CN102932795B - 基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法，主要解决现有前导码分配方法在实现M2M和H2H业务竞争随机接入前导码时，易造成阻塞的问题。其实现步骤为：演进的基站eNodeB对新接入到达的业务分类并分别进行统计，获取业务统计周期结束时业务统计数；计算业务加权平均到达率，利用H2H业务阻塞率保障算法对两种业务进行差异化前导码分配；演进的基站eNodeB将已分配的前导码个数消息广播给终端，完成当前周期前导码分配。本发明能保证高优先级H2H业务优先分配到前导码资源，降低H2H业务的阻塞，同时最大化允许M2M业务接入，可用于LTE系统中实施物联网的前导码分配。

Description

基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及LTE系统随机接入资源分配方法，特别涉及一种基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法，可用于在LTE系统中引入M2M业务时的随机接入前导码分配过程中。

背景技术

机器类通信M2M，作为物联网在现阶段最主要的应用形式，是一种新兴的通信类型，作为移动通信领域新的业务增长点，在蜂窝网中实施机器类型通信受到移动运营商的重视和青睐，而且蜂窝网络以其覆盖范围广，建设成本低，部署方便等特点，也为在蜂窝网中实施机器类通信提供有利条件。

由于机器类通信设备数量具有海量特性以及业务通信习惯具有突发特性，因此当海量M2M终端同时接入到现有的基于人与人H2H之间通信规则设计的LTE系统时，由于现有LTE系统的随机接入所需的前导码资源是有限的，就极易造成随机接入拥塞。

随机接入过程在LTE系统中起着非常重要的作用，是用户设备UE进行初始连接，切换，选择重建立，从空闲模式转换到连接模式时重新恢复上行同步以及上行资源请求的唯一策略。根据演进的基站eNodeB是否会给UE发起的随机接入过程指派专用的随机接入资源，随机接入过程可以分为基于竞争方式和基于非竞争方式。

LTE随机接入过程的第一步是终端在物理随机接入信道PRACH上发送随机接入前导序列，但是在进行这一步之前，终端物理层首先要从高层获取物理随机接入信道PRACH参数配置等信息，以及演进的基站eNodeB广播的前导码，当演进的基站eNodeB没有指派专用的前导码时，UE就从小区分配的64个可用的前导码中随机选择一个前导码，然后根据高层提供的参数配置信息，演进的基站eNodeB在系统消息中通过系统信息块SIB2将已经分配的前导码个数消息分别广播给业务终端，并由Zadoff-Chu(ZC)根序列进行循环移位生成前导序列，最后以一定的功率发送该前导序列。

但是LTE系统是为满足H2H用户通信性能而设计的，每小区最多可用的前导码数为64，因此，当具有海量设备，以及突发业务特性的M2M业务也发起随机接入时，就会对H2H业务有限的随机接入前导码资源造成竞争，不仅不能保障H2H业务的原有性能，而且也可能造成系统在随机接入侧发生拥塞，导致随机接入前导码资源得不到充分利用。因此在LTE系统中设计针对M2M业务的差异化前导码分配方法非常必要。

Ki-Dong Lee等人在文章中提出了用于在LTE网络中部署M2M业务的一种以总吞吐量最大为优化目标的前导码分配方法。该方法是以总吞吐量为出发点，来为两种业务分配前导码。具体的可以分为以下三步：1）演进的基站eNodeB根据H2H业务和M2M业务的到达率，推导出系统总吞吐量的表达式；2）对系统总吞吐量表达式求解，计算出使总吞吐量最大时的前导码分配比例；3）根据前导码分配比例以及总的前导码数，分别计算为H2H业务和M2M业务分配的前导码数。

这种以总吞吐量为优化目标的前导码分配方法，虽然保证了系统总吞吐量，但可能导致的结果是允许了很多低优先级的M2M业务接入系统，而高优先级的H2H业务却被严重阻塞，因此不能保障H2H业务的高优先级特性以及低阻塞率特性，不符合网络优化的最终目的。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有方法的不足，提出一种基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法，以保证高优先级的H2H业务优先分配到前导码资源接入系统，降低H2H业务的阻塞。

实现本发明目的技术思路是：通过对H2H业务的阻塞率性能分析，由演进的基站eNodeB决定优先为高优先级的H2H业务分配前导码资源，之后将剩余的前导码资源分配给低优先级的M2M业务，使在LTE网络中引入M2M业务时的前导码分配问题得到合理解决。

为实现上述目的，本发明的前导码分配方法，包括以下步骤：

（1）在每个业务统计周期内，当有一个新的接入业务信息到达演进的基站eNodeB时，eNodeB通过对新的业务接入信息中携带的业务类型信息对该新的接入业务进行分类，并根据分类结果给分类业务对应的业务计数器加1，其中所述新的接入业务分为人与人通信H2H业务和机器类通信M2M业务；

（2）在每个业务统计周期结束时，演进的基站eNodeB获取业务计数器记录的人与人通信H2H业务数N_H2H和机器类通信M2M业务数N_M2M，并根据前一业务统计周期H2H业务和M2M业务的加权平均到达率，计算当前业务统计周期内H2H业务的加权平均到达率λ_H2H和M2M业务的加权平均到达率λ_M2M：

${\mathrm{\λ}}_{H2H}=\mathrm{\α}\×{\mathrm{\λ}}_{H2H}^{\mathrm{old}}+(1-\mathrm{\α})\×\frac{N_{H2H}}{T}$

${\mathrm{\λ}}_{M2M}=\mathrm{\α}\×{\mathrm{\λ}}_{M2M}^{\mathrm{old}}+(1-\mathrm{\α})\×\frac{N_{M2M}}{T},$

其中，和分别为上一业务统计周期结束时的H2H业务和M2M业务的加权平均到达率，N_H2H和N_M2M分别为当前业务统计周期结束时业务计数器记录的H2H业务和M2M业务的业务统计个数，T为业务统计周期的时间长度，α为加权因子，用于表示一个业务统计周期内的业务到达率对加权平均到达率的影响程度，取值范围为0.2～0.9；

（3）计算完成后，将λ_H2H更新为将λ_M2M更新为并使H2H业务和M2M业务计数器清零；

（4）演进的基站eNodeB根据在当前业务统计周期结束时计算获取的H2H业务的加权平均到达率λ_H2H，计算每一前导码平均占有的H2H业务到达率λ_H2H/L，以及每一前导码对应的H2H业务通过率将每一前导码平均占有的H2H业务到达率与每一前导码对应的H2H业务通过率做差，得到H2H业务阻塞率公式：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_{H2H}}{L}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{H2H}}{L}\exp (-\frac{{\mathrm{\λ}}_{H2H}}{L}),$

其中，L表示当前业务统计周期结束时应该给H2H业务分配的前导码个数，exp（）表示指数函数；

（5）依据网络规定的保障H2H业务性能的阻塞率p_bH2H，演进的基站eNodeB按照上述H2H业务阻塞率公式，计算出在当前业务统计周期结束时应该给H2H业务分配的前导码个数L：

$p_{\mathrm{bH}2H}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{H2H}}{L}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{H2H}}{L}\exp (-\frac{{\mathrm{\λ}}_{H2H}}{L});$

（6）演进的基站eNodeB将剩余的（N-L）个前导码分配给M2M业务，其中，N表示一个长期演进系统LTE小区中演进的基站eNodeB可分配的前导码总数；

（7）演进的基站eNodeB将已经分配的前导码个数消息分别广播给H2H业务终端和M2M业务终端，完成当前业务统计周期的前导码分配。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1）本发明根据H2H业务的阻塞率公式，在保障H2H业务阻塞率的条件下，优先为H2H业务分配所需的前导码资源，然后再将剩余的前导码资源分配给低优先级的M2M业务，与现有的方法相比，保障了H2H业务的高优先级；

2）本发明通过对到达演进的基站eNodeB的业务进行统计来周期性计算接入业务的加权平均到达率，根据每个业务统计周期业务到达率的变化更好的决策当前周期前导码的实时分配，更符合现有网络接入业务的动态特性；

3）本发明是以保障H2H业务阻塞率为优化目标进行前导码分配，与现有方法相比，降低了H2H业务的阻塞，同时通过将剩余前导码资源分配给M2M业务，从而最大化的允许M2M业务的接入，充分利用系统前导码资源。

附图说明

图1是本发明的前导码分配总流程图；

图2是本发明中对H2H业务和M2M业务进行前导码分配场景图；

图3是现有基于吞吐量最大原则的吞吐量变化曲线；

图4是本发明基于保障H2H业务阻塞率的前导码分配曲线；

图5是对本发明方法和现有前导码分配方法的总吞吐量仿真对比图；

图6是对本发明方法和现有前导码分配方法的H2H业务阻塞率仿真对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明的前导码分配方法，其实现步骤如下：

步骤1，对接入业务进行分类。

在每个业务统计周期内，当有一个新的接入业务到达演进的基站eNodeB时，该接入业务的业务帧标识域中会携带业务类别标识，该业务类别标识标记了该接入业务的业务分类；演进的基站eNodeB通过该业务接入信息中携带的业务类别标识对该业务进行分类，其中所述新的接入业务分为H2H业务和M2M业务。

步骤2，对分类的两种业务分别进行统计。

2A）根据已经分类的H2H业务和M2M业务，演进的基站eNodeB对这两类业务在每个业务统计周期开始时分别开启一个业务统计周期进程进行业务计数，设业务计数器初值N_H2H=0，N_M2M=0，统计时间t=0，每到达一种H2H业务或M2M业务时，演进的基站eNodeB对各自的业务计数器进行加1操作，即N_H2H=N_H2H+1，N_M2M=N_M2M+1，同时业务统计时间t开始计时；

2B）演进的基站eNodeB根据业务统计周期进程的统计时间t的值，以及预先规定的业务统计周期T的关系，做出如下判断：当t<T时，演进的基站eNodeB继续对到达的业务进行统计计数，直至业务计数器统计时间t=T；当t=T时，则当前业务统计周期结束，此时演进的基站eNodeB记录下当前业务统计周期结束时两种业务的到达数N_H2H，N_M2M作为下一步处理的已知参数。

步骤3，根据统计结果计算两种业务加权平均到达率。

3A）演进的基站eNodeB根据在当前业务统计周期结束时已经获得的两种业务的到达数N_H2H，N_M2M，以及业务统计周期T，计算在当前业务周期内统计得到的两种业务的平均到达率N_H2H/T，N_M2M/T；

3B）演进的基站eNodeB结合前一业务统计周期结束时计算的加权平均到达率与以及当前业务统计周期已经计算得到的平均到达率N_H2H/T，N_M2M/T，平滑计算出当前业务统计周期结束时两种业务的加权平均到达率，具体可以通过以下加权公式来计算当前业务统计周期结束时H2H业务和M2M业务的加权平均到达率：

${\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}=\mathrm{\&alpha;}\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}^{\mathrm{old}}+(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;\frac{N_{H2H}}{T}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{M2M}=\mathrm{\&alpha;}\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_{M2M}^{\mathrm{old}}+(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;\frac{N_{M2M}}{T},$

其中，λ_H2H和λ_M2M分别为当前业务统计周期结束时的H2H业务和M2M业务的加权平均到达率，与分别为上一周期结束时的H2H业务和M2M业务的加权平均到达率，N_H2H与N_M2M分别为当前业务统计周期结束时业务计数器记录的H2H业务和M2M业务的业务统计个数，T为业务统计周期的时间长度，α为加权因子，用于表示一个业务统计周期内的业务到达率对加权平均到达率的影响程度，取值范围为0.2～0.9；

将在当前业务统计周期内通过加权公式计算出的H2H业务和M2M业务加权平均到达率λ_H2H，λ_M2M作为下一步演进的基站eNodeB对当前业务统计周期内前导码分配的已知参数。

步骤4，计算完成后，将λ_H2H更新为将λ_M2M更新为并使H2H业务和M2M业务计数器清零。

在每个业务统计周期结束时，演进的基站eNodeB在计算得到H2H业务和M2M业务的加权平均到达率参数后，将λ_H2H更新为λ_M2M更新为并使演进的基站eNodeB为H2H业务和M2M业务在当前业务统计周期开启的业务计数器清零，为演进的基站eNodeB进行下一个业务统计周期内的前导码分配做准备。

步骤5，根据当前业务统计周期的加权平均到达率，对两种业务进行差异化前导码分配。

5A）演进的基站eNodeB对接入的H2H业务的前导码进行分配

5A1)演进的基站eNodeB根据在当前业务统计周期结束时计算获取的H2H业务的加权平均到达率λ_H2H参数，以及演进的基站eNodeB当前业务统计周期分配给H2H业务的前导码数L，得到每一前导码平均占有的H2H业务到达率λ_H2H/L；

5A2)由得到的每一前导码平均占有的H2H业务到达率λ_H2H/L，计算出在每一前导码对应的H2H业务通过率

5A3)将每一前导码平均占有的H2H业务到达率与每一前导码对应的H2H业务通过率做差，得到H2H业务阻塞率公式：

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}\exp (-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}),$

其中，H2H业务阻塞率，是指在每个业务统计周期内，接入被阻塞的H2H业务个数与总的H2H业务接入个数之比，exp（）表示指数函数；

5A4)依据网络规定的阻塞率参数，演进的基站eNodeB按照上述H2H业务阻塞率公式，计算出在当前业务统计周期结束时应该给H2H业务分配的前导码个数L：

$p_{\mathrm{bH}2H}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}\exp (-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}),$

式中，p_bH2H表示网络预先规定的保障H2H业务性能的阻塞率参数，该阻塞率参数为已知的，N表示一个长期演进系统LTE小区中演进的基站eNodeB可分配的前导码总数，所述p_bH2H和N均为已知的参数，L表示实际分配给H2H业务的前导码数，在实际中应该满足L≤N的条件，由于L是分配给H2H业务的前导码数，不能大于LTE小区实际可分配的前导码总数N，因此当由阻塞率公式计算的为H2H业务分配的前导码数L>N时，取L与N相等；

5B）演进的基站eNodeB根据上述已经为H2H业务分配的前导码数L，以及每个LTE小区可分配的前导码总数N，将（N-L）个前导码完全分配给M2M业务。

步骤6，演进的基站eNodeB在其系统消息中通过系统信息块SIB2将已经分配的前导码个数消息L广播给H2H业务终端，将已经分配的前导码个数消息（N-L）广播给M2M业务终端，终端随机选择一个前导码，至此演进的基站eNodeB完成在当前业务统计周期的前导码的分配。

本发明方法的优点可以通过仿真结果进一步说明：

1、仿真场景

前导码分配的场景如图2所示，将每个LTE小区可分配的前导码总数N分为两部分，其中把L个前导码分配给H2H业务，将剩余的（N-L）个前导码分配给M2M业务。

在一个LTE蜂窝小区的基站覆盖范围内，这里我们只讨论在一个业务统计周期T内发起接入的H2H业务和M2M业务，此时假设系统为其分配了54个可分配的前导码，其余10个随机接入前导码已由网络预先分配给切换用户和获取上行同步过程的用户，随机接入尝试为Poisson过程，H2H业务和M2M业务到达率服从λ₁/λ₂＝2的到达比例。

由于现有的基于吞吐量最大原则设计的前导码分配方法，采用以上的仿真场景时，当达到最大吞吐量的优化目标时，H2H业务和M2M业务的到达率为36个/秒，18个/秒，如图3所示，因此，为了保证两种方法仿真性能的可比性，假设在基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法中，如图4所示，两种业务的到达率也为36个/秒，18个/秒。

2、仿真内容及结果

内容是当LTE系统处于繁忙状态时，分别采用现有前导码分配方法和本发明提出的新的差异化前导码分配方法，比较这两种方法的H2H业务阻塞率和系统总吞吐量性能。

仿真一：利用现有的前导码分配方法对系统的总吞吐量和H2H到达率的性能曲线进行，仿真结果如图3所示。图3表明，当H2H业务的到达率为36个/秒，M2M业务的到达率为18个/秒时，系统的总吞吐量最大。

仿真二：利用本发明前导码分配方法对H2H业务阻塞率与分配给H2H业务前导码的性能曲线进行仿真，仿真结果如图4所示。图4表明，当要保障网络规定的5.379%的H2H业务的阻塞率时，需要为H2H业务分配前导码47个，为M2M业务分配前导码7个时，才能满足H2H业务的阻塞率要求。

仿真三：用本发明和现有前导码分配方法，对H2H业务阻塞率性能进行对比，结果如图5所示。图5表明，当采用本发明的前导码分配方法时，高优先级的H2H业务阻塞率明显降低，因此保障H2H业务的高优先级和低阻塞率特性。

仿真四：用本发明和现有前导码分配方法，对系统总吞吐量性能进行对比，结果如图6所示。图6表明，本发明的前导码分配方法在系统总吞吐量方面只有较小的降低，因此保障系统资源在优化目标下的充分利用。

术语说明

M2M：Machine to Machine，机器类通信；

H2H：Human to Human，人与人通信；

LTE：Long Term Evolution，长期演进；

eNodeB：evolved Node B，演进的基站。

Claims (3)

1.一种基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法，包括以下步骤：

(1)在每个业务统计周期内，当有一个新的接入业务信息到达演进的基站eNodeB时，eNodeB通过对新的业务接入信息中携带的业务类型信息对该新的接入业务进行分类，并根据分类结果给分类业务对应的业务计数器加1，其中所述新的接入业务分为人与人通信H2H业务和机器类通信M2M业务；

(2)在每个业务统计周期结束时，演进的基站eNodeB获取业务计数器记录的人与人通信H2H业务数N_H2H和机器类通信M2M业务数N_M2M，并根据前一业务统计周期H2H业务和M2M业务的加权平均到达率，计算当前业务统计周期内H2H业务的加权平均到达率λ_H2H和M2M业务的加权平均到达率λ_M2M：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}=\mathrm{\&alpha;}\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}^{\mathrm{old}}+(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;\frac{N_{H2H}}{T}\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{M2M}=\mathrm{\&alpha;}\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_{M2M}^{\mathrm{old}}+(1-\mathrm{\&alpha;})\&times;\frac{N_{M2M}}{T}\end{array},$

其中，和分别为上一业务统计周期结束时的H2H业务和M2M业务的加权平均到达率，N_H2H和N_M2M分别为当前业务统计周期结束时业务计数器记录的H2H业务和M2M业务的业务统计个数，T为业务统计周期的时间长度，α为加权因子，用于表示一个业务统计周期内的业务到达率对加权平均到达率的影响程度，取值范围为0.2～0.9；

(3)计算完成后，把λ_H2H的值赋给把λ_M2M的值赋给并使H2H业务和M2M业务计数器清零；

(4)演进的基站eNodeB根据在当前业务统计周期结束时计算获取的H2H业务的加权平均到达率λ_H2H，计算每一前导码平均占有的H2H业务到达率λ_H2H/L，以及每一前导码对应的H2H业务通过率将每一前导码平均占有的H2H业务到达率与每一前导码对应的H2H业务通过率做差，得到H2H业务阻塞率公式：

$\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}\exp (-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}),$

其中，L表示当前业务统计周期结束时应该给H2H业务分配的前导码个数，exp()表示指数函数；

(5)依据网络规定的保障H2H业务性能的阻塞率p_bH2H，演进的基站eNodeB按照上述H2H业务阻塞率公式，计算出在当前业务统计周期结束时应该给H2H业务分配的前导码个数L：

$p_{\mathrm{bH}2H}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L}\exp (-\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{H2H}}{L});$

(6)演进的基站eNodeB将剩余的(N‐L)个前导码分配给M2M业务，其中，N表示一个长期演进系统LTE小区中演进的基站eNodeB可分配的前导码总数，L≤N；

(7)演进的基站eNodeB将已经分配的前导码个数消息分别广播给H2H业务终端和M2M业务终端，完成当前业务统计周期的前导码分配。

2.根据权利要求1所述的基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法，其中，所述步骤(1)中的业务类型信息，是指每个接入业务的业务帧标识域中的业务类别标识。

3.根据权利要求1所述的基于业务阻塞率差异化保障的物联网前导码分配方法，其中，所述步骤(4)中的H2H业务阻塞率，是指在每个业务统计周期内，接入被阻塞的H2H业务个数与总的H2H业务接入个数之比。