容：子帧内可用的空闲信道数M_actual，为各M2M终端分配的信道数m_i，在为各M2M终端分配完后仍然剩余的空闲信道数M_remain。

步骤5b、基站先依据终端对时延的要求将终端由小到大排列t₁＜t₂＜…＜t_n，再根据以上的计算优先为时延小的终端分配信道资源，直到M_remain＝0，基站通过辅公共物理信道即SCCPCH信道，通知各相应终端信道的分配信息，完成当前子帧的信道分配过程，当下一个子帧基站接收到新的摘要信息后，返回步骤5a重新进行信道分配。

本发明上述步骤的目的在于基站收集到M2M终端的摘要信息后，依据摘要信息中的传输数据量和时延要求，以优先满足对时延耐受性低的终端对信道资源的要求为原则分配信道，充分利用无线信道资源为每个终端分配信道。在重的网络负荷下，在保证时延耐受性低的终端优先传输完成的同时充分利用一帧内可用的所有信道，在轻的网络负荷下，使得数据信息快速传输完成。

与现有技术相比本发明具有如下优点：

1、本发明差异化了M2M终端和H2H终端的通信过程使得TD-SCDMA网络能够同时支持M2M通信与H2H通信，降低了M2M通信对H2H通信的影响。

2、采用对M2M终端分组进行上行同步过程的方法，减少在同一时间内进行同步过程的终端数量降低大量终端同时接入网络造成的网络拥塞。

3、H2H终端与基站之间的信令交互包括接入控制信息、RRC建立、鉴权、RAB建立等，而M2M终端与基站之间的信令交互只包括接入控制信息和M2M终端的摘要信息以简化信令流程降低信令开销。

4、基站根据收集到的M2M终端摘要信息后充分利用资源为每个终端分配信道，在重的网络负荷下，在保证时延耐受性低的终端优先传输完成的同时充分利用一帧内可用的所有信道，在轻的网络负荷下，使得数据信息快速传输完成。

附图说明

图1是本发明的总流程框图；

图2是本发明中在M2M终端通信过程中支持小区内H2H终端请求服务的子流程图；

图3是本发明中基站根据一个超帧内终端接入的情况估算小区内终端的个数过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作出说明：

实施例1

本发明是一种基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，适用于在TD-SCDMA网络覆盖的小区内，同时进行H2H业务和M2M业务。

参见图1，本发明基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法包括如下步骤：

步骤1、对小区内的M2M终端进行分组，基站在小区信息中广播M2M通信分组的个数N，各M2M终端等概率随机从N中选择一个数作为自己的组号n_i，基站将N个子帧组成一个超帧，并对超帧内的每个子帧编号为n_i(n_i＝1，2，…N)，子帧编号与组号对应；通过对小区内的M2M终端进行分组，减少同时发起上行同步过程的终端数量，以便降低网络的拥塞情况。

由于TD-SCDMA网络是时分同步系统，因此在进行通信之前，各终端需要与基站进行相互同步，由于用于上行同步过程的上行导频码数量有限而且M2M终端数量巨大，如果同时发起上行同步过程会造成接入拥塞，接入效率下降。为避免大量终端同时发起上行同步过程，需先将小区内的M2M终端进行分组。

步骤2、实现在M2M通信过程中同时支持H2H通信，H2H终端在发起上行同步过程时，先发送所在小区的下行导频码，基站在监测到上行导频时隙中包含下行导频码时，判断小区内有H2H终端需要接入，基站根据检测到的情况决定采取的策略，如果检测到一个H2H终端请求服务，则基站同时为M2M终端和H2H终端提供服务；如果检测到多个H2H终端请求服务，则基站暂停M2M业务转变为H2H终端提供服务；如果没用H2H终端请求服务，则执行步骤3。

由于最初TD-SCDMA网络设计是用于支持H2H通信，在拓展了TD网络对M2M通信后，又不能对H2H通信造成影响，降低H2H用户的体验，所以当两种通信同时发生时，需要优先为H2H通信提供服务。在M2M通信过程中，由于基站无法区分终端的类型，这给H2H终端的接入带来困难，本发明通过改变H2H终端在上行同步过程中传输的内容来解决此问题。

本发明在M2M通信过程中同时支持H2H通信，包括如下步骤：

步骤2a、基站检测到上行导频时隙存在本小区使用的下行导频码即SYNC-DL码，基站根据检测到的情况判断当前请求进行服务的H2H终端数量；这时存在两种情况：基站正确接收SYNC-DL码，基站没有正确接收；正确接收表明当前只有一个H2H终端请求进行上行同步过程，执行步骤2b；没有正确接收表明当前存在多个H2H终端请求进行上行同步过程，执行步骤2c；

步骤2b、只有一个H2H终端请求服务时，基站通过系统原先配置的FPACH信道为其服务，发送时间提前量和发射功率，同时不影响对M2M终端的服务；

步骤2c、在M2M通信过程中，基站会广播子帧的编号来确定为哪组M2M终端提供服务，存在多个H2H终端请求服务时，基站记录应当广播的子帧编号并在下一个子帧广播一个不存在的子帧编号，来暂停为M2M终端服务转而为H2H终端提供服务；基站广播的子帧编号与终端所在的组号是一一对应的，如果广播一个存在的子帧编号就会有M2M终端相应，本发明采用了广播一个不存在的子帧编号的方式暂停为M2M终端服务。

步骤2d、H2H终端监听下一个子帧的FPACH信道，如果FPACH信道内有信息则是基站发送给自己的接入控制信息；如果FPACH信道内没有信息表明有多个H2H终端同时请求服务，那么H2H终端使用现行的H2H通信流程重新进行尝试；当H2H通信结束后，基站从暂停的子帧编号开始继续广播，从暂停的子帧编号开始恢复对M2M终端的服务。

步骤3、发起上行同步过程的M2M终端与基站进行同步过程，相互同步过程：

步骤3a、基站广播子帧编号n_i，在基站广播子帧编号n_i时，还要广播随机数p(p∈[0，1])；当基站广播的子帧编号n_i与M2M终端所在的组号相同时，属于该组的M2M终端均产生随机数q_i(q_i∈[0，1])。当基站广播的子帧编号与M2M终端所在的组不同时，M2M终端不产生随机数q_i。

步骤3c、基站检测收到的上行导频码，此时的8个上行导频码分别可能处于3种状态：正确接收，发生碰撞，信道空闲；基站统计三种状态的上行导频码个数：分别为S_correct，S_conflict，S_free，并且根据三种状态的情况估算小区内终端个数。

基站根据小区内终端接入情况估算小区内终端个数，包括如下步骤：

步骤3c1、M2M终端在上行同步过程中发送的SYNC-UL码是随机选取的，这样基站检测到的SYNC-UL码存在3种状态：正确接收，发生碰撞，信道空闲；基站统计并记录当前的超帧中3种状态的SYNC-UL码个数：S_correct，S_conflict，S_free；同时基站记录完成上行同步过程的终端个数X_complete；

步骤3c2、当前的超帧广播结束后，基站依照统计的SYNC-UL码的3种状态的数量计算上一个超帧中每一个分组内平均终端的个数x，以此计算小区内M2M终端的总数X_total，X_total＝x×N；剩余等待接入的终端个数X_remain，X_remain＝X_total-X_complete，然后基站确定新的分组数N，并将新的分组数N返回步骤1更新小区信息；每当一个超帧广播结束后，基站就重复步骤3c2。

如果不实时的改变分组数N，则每组内的终端个数将减少，造成上行导频码使用率下降，上行同步过程的总时延增加；实时改变分组数N，使有限的上行导频码得到充分的利用，上行同步过程的总时延减少。

步骤4、基站发送接入控制信息后终端根据接入控制信息发送摘要信息，对于在上行同步过程中正确接收的SYNC-UL码，基站需要进行的操作如下：计算要使发送相应SYNC-UL码的终端实现同步的时间提前量和发射功率，选择可用的空闲上行信道作为M2M终端的随机接入信道即PRACH信道，并将这些信息通过快速接入信道即FPACH信道，通知相应的M2M终端，M2M终端根据接收到的接入控制信息在指定的PRACH信道发送数据；当数据量较少时，终端将ID和数据一次性在PRACH信道上传输给基站；当数据量较多无法在PRACH信道完成时，终端将摘要信息通过PRACH信道传输给基站，摘要信息中包括终端的ID、传输数据量及时延要求；

根据接入终端的情况配置子帧内信道，包括如下步骤：

步骤4a、由于TD-SCDMA网络中的TS0时隙固定用作下行时隙又不承载任何数据业务信息，并且在现行的信道配置中，使用了TS0时隙的16个下行信道中的8个，则剩余的空闲信道作为M2M业务的FPACH(M)信道，这样可以充分利用空闲的信道并且快速将接入控制信息返回给各终端，M2M终端使用TS0时隙中的空闲信道作为的FPACH(M)信道，H2H终端仍然使用系统原先配置的FPACH信道，两种信道分别以FPACH和FPACH(M)区别；

步骤4b、基站记录一个子帧内空闲的上行信道的位置和数量，将这些信道用作M2M终端的PRACH信道，基站通过FPACH(M)信道将PRACH信道所在的位置通知相应的M2M终端；

步骤4c、M2M终端在发送完成SYNC-UL码后，监听下一个子帧的TS0时隙，判断FPACH(M)信道中是否有相应自己的接入控制信息，并根据接收到的接入控制信息决定之后采取的行为。如果有，则M2M终端根据自己所要传输的数据量决定在PRACH信道上传输的内容；如果没有，终端等待当前超帧结束，返回步骤1。

步骤5、基站根据摘要信息分配无线信道资源，基站收集小区内完成上行同步过程终端的摘要信息，基站对已收集到的小区内n个终端的摘要信息进行记录，每个终端需要传输信息量为Q_i(i＝1，2，…n)，时延要求由小到大排列为t₁＜t₂＜…＜t_n，对于ID为i的终端，其信息量为Q_i，时延要求为t_i，基站根据以上摘要信息进行计算，决定分配给每个终端相应的信道资源并执行。

根据终端对时延的要求来分配信道资源，包括如下步骤：

步骤5a、据接收到的摘要信息，基站计算以下内容：子帧内可用的空闲信道数M_actual，为各M2M终端分配的信道数m_i，在为各M2M终端分配完后仍然剩余的空闲信道数M_remain；

实施例2

基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法同实施例1，下面参照附图对本发明的无线资源调度方法做详细说明：

参照图1，本发明的实现步骤包括如下：

步骤1、为避免大量终端同时发起上行同步过程，需先将小区内的M2M终端进行分组，分组的个数N由基站进行广播，各M2M终端等概率随机从N中选择一个数作为自己的组号n_i，基站将N个子帧组成一个超帧，并对超帧内的每个子帧编号n_i(n_i＝1，2，…N)。

步骤2、参照图2，在M2M通信过程中支持H2H通信进行如下处理：

在M2M通信过程中，网络侧无法区分终端的类型，这给H2H终端接入网络带来困难，如果可以改变H2H终端传输的内容，在M2M通信过程中，H2H终端在进行上行同步前，先发送所在小区的下行导频码(SYNC-DL码)，基站在监测到上行导频时隙中包含下行导频码(SYNC-DL码)时，可以判断小区内有H2H终端需要接入。

表1TD系统中码组的分配

步骤2a、基站检测接收到的SYNC-DL码，这时存在两种可能：正确接收，发生冲突。正确接收表明当前只有1个H2H终端请求进行上行同步，发生冲突表明当前存在多个H2H终端请求进行上行同步。

步骤2b、当基站检测到只有一个H2H终端请求服务时，通过系统原先配置的FPRACH信道为其服务，同时不影响对M2M终端的服务。

步骤2c、当基站检测到多个H2H终端请求服务时，按照如下过程操作：在M2M通信过程中，基站会广播子帧的编号来确定为哪组M2M终端进行服务，当基站检测到存在多个H2H终端请求服务后，基站在下一个子帧广播一个不存在的子帧编号，来停止为M2M终端服务而为H2H终端提供上行同步服务。其后流程同普通的H2H通信。

步骤2d、H2H终端可以监听下一个子帧的FPRACH信道，如果FPRACH信道内有信息则是基站发送给自己的信息；如果没有表明上一帧内有多个终端同时请求服务，那么H2H终端随机选取上行导频码发起上行同步过程。

步骤3、参照图3，发起上行同步过程的M2M终端及基站进行如下处理：

步骤3a、当基站广播编号为n_i的子帧时，属于n_i组的终端才可以发起上行同步过程，在基站广播子帧编号n_i时，同时还会广播随机数p(p∈[0，1])。当基站广播的子帧编号与M2M终端所在的组相同是，属于该组的M2M终端均产生随机数q_i(q_i∈[0，1])，终端将产生的随机数q_i与基站广播的随机数p比较，如果q_i＜p，则终端执行步骤3b，如果q_i≥p，则终端停止上行同步过程，延时到下一超帧再发起上行同步；

步骤3b、M2M终端等概率的从8个上行导频码(SYNC-UL码)中随机选择一个，以估计的时间和提前量发起上行同步；

步骤3c、基站检测收到的SYNC-UL码，此时SYNC-UL码分别可能处于3种状态：正确接收，发生碰撞，信道空闲。同时基站统计并记录3种状态的SYNC-UL码个数：S_correct，S_conflict，S_free；同时基站记录完成上行同步的终端个数X_complete；

步骤3d、当前的超帧结束后，基站依照表2(表中数据通过仿真获得)并根据统计的SYNC-UL码的3种状态大致估算每一分组内终端的个数x，则小区内M2M终端的总数X_total＝x×N，剩余的终端个数X′_total＝X_total-X_complete，然后按照每组15个终端重新确定分组数N(N＝X′_total/15)，每当一个超帧结束后，基站就重新计算分组数，返回步骤1；

表2SYNC-UL码使用情况与组内终端数量关系

表2中数据通过仿真获得，仿真环境为：每组终端个数分别设置为15、20、30、45，通过步骤3所述流程统计SYNC-UL码的3种状态个数。由仿真结果可知每组设置15个终端时，接入效率最高。

步骤4、对于正确接收的SYNC-UL码，基站需要进行的操作如下：计算要使发送相应SYNC-UL码的终端实现同步的时间提前量和发射功率，选择可用的上行信道作为M2M终端的PRACH信道并将这些信息通过FPACH(M)信道通知M2M终端，然后M2M终端根据接收到的信息决定在相应的PRACH信道发送的信息。

表4根据接入终端个数配置子帧内的信道示意图

注：FPACH(M)：是专为M2M终端提供的快速接入信道。

FPACH：是专为H2H通信提供的快速接入信道。

PRACH：系统原配置的随机接入信道。

可用信道i(i＝1、2、3、4)：是上行时隙中空闲的信道，以此来作为M2M终端的随机接入信道。

参照表4，本步骤中所述的FPACH信道配置和其中发送的数据，以及终端在PRACH信道中发送信息具体如下：

步骤4a、在大量M2M终端进行上行同步时，每个子帧内会有多个终端同时成功，如果依照现行的子帧信道配置可能产生终端的堆积。所以如果可以根据每个子帧内成功完成上行同步的终端数来动态决定FPACH信道的个数，则可以减少终端的堆积。理论上，这些FPACH信道可以配置在任意的下行时隙；但是当配置在TS1-TS6中的下行时隙时，终端无法区分接收的是FPACH信道的控制信息还是其它的广播控制信息或数据业务信息。由于TS0时隙固定用作下行时隙且不承载任何数据业务信息，并且在常见的信道配置中，TS0的16个下行信道一般只使用8个，则剩余的信道可以作为M2M业务的FPACH(M)信道。基站在小区广播中告知所有终端TS0时隙中信道的配置，对于M2M终端来说TS0时隙中没有配置的信道作为FPACH(M)信道。

步骤4b、基站记录一个子帧内空闲的上行信道，将这些信道作为M2M终端的PRACH信道。在组成PRACH信道时，基站首先选取相邻的2个空闲信道，如果子帧内没有相邻的空闲信道，再选取不相邻的2个信道。

步骤4c、M2M终端在发送完成SYNC-UL码后，在下一子帧的TS0时隙监听FPACH(M)信道中是否有自己的控制信息，FPACH(M)信道中返回的信息如表3。

表3在FPACH信道中返回的信息

可用信道编号和功率传输命令：一个子帧内存在6个业务时隙，考虑到实际使用，则上行时隙最多配置5个，每个时隙又由16个信道组成，一共80个上行信道，编号为0-79，采用2进制表示，第一位使用3个bit，第二位使用4个bit，则一个信道的编号共7bit。将空闲的信道组合作为PRACH信道：当空闲信道是相邻的时候，则只返回第一个信道的编号(如表4中空闲信道1和2)和功率传输命令，由于信道相邻，功率传输命令需要7bit，共14bit；当空闲信道不相邻(如表4中空闲信道3和4)就要返回2个信道的编号和功率传输命令，由于信道不相邻，功率传输命令需要14bit，共28bit。

步骤4d、M2M终端在接收到基站在FPACH信道发送的信息后，首先检测信息的长度，根据信息的长度来确定分配的PRACH信道是否相邻。然后M2M终端根据自己所要传输的数据量决定在PRACH信道上传输的内容：当数据量较少可以一次性在PRACH信道上传输完成时，终端就将ID和数据通过PRACH信道传输给基站；当数据量较多无法在PRACH信道完成时，终端将ID和摘要信息通过PRACH信道传输给基站。

步骤5，基站收集小区内终端的摘要信息，基站已收集到的小区内n个终端的摘要信息，每个终端需要传输信息量为Q_i(i＝1，2，…n)，延时要求由小到大排列为t₁＜t₂＜…＜t_n。对于终端i，其信息量为Q_i，延时要求为t_i。

步骤5a、根据接收到的摘要信息，基站计算以下内容：子帧内可用的空闲信道数M_actual，为各M2M终端分配的信道数m_i，在为各M2M终端分配完后仍然剩余的空闲信道数M_remain；具体计算过程如下：

基站根据摘要信息进行如下计算：在t_i延时时间要求内包含的子帧个数为：n_i＝t_i/5；则为保证时延要求传输Q_i的信息量，每个子帧内需要分配的信道个数：m_i＝Q_i/(44·n_i)(设k_i ≤m_i＜k_i+1(k_i为某一正整数)，)；那么m_i为每个终端在延时要求内所需的最小信道个数。如此计算在一个子帧内需要的信道个数： (对m_i进行向上取整；M_required：每个子帧内需要的信道个数；M_actual：每个子帧内可用的空闲信道个数；M_remain：在满足M_required的情况下每个子帧内剩余的信道个数，M_remain，M_remain＝M_actual-M_required；若M_remain＞0，执行步骤5a1；若M_remain≤0，执行步骤5a2。

步骤5a1、若M_remain＞0，表明子帧内仍有没有使用的信道。为提高信道的利用率，将剩余的信道依照比例再分配给各终端，每个终端额外分配到的信道个数：m′_i＝m_i·M_remain/M_required；则每个终端分配的信道总个数为：m′_total＝m_i+m′_i。当k_i≤m′_total＜k_i+1时，(对m′_total向上取整)，当m′_total≥k_i+l(l≥1)时，(对m′_total向下取整)。基站在进行以上信道分配计算后，如果仍然有剩余信道，则按照延时要求t₁＜t₂＜…＜t_n依次给排在前面的终端分配1个信道，直到所有的信道分配完。

步骤5a2、若M_remain≤0，每个终端分配的信道个数：m′_i＝m_i·M_actual/M_required；当k_i≤m′_i，则：当m′_i＜k_i，则：

步骤5b、基站先依据终端对时延的要求将终端由小到大排列t₁＜t₂＜…＜t_n，再根据以上的计算优先为t_i小的终端分配信道资源，直到M_remain＝0，基站通过辅公共物理信道即SCCPCH信道，通知各相应终端信道的分配信息，完成当前子帧的信道分配过程，当下一个子帧基站接收到新的摘要信息后，返回步骤5a重新进行信道分配。

综上所述，本发明通过设计合理的方案，解决了在TD-SCDMA网络中支持M2M通信，降低大量M2M终端接入的拥塞情况，简化信令传输过程，提高信道传输数据的利用率，并在M2M通信过程中支持H2H通信。其实现步骤为：基站将小区内的M2M终端进行分组；根据M2M终端上行同步过程的情况基站估算小区内总的终端个数；为成功完成同步过程的终端提供接入信道；根据各终端的摘要信息分配传输信道；在M2M通信过程中支持H2H通信。本发明针对TD-SCDMA网络在特定的M2M通信时间段内，为小区内数量巨大的M2M终端提供数据传输服务，在降低冲突的情况下尽可能提高信道的利用率，同时降低对H2H通信的影响。

Claims

1.一种基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，其特征在于：M2M业务无线资源调度包括如下步骤：

步骤1、对小区内的M2M终端进行分组，基站在小区信息中广播M2M通信分组的个数N，各M2M终端等概率随机从N中选择一个数作为自己的组号n_i，基站将N个子帧组成一个超帧，并对超帧内的每个子帧编号为n_i(n_i＝1，2，…N)，子帧编号与组号对应；

步骤2、实现在M2M通信过程中同时支持H2H通信，H2H终端在发起上行同步过程时，先发送所在小区的下行导频码，基站在监测到上行导频时隙中包含下行导频码时，判断小区内有H2H终端需要接入，基站根据检测到的情况决定采取的策略，如果检测到一个H2H终端请求服务，则基站同时为M2M终端和H2H终端提供服务；如果检测到多个H2H终端请求服务，则基站暂停M2M业务转变为H2H终端提供服务；如果没用H2H终端请求服务，则执行步骤3；

步骤3a、基站广播子帧编号n_i，在基站广播子帧编号n_i时，还要广播随机数p(p∈[0，1])；当基站广播的子帧编号n_i与M2M终端所在的组号相同时，属于该组的M2M终端均产生随机数q_i(q_i∈[0，1])；

步骤3b、M2M终端将产生的随机数q_i与基站广播的随机数p比较，如果q_i＜p，则M2M终端等概率的从8个上行导频码即SYNC-UL码中随机选择一个，M2M终端以估计的时间和发射功率发送上行导频码开始上行同步过程；如果q_i≥p，则终端停止上行同步过程，等待当前超帧结束，返回步骤1；

步骤3c、基站检测收到的上行导频码，此时的8个上行导频码分别可能处于3种状态：正确接收，发生碰撞，信道空闲；基站统计三种状态的上行导频码个数：分别为S_corrsct，S_conflict，S_frss，并且根据三种状态的情况估算小区内总的终端个数；

2.根据权利要求1所述的基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，其特征在于：其中步骤2所述在M2M通信过程中同时支持H2H通信，包括如下步骤：

步骤2c、存在多个H2H终端请求服务时，基站记录应当广播的子帧编号并在下一个子帧广播一个不存在的子帧编号，来暂停为M2M终端服务转而为H2H终端提供服务；

步骤2d、H2H终端监听下一个子帧的FPACH信道，如果FPACH信道内有信息则是基站发送给自己的接入控制信息；如果FPACH信道内没有信息表明有多个H2H终端同时请求服务，那么H2H终端使用现行的H2H通信流程重新进行尝试；当H2H通信结束后，基站从暂停的子帧编号开始继续广播。

3.根据权利要求2所述的基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，其特征在于：其中步骤3c所述的基站根据小区内终端接入情况估算小区内总的终端个数，包括如下步骤：

步骤3c1、各M2M终端在上行同步过程中发送的SYNC-UL码是随机选取的，基站检测收到的上行导频码并统计三种状态的上行导频码个数：分别为S_corrsct，S_conflict，S_frss，同时基站记录完成上行同步过程的终端个数X_complsts；

步骤3c2、当一个超帧结束后，基站依照统计的SYNC-UL码的3种状态的数量计算上一个超帧中每一个分组内平均终端的个数x，并以此计算小区内M2M终端的总数X_total，X_total＝x×N；剩余等待接入的终端个数X_rsmain，X_rsmain＝X_total-X_complsts，然后基站根据剩余的等待接入终端个数X_rsmain确定新的分组数，并将新的分组数返回步骤1更新小区信息，实时改变分组数N；每当一个超帧结束后，基站就重复步骤3c2。

4.根据权利要求3所述的基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，其特征在于：其中步骤4所述的根据接入终端的情况配置子帧内信道，包括如下步骤：

步骤4a、M2M终端使用TS0时隙中的空闲信道作为的FPACH(M)信道，H2H终端仍然使用系统原先配置的FPACH信道，两种信道分别以FPACH和FPACH(M)区别；

步骤4c、M2M终端在发送完成SYNC-UL码后，监听下一个子帧的TS0时隙，判断FPACH(M)信道中是否有相应自己的接入控制信息，并根据接收到的接入控制信息决定之后采取的行为，如果有，则M2M终端根据自己所要传输的数据量决定在PRACH信道上传输的内容；如果没有，终端等待当前超帧结束，返回步骤1。

5.根据权利要求4所述的基于TD-SCDMA网络的M2M业务无线资源调度方法，其特征在于：其中步骤5所述根据终端对时延的要求来分配信道资源，包括如下步骤：

步骤5a、根据接收到的摘要信息，基站计算以下内容：子帧内可用的空闲信道数M_actual，为各M2M终端分配的信道数m_i，在为各M2M终端分配完后仍然剩余的空闲信道数M_rsmain；

步骤5b、基站先依据终端对时延的要求将终端由小到大排列t₁＜t₂＜…＜t_n，再根据以上的计算优先为时延小的终端分配信道资源，直到M_rsmain＝0，基站通过辅公共物理信道即SCCPCH信道，通知各相应终端信道的分配信息，完成当前子帧的信道分配过程，当下一个子帧基站接收到新的摘要信息后，返回步骤5a重新进行信道分配。