CN105142118B - Td-lte集群系统用户的快速随机接入方法 - Google Patents

Td-lte集群系统用户的快速随机接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TD‑LTE集群系统用户的快速随机接入方法，包括如下步骤：选定集群代理接入用户；集群代理接入用户向基站发送代理随机接入请求RA；基站读取随机接入请求，在集群寻呼信道上向其发送随机接入回应消息RAR；集群代理接入用户接收到RAR消息后，向基站发送代理调度传输信息；基站向集群代理接入用户发送竞争解决成功消息，标识集群群组内所有用户进入连接建立状态；集群代理接入用户通知所有集群普通接入用户：接入成功。通过改变集群群组内用户的随机接入方式，使用一个集群代理接入用户代表集群群组内所有用户与基站进行交互，从根本上解决了集群群组所有用户同时接入时导致的碰撞问题。从而缩短了集群群组用户的接入时间，节省了网络资源。

Description

TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法。
背景技术
LTE(Long Term Evolution，长期演进)是3GPP近年来启动的最大的技术研发项目，它大幅提高了峰值数据传输速率、降低了无线网络时延，被公认为是能在2010-2020年支撑世界电信产业的移动通信系统。集群通信系统在近年来也获得了迅猛的发展，它是为了满足行业用户指挥调度需求而开发应用的专用无线通信系统，拥有专有的通讯设备与通信频率，以半双工方式通信，工作时通过即按即说(Push To Talk,PTT)键控制信道的获取和释放，信道利用率高，呼叫接续快，呼叫建立时间短，资源利用率高。
虽然市场对于集群通信系统的需求十分迫切，但当前从国内和国际集群通信系统的发展来看，集群通信系统的发展远远落后于公共蜂窝宽带接入网的发展。其原因既有产业链较为薄弱，也包括数据传输能力和多媒体支持能力弱等。且目前的集群通信系统只能在群组内进行数据传输，使用者不能在使用集群系统的同时访问公共通信网络，这也是集群系统的一大弊端。为了进一步完善和发展集群通信系统，业界已经开始研究将集群通信系统与公共蜂窝宽带接入网进行结合。
随着蜂窝宽带接入技术的飞速发展，TD-LTE已经能够提供下行为100Mbit/s、上行为50Mbit/s的峰值速率，且TD-LTE系统具有多播功能，能够非常好的支持集群系统中一对多的通信模式，如果能够将TD-LTE与集群通信相融合，集群通信系统一方面可以获得LTE高速率的数据传输能力，并且这种结合对网络标准改动小，能够获得较强的产业链支持。另外由于依托于蜂窝宽带接入网络，集群通信系统既可采用专网的组网方式，使用集群专有信道，向对专业性要求较高的客户提供服务；也可采用公网的组网方式，向公众及对专业性要求一般的客户提供基础集群服务，且可以使用户在使用集群服务的同时，作为普通用户与其他非集群用户进行数据交互。随着TD-LTE技术的逐步商用，可以预见，将TD-LTE网络与集群通信相结合，是宽带集群系统演进的趋势。
集群系统用户使用TD-LTE系统时，首先要进行随机接入与基站建立连接。随机接入过程(Random Access Procedure)是TD-LTE系统中的一个重要的过程，它首先由UE向基站发送随机接入请求RA，RA的内容是随机接入preamble，其主要作用是告诉基站有一个随机接入请求，并使得基站能估计其与UE之间的传输时延并告知UE，当两个不同UE在同一时刻发送了相同的preamble时，就会产生碰撞。基站在接收到RA之后，向UE发送随机接入回应消息RAR，RAR的内容主要包括临时C-RNTI、preamble标示、时间提前量、下一步所发消息的上行资源分配信息以及可选的退避指示等，使用相同preamble的UE会收到相同的RAR。之后UE在RAR中指示的资源上向基站发送调度传输信息，内容包括该UE的唯一身份标识信息、时间提前量等。最后由基站向UE发送竞争解决消息，内容包括竞争解决单元与C-RNTI等，其中的竞争解决单元包含了竞争解决成功的UE的身份标识信息，UE判断自己竞争解决成功后会进入连接建立状态，随机接入过程结束，如果竞争解决失败，则从发送随机接入请求开始重新接入。
集群系统与TD-LTE的结合，不是简单的将集群群组用户当作普通UE接入LTE，而是需要保证集群群组用户在接入LTE后不仅可以作为普通用户与公网通信，而且可以保留自己作为集群群组用户的身份，使用集群系统专有信道与群组中其他成员进行数据传输，最大程度上发挥集群通信系统与TD-LTE系统结合的优势。集群系统对接入时间具有很高的要求，它要求呼叫建立时间短，单系统呼叫建立时间小于500ms。如果集群群组用户各自单独接入LTE系统，所有用户全部接入成功需要的时间总和会比较长。并且由于集群群组用户具有群体性的特点，它们倾向于集体进行某些操作，因此可能会在短时间内出现有大量用户同时申请进行随机接入的情况，这不仅会占用大量的系统资源，而且会使得碰撞的可能性大幅增大，成功率大幅下降，进而导致重新接入使得接入成功的时间延长。因此集群群组用户的随机接入应与普通用户的随机接入有所区别，研究TD-LTE系统中集群群组用户如何快速接入具有重大的意义。
通过对业界已有TD-LTE集群系统随机接入方法的研究发现，为达到快速接入的目的，业内使用的措施大致包括以下三个方面：
1)上行物理随机接入信道预留时频物理资源，降低了用户随机接入时的碰撞概率，从而缩短呼叫建立的时间；
2)随机接入响应经由集群寻呼信道传送，提高了集群寻呼消息发送的频率，缩短网络侧的寻呼等待时间，达到集群通信系统快速呼叫建立的目的；
3)优化碰撞退避算法，减少集群群组用户接入碰撞时的退避时间，达到快速接入的效果。
发明内容
本发明提供了一种单个用户负责代理整个集群群组接入过程的快速随机接入方法。该方法可以避免集群群组用户同时接入产生的碰撞，减少随机接入时间，从而节省网络资源，缓解网络压力。其中，负责代理整个集群群组接入过程的用户称为集群代理接入用户，其余用户称为集群普通接入用户。
本发明的TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法，包括如下步骤：
步骤S1、选定集群代理接入用户，以开机时间先后作为选定集群代理接入用户的判定条件；
步骤S2、集群代理接入用户向基站发送代理随机接入请求RA；
步骤S3、基站读取随机接入请求，了解其是集群代理接入用户，在集群寻呼信道上向其发送随机接入回应消息RAR；
步骤S4、集群代理接入用户接收到RAR消息后，向基站发送代理调度传输信息；
步骤S5、基站向集群代理接入用户发送竞争解决成功消息，同时更新自己的配置，根据集群代理接入用户上报的信息标识集群群组内所有的用户进入连接建立成功状态；
步骤S6、集群代理接入用户通知所有集群普通接入用户：接入成功。
进一步地，所述步骤S2中代理随机接入请求RA的内容包括本次被代理接入的用户数N，以及对应的N个preamble。
进一步地，所述步骤S4中的调度传输信息包括集群代理接入用户和所有集群普通接入用户的调度传输信息。
进一步地，步骤S6中，集群普通接入用户会根据集群代理接入用户发送的信息更新自己的配置，向集群代理接入用户发送ACK，并进入连接建立状态。
本发明的有益效果：通过改变集群群组内用户的随机接入方式，使用集群代理接入用户负责和基站进行交互，代理集群普通接入用户的随机接入，从根本上解决了集群群组所有用户同时接入时导致的碰撞问题，大大减少了接入时间，同时使得紧急情况下所有集群群组用户都能够最早的接入网络；使用本发明可以减少集群群组用户与基站的总交互时间，提高接入速度，也减少了总交互次数；缓解了基站的压力，提高了网络性能。
附图说明
图1为本发明的交互示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为步骤S2格式示意图；
图4为RAR消息的格式定义图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图1所示，本发明的TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法，包括如下步骤：
步骤S1：选定集群代理接入用户，以开机时间先后作为选定集群代理接入用户的判定条件。集群群组内用户开机后，首先在集群寻呼控制信道上监听。如果T1时间内监听到已有用户开始进行随机接入的消息，则继续监听直到集群代理接入用户发送接入成功的信息；如果T1时间内监听到接入成功消息，表示已有集群代理接入用户代表所有用户接入成功，接收相关信息后直接免接入进入连接状态。上述两种情况说明本用户是集群普通接入用户，只需接收接入成功信息、发送ACK消息即可进入连接建立状态。如果T1时间内没有监听到任何消息，则认为自己是第一个开机的用户，成为集群代理接入用户，负责代理集群群组内所有用户的接入。之后以T1为周期在集群寻呼控制信道上广播随机接入开始的消息，以便其他用户进行监听。因此步骤S1耗时T1。标准随机接入过程中不包含本步骤，因而没有T1时耗产生。
步骤S2：集群代理接入用户向基站发送代理随机接入请求RA。由于代理随机接入请求需要包括每个用户的preamble，因此集群代理用户需要为每个用户获取一个preamble。集群代理接入用户首先在广播信道上接收基站发送的配置信息，获取UEpreamble的分组。然后根据集群群组内用户的总数量N，在可用的preamble序列中选取N个不同的preamble向基站发送，这样可以从根本上避免由于不同用户选择了相同preamble而引起的接入碰撞。假设选取preamble的过程耗费时间T2，选定以后，集群代理接入用户向基站发送代理随机接入请求，格式示意图见图3。假设接收广播消息耗时T3，发送过程耗费时间T4，因此步骤S2总耗时T2+T3+T4。按照标准协议进行随机接入时，由于同样需要接收广播消息以及选取preamble，而发送的随机接入请求大小仅为一个用户随机接入请求的大小，因而一个用户的耗时为
进一步的，当N大于可用的preamble数量时，集群代理接入用户根据设备号将集群普通接入用户分组，每次代理一组集群普通接入用户的随机接入，直至所有集群普通接入用户都被代理接入成功。
步骤S3：基站读取随机接入请求，了解其是集群代理接入用户，在集群寻呼信道上向其发送RAR消息。基站按照TD-LTE协议标准来组织RAR消息，格式如图4。包含RAR的MACPDU由一个MAC头(MAC header)与1个或多个MAC RAR以及可能存在的padding组成。从MACPDU的结构可以看出，如果基站同一时间内检测到来自多个用户的随机接入请求，则使用一个MAC PDU对这些接入请求进行响应，每个RA对应一个RAR。在这里由于步骤2中集群代理接入用户同时发送了所有集群群组内用户的preamble，因而在MAC头后会携带步骤S2中所有发送的preamble对应的RAR消息。基站将这个MAC PDU发送到集群寻呼控制信道上。假设基站处理并发送的总耗时为T5。按照标准协议进行随机接入时，单个用户耗时近似为
步骤S4：集群代理接入用户接收到RAR消息后，向基站发送调度传输信息。所述步骤S4中的调度传输信息包括所有集群普通接入用户以及集群代理接入用户自身的调度传输信息。该消息包括集群群组内用户的数量以及每个用户的调度传输信息，调度传输信息中包含集群群组用户唯一的标志。假设该过程耗费时间T6，按照标准协议进行随机接入时，单个用户耗时近似为
步骤S5：基站向集群代理接入用户发送竞争解决成功信息，同时更新自己的配置，根据集群代理接入用户上报的信息标识集群群组内所有的用户进入连接建立成功状态。假设基站处理调度传输信息并发送竞争解决信息共耗时T7，按照标准协议进行随机接入时，单个用户耗时近似为
步骤S6：集群代理接入用户通知所有集群普通接入用户：接入成功。步骤S6中，集群代理接入用户首先进入连接建立状态，可以与基站进行正常数据交互。同时，集群代理接入用户周期性广播通知集群普通接入用户其接入信息，该信息包括集群普通接入用户的设备号及对应的C-RNTI。集群普通接入用户在集群寻呼控制信道上监听到接入成功的消息后，选择自己设备号对应的C-RNTI并回复序号为该C-RNTI的ACK，之后跳转至连接建立状态，即可与基站进行正常数据交互。集群代理接入用户在收到ACK后停止广播该C-RNTI，在所有C-RNTI都被集群普通接入用户认领后，集群代理接入用户停止广播，随机接入过程结束。
考虑到集群代理接入用户负责代理一组用户的接入，在基站处设置集群代理接入用户的优先级相对较高，当集群代理接入用户与普通LTE用户发生接入碰撞的时候，基站会优先判定集群代理接入用户接入成功。所以可以认为每次集群代理接入用户进行接入时一定会接入成功。
考虑到系统鲁棒性，设置后备集群代理接入用户。如果收到的ACK是集群代理接入用户收到的第一个ACK，那么向发送该ACK的集群普通接入用户发送剩余所有集群普通接入用户的接入消息，使其成为后备集群代理接入用户。后备集群代理接入用户在集群寻呼控制信道上持续监听集群代理接入用户的广播信号，如果其广播信号消失，在1-2周期后，后备集群代理接入用户成为新的集群代理接入用户继续广播待认领的C-RNTI消息，直至所有C-RNTI被认领完毕。
因此在一个用户个数为N的集群系统内，所有集群普通接入用户及集群代理接入用户都有立即通信需求的情况下，使用本发明提出的快速随机接入方法，集群代理接入用户从开始接入至接入成功一共需要的时长为：
Tsum_new＝T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+4T
如果在集群普通接入用户开机时集群代理接入用户已经接入成功，那其进入连接建立状态只需要T0，如果集群普通接入用户开机时集群代理接入用户刚刚开始进行随机接入，那么该集群普通接入用户最多只需等待Tsum_new+T0便可进入连接建立状态。
而N个没有使用本发明提出的快速随机接入方法的集群群组用户，单个的接入时长为：
N个集群群组用户的总接入时长在最好情况(未发生碰撞且以最快速度接入)下为：
Tsum_old＝N*Told＝NT2+NT3+T4+T5+T6+T7+4NT
它们的时间差为：
Tsum_old-(Tsum_new+T0)＝(N-1)(T2+T3+4T)-T1-T0
假设集群代理接入用户距离基站2000米，距离集群普通接入用户200米，电磁波传播速度粗略认为为光速，那么可以得出T与T0均为微秒级。T1是本发明步骤S1中规定的一个值，为集群代理接入用户的广播周期，可以假定为1ms。T2与T3为系统运行耗时，一般为毫秒级。因此结合上式可以看出使用本发明可以节省接入时间，且N越大，节省的时间越多。
在该集群群组没有立即通信需求，即对时间没有特别严格要求的情况下，使用本发明所描述的随机接入方法依然有极大的好处。从随机接入占用信道资源的角度上来看，使用本发明所描述的随机接入方法，N个集群群组用户的接入只需4次用户与基站之间的交互，而使用标准协议定义的随机接入方法，在没有发生碰撞的情况下，需要进行4N次用户与基站之间的交互，显然本发明中的随机接入方法能够大幅度减少交互次数，大量减少信道资源的占用，减小网络压力。
综合上述，本发明提出了一种集群用户快速随机接入方法，使用该方法可以达到一个用户代理一组用户进行随机接入，被代理的用户免接入的效果，可以明显提高集群用户整体接入速度并在很大程度上减少了网络信令交互，减小了网络压力。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、选定集群代理接入用户，以开机时间先后作为选定集群代理接入用户的判定条件；
步骤S2、集群代理接入用户向基站发送代理随机接入请求RA；集群代理接入用户首先在广播信道上接收基站发送的配置信息，获取UE preamble的分组；然后根据集群群组内用户的总数量N，在可用的preamble序列中选取N个不同的preamble向基站发送；
当N大于可用的preamble数量时，集群代理接入用户根据设备号将集群普通接入用户分组，每次代理一组集群普通接入用户的随机接入，直至所有集群普通接入用户都被代理接入成功；
步骤S3、基站读取随机接入请求，了解其是集群代理接入用户，在集群寻呼信道上向其发送随机接入回应消息RAR；
步骤S4、集群代理接入用户接收到RAR消息后，向基站发送代理调度传输信息；
步骤S5、基站向集群代理接入用户发送竞争解决成功消息，同时更新自己的配置，根据集群代理接入用户上报的信息标识集群群组内所有的用户进入连接建立成功状态；
步骤S6、集群代理接入用户通知所有集群普通接入用户：接入成功。
2.如权利要求1所述的TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法，其特征在于：所述步骤S2中代理随机接入请求RA的内容包括本次被代理接入的用户数n，以及对应的n个preamble。
3.如权利要求1所述的TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法，其特征在于：所述步骤S4中的调度传输信息包括集群代理接入用户和所有集群普通接入用户的调度传输信息。
4.如权利要求1所述的TD-LTE集群系统用户的快速随机接入方法，其特征在于：步骤S6中，集群普通接入用户会根据集群代理接入用户发送的信息更新自己的配置，向集群代理接入用户发送ACK，并进入连接建立状态。
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