CN106604407B - 用于大量mtc设备的接入控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例提供了用于大量MTC设备的接入控制的方法和装置。一种方法包括：当所述大量MTC设备在一个分布时间段中到达时，将所述大量MTC设备分为多个组，其中所述大量MTC设备的到达分布具有突发性；以及向所述多个组中的每个组分配一个子分布时间段，以使得所述组中的MTC设备在相应的子分布时间段内到达，所述多个组的子分布时间段彼此交叠以形成所述分布时间段。

Description

用于大量MTC设备的接入控制的方法和装置

技术领域

本公开的实施例概括而言涉及无线通信领域，更具体而言，涉及用于大量MTC设备的接入控制的方法和装置。

背景技术

与传统的人与人(Human-to-human，H2H)通信不同，机器类型通信(Machine TypeCommunication，MTC)由于其独特的特性而面临着许多设计挑战。支持大量(massive)MTC设备接入系统为随机接入(Random Access，RA)的设计带来了挑战。由MTC设备引起的RA冲突可能对MTC设备和传统的H2H终端都造成损害，并导致MTC设备和传统的H2H终端都无法成功接入系统。

3GPP已经提出了一种称为扩展接入限制(Enhanced Access Barring，EAB)的方案来解决大量MTC设备的接入问题。EAB方案通过阻止一些或所有能够容忍延迟的MTC设备发起随机接入尝试来降低随机接入冲突。这种方案需要网络分别通过寻呼消息和系统信息来向设备通知EAB改变和准确的接入类别(Access Class)指示符，因此其性能与寻呼参数的取值极大相关。需要不同的参数取值来进行快速生效和缓慢取消以实现性能优化。然而，系统对于传统的H2H终端和MTC设备使用相同的寻呼参数，因此专门为MTC来调整寻呼参数是不现实的。基于参考文献2中定义的3GPP业务模型2(即单小区内30,000个MTC设备在10秒内到达并且它们的到达时间服从贝塔分布)，EAB方案不能保证所有MTC设备都能够成功接入网络。

参考文献2中还建议了分时隙接入。在该方法中，通过MTC设备的ID(如国际用户识别码(IMSI))为它们定义了专用的接入循环/时隙。最简单的情况，接入时隙可以是寻呼帧。具有相同寻呼帧的MTC设备被划分到同一组，并且竞争单个寻呼帧中的接入资源。这种完全静态的分组方法不考虑应用差异、即时网络接入负载和QoS要求。由于该方法不具有任何用于重新尝试的特殊设计，在一个寻呼帧中进行第一次尝试时发生冲突的设备很可能在接下来的寻呼帧中重新尝试时再次冲突。仿真结果表明这比EAB的方案更差(如下面的表3和图9所示)。

当前还有文献考虑利用MTC的组特征来解决大量接入问题。例如，在参考文献3中，MTC设备在接收到寻呼消息之后立即开始随机接入过程。这种方案通过向MTC设备分配预留资源而不是让它们随机选择接入资源来降低RA冲突。然而，其应用场景非常有限，并且不适用于空闲模式MTC设备。又例如，在参考文献4中提出了用于基于毫微微小区(femtocell)的MTC网络的基于组的时间控制方法。使用毫微微小区来从宏小区卸载业务负载，以在一定程度上避免参考文献2中定义的业务模式2的挑战。然而，该方案实际上用于解决核心网的过载问题而不考虑无线接口上的RA的细节，例如每个组的时间间隔、随机接入时机(RandomAccess Occasion，RAO)选择和退避(back-off)参数设计等。

参考文献2中定义的业务模型2指出单小区内30,000个MTC设备在10秒内到达并且它们的到达时间服从贝塔分布(例如参数α＝3，β＝4的贝塔分布)。可以考虑一种极端情况，例如，在MTC服务器触发后或者在断电之后，大量MTC设备以一种高度同步的方式发起随机接入尝试。

在MTC设备到达，或者称为当有要发送给网络的数据到达MTC设备时，当前的MTC设备至少需要等待到最近的被配置作为前导码传输的随机接入时机的子帧。当多个设备使用相同的随机接入资源元素(一个特定的随机接入资源元素，对应一个特定随机接入时机处的一个特定前导码)尝试接入网络，则会发生随机接入冲突。

发明内容

可以看出，现有技术中还没有能够有效支持大量MTC设备接入蜂窝网络的方案。

为此，本公开的实施例提出了分布赋形的概念，即，将一个时间段内的MTC设备到达分布转换为更长的时间段内的更为平坦的RA尝试分布。

根据本公开的实施例的大量MTC设备的接入控制包括应用层优化方案和无线接口优化方案，前者用于降低MTC设备到达的突发性，后者用于在时间上平滑RA尝试并且避免多个MTC设备使用相同的RA资源元素。

根据本公开的第一个方面，提供了一种用于执行大量MTC设备的接入控制的方法，包括：当所述大量MTC设备在一个分布时间段中到达时，将所述大量MTC设备分为多个组，其中所述大量MTC设备的到达分布具有突发性；以及向所述多个组中的每个组分配一个子分布时间段，以使得所述组中的MTC设备在相应的子分布时间段内到达，所述多个组的子分布时间段彼此交叠以形成所述分布时间段。

根据第一个方面还提供了一种用于执行大量MTC设备的接入控制的装置，包括：分组单元，用于当所述大量MTC设备在一个分布时间段中到达时，将所述大量MTC设备分为多个组，其中所述大量MTC设备的到达分布具有突发性；分配单元，用于向所述多个组中的每个组分配一个子分布时间段，以使得所述组中的MTC设备在相应的子分布时间段内到达，所述多个组的子分布时间段彼此交叠以形成所述分布时间段。

在一种可选实现中，所述大量MTC设备的到达分布服从贝塔分布，并且其中所述多个组中的每个组的MTC设备的到达分布也服从贝塔分布。

在一种可选实现中，所述装置还包括：确定单元，用于根据拟合级别和所述分布时间段，确定所述子分布时间段的长度和所述多个组的个数；所述分配单元还用于为每个组分配子分布时间段的起始点；并且其中所述装置还包括发送单元，用于将所述子分布时间段的长度和起始点信息通知给所述组中的MTC设备。

在一种可选实现中，所述装置根据如下公式计算子分布时间段的长度和所述多个组的个数：

其中，T_sub表示子分布时间段的长度，T表示分布时间段的长度，L_e表示拟合级别，N_sub表示组的个数。

在一种可选实现中，所述多个组中的每个组的子分布时间段的起始点与前一个组的子分布时间段的起始点偏移子分布时间段的长度的一半。

根据本公开的第二个方面，提供了一种用于在网络侧执行大量MTC设备的接入控制的方法，包括：根据所述大量MTC设备的到达分布确定具有预先配置长度的一个采样窗中的MTC设备到达总数；根据所述MTC设备到达总数，确定和所述采样窗对应的接入窗的长度和起始点，以保证所述采样窗中的每一个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；并且将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述采样窗中的MTC设备。

根据第二个方面，还提供了一种用于在网络侧执行大量MTC设备的接入控制的装置，包括：到达总数确定单元，用于根据所述大量MTC设备的到达分布确定具有预先配置长度的一个采样窗中的MTC设备到达总数；接入窗长度确定单元，用于根据所述MTC设备到达总数，确定和所述采样窗对应的接入窗的长度和起始点，以保证所述采样窗中的每一个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；以及发送单元，用于将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述采样窗中的MTC设备。

在一种可选实现中，所述采样窗中的MTC设备到达总数可以通过下列公式确定：

x_j＝t_i+ΔT/2+j·ΔT,j＝0,1,2,...,(L-1)

t_i＝i·T₀,i＝0,1,2,...(T/T₀-1)

ΔT＝T₀/L，

其中K_i表示采样窗中的MTC设备到达总数，K表示小区中的MTC设备的总数，f(x)表示大量MTC设备到达分布的概率密度函数，T₀表示采样窗的长度，T表示分布时间段的长度，L表示预先配置的、从采样窗中提取的采样数。

在一种可选实现中，所述接入窗的长度通过下列公式确定：

W_i＝β·K_i/N_p/R，

其中W_i表示接入窗的长度，β表示随机接入资源元素的数量与设备数量之间的相关因子，R表示每个无线帧中的随机接入时机(RAO)的数量，N_p表示系统中的前导码的数量。

根据本公开的第三个方面，提供了一种用于大量MTC设备的接入控制的方法，包括，在一个MTC设备处：从基站接收和所述MTC设备的到达时间对应的接入窗的长度和起始点信息；从可用RAO中随机选择一个RAO来向基站发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述接入窗中的所有RAO。

根据第三个方面还提供了一种用于大量MTC设备的接入控制的装置，所述装置位于一个MTC设备中，包括：接收单元，用于从基站接收和所述MTC设备的到达时间对应的接入窗的长度和起始点信息；选择单元，用于从可用RAO中随机选择一个RAO来向基站发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述接入窗中的所有RAO。

在一种可选实现中，所述装置还包括：重新尝试单元，用于如果所述随机接入尝试失败，则在下一接入窗中重新尝试随机接入。

根据本公开的第四个方面，提供了一种用于在网络侧执行大量MTC设备的接入控制的方法，包括：将所述大量MTC设备划分为多个接入组；根据所述多个接入组中的每个接入组中的MTC设备的数量确定用于所述接入组的接入窗的长度和起始点，以保证所述接入组中的每个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；并且将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述接入组中的MTC设备。

根据第四个方面还提供了一种用于在网络侧执行大量MTC设备的接入控制的装置，包括：分组单元，用于将所述大量MTC设备划分为多个接入组；接入窗长度确定单元，用于根据所述多个接入组中的每个接入组中的MTC设备的数量确定用于所述接入组的接入窗的长度和起始点，以保证所述接入组中的每个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；以及发送单元，用于将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述接入组中的MTC设备。

在一种可选实现中，所述接入窗的长度通过下列公式确定：

其中R表示每个无线帧中的RAO的数量，N_p表示系统中的前导码的数量。

在一种可选实现中，所述装置还包括：更新单元，用于更新一个或多个接入组的接入窗的长度和起始点信息，并且所述发送单元将更新的接入窗的长度和起始点信息通知给所述大量MTC设备。

在一种可选实现中，其中所述发送单元通过系统信息块或者基于组的寻呼消息来向所述大量MTC设备进行通知。

在一种可选实现中，所述装置还包括：组退避指示符设置单元，用于为每个接入组设置组退避指示符，用于指示所述接入组中的MTC设备在接入尝试失败时随机退避不超过所述组退避指示符所指示的接入周期的数量，其中所述接入周期的长度等于所述多个接入组的相应的接入窗的长度之和。

在一种可选实现中，所述组退避指示符设置单元用于根据网络的接入负载为每个组设置组退避指示符。

在一种可选实现中，基于所检测到的前导码的数量或者基于检测到的所使用的下行控制信道资源的数量来设置所述组退避指示符。

根据本公开的第五个方面，提供了一种用于大量MTC设备的接入控制的方法，包括，在一个MTC设备处：从基站接收所述MTC设备所属接入组的接入窗的长度和起始点信息；从可用RAO中随机选择一个RAO来向所述基站发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述MTC设备的到达时间所位于的或下一个所述MTC设备所属接入组的接入窗中的、所述MTC设备的到达时间之后的所有RAO。

根据该第五个方面，还提供了一种用于大量MTC设备的接入控制的装置，所述装置位于一个MTC设备中，包括：接收单元，用于从基站接收所述MTC设备所属接入组的接入窗的长度和起始点信息；选择单元，用于从可用RAO中随机选择一个RAO来向所述基站发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述MTC设备的到达时间所位于的或下一个所述MTC设备所属接入组的接入窗中的、所述MTC设备的到达时间之后的所有RAO。

在一种可选实现中，所述装置还包括：接收单元，用于从所述基站接收所述MTC设备所属的接入组的组退避指示符；以及随机退避单元，用于如果所述随机接入尝试失败，则随机退避不超过所述组退避指示符中所指示的接入周期的数量，其中所述接入周期的长度等于所述多个接入组的相应的接入窗的长度之和。

利用本公开的实施例的大量MTC设备的接入控制方案，将具有突发性的MTC设备到达分布转换成更平坦的RA尝试分布，优化后的RA尝试在时间上对于网络的冲击更小更平滑，从而降低了RA冲突并且提高了RA资源利用率。

附图说明

通过以下参考下列附图所给出的本公开的具体实施方式的描述之后，将更好地理解本公开的实施例，并且本公开的实施例的其他目的、细节、特点和优点将变得更加显而易见。在附图中：

图1示出了根据本公开的实施例的大量MTC设备的接入控制的目的的示意图；

图2示出了拟合级别等于1的情况下的拟合前后MTC设备到达分布的概率密度函数曲线的示意图；

图3分别示出了不同拟合级别下的最终的拟合概率密度函数曲线的示意图；

图4示出了确定采样窗中的MTC设备到达总数的一种实现方式的示意图；

图5示出了根据本公开的实施例的GURA方案的MTC设备接入网络的示意图；

图6示出了实际系统中的有效前导码的平均数量与RA尝试数量的关系的示意图；

图7示出了实际系统中的所检测到的前导码的平均数量与RA尝试数量之间的关系；

图8-10分别示出了EAB方案、分时隙接入方案和根据本公开的实施例的GURA方案的RA尝试的分布示意图；以及

图11示出了根据本公开的实施例的一种实例的两个MTC设备的到达时间和可用RAO的关系的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的可选实施方式。虽然附图中显示了本公开的可选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开的实施例而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开的实施例更加透彻和完整，并且能够将本公开的实施例的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如上所述，根据本公开的实施例的大量MTC设备的接入控制包括应用层优化方案和无线接口优化方案，前者用于降低MTC设备到达的突发性，后者用于在时间上平滑RA尝试并且避免多个MTC设备使用相同的RA资源元素。图1示出了根据本公开的实施例的大量MTC设备的接入控制的目的的示意图。

应用层优化

应用层优化方案的思想在于将具有突发性的大量MTC设备的到达分布转换为更为平坦的分布。

这里，具有突发性的到达分布是指所述分布的概率密度函数(probabilitydensity function，PDF)具有单个或少量最大值或极大值。

在一种实现中，例如如参考文献2中所定义的，大量MTC设备的到达分布服从贝塔分布，如图1中所示。

当大量MTC设备在一个分布时间段T中到达时，例如在MTC服务器触发下，网络将所有MTC设备划分为多个组，并且向每个组分配一个子分布时间段T_sub，以使得每个组中的MTC设备能够在相应的子分布时间段T_sub中到达。其中，每个组的子分布时间段T_sub彼此交叠以形成分布时间段T。

在一种实现中，每个组中的MTC设备的到达分布也服从贝塔分布，如图2中所示。

具体地，网络设置拟合级别L_e，根据拟合级别L_e和分布时间段T，确定子分布时间段的长度T_sub和组的个数N_sub(即拟合的子PDF曲线的数目)。

在一种实现中，可以分别根据下面的公式(1)和(2)确定子分布时间段的长度T_sub和组的个数N_sub：

其中，T表示分布时间段的长度，T_sub表示子分布时间段的长度，L_e表示拟合级别，N_sub表示组的个数。

网络还向每个组配置子分布时间段的起始点，并且将所确定的子分布时间段的长度和所配置的起始点信息通知给相应组中的MTC设备。

通过这种方式，每个组的MTC设备到达被限制在一个更短的子分布时间段内，并且通过适当配置每个组的子分布时间段的起始点，可以使用多个组的MTC设备到达的贝塔分布的PDF曲线来拟合大量MTC设备的总到达的贝塔分布的PDF曲线。

在一种实现中，每个组的子分布时间段的起始点相对于前一个组的子分布时间段的起始点偏移子分布时间段的长度T_sub的一半。

图2示出了拟合级别等于1的情况下的拟合前后MTC设备到达分布的PDF曲线的示意图。图3分别示出了不同拟合级别下的最终的拟合PDF曲线的示意图。

从图3中可以看出，子PDF曲线的数目(即分组的个数)越大，所拟合出的PDF曲线越接近均匀分布(即更快的上升和更快的下降)，其代价是在分布时间段T期间引入更多的抖动。

在一种实现中，拟合级别为3已经足够拟合到原始贝塔分布的PDF曲线。

无线接口优化

无线接口优化方案可以与应用层优化方案相结合，也可以独立地用于本公开的实施例的大量MTC设备的接入控制的目的。

基于MTC设备的到达分布是否是已知的，提出了两种不同的无线接口优化方案，即，基于MTC设备到达分布已知所提出的分段均匀的RA尝试(Segmented Uniformed RAAttempt，SURA)方案和基于MTC设备到达分布未知所提出的基于组的均匀RA尝试(Group-based Uniform RA Attempt，GURA)方案。

SURA方案

为了清楚描述本公开的实施例的方案，首先引入采样窗和接入窗的概念。如前所述，大量MTC设备的接入控制的目标是将时间段T₀期间的MTC设备到达分布转换为时间段T₀’内的更为平坦的RA尝试分布。这里将转换前的时间段定义为采样窗，T₀是采样窗的长度；将转换后的时间段定义为接入窗，T₀’是接入窗的长度。

首先，基站根据大量MTC设备的到达分布确定具有预先配置长度的一个采样窗T₀中的MTC设备到达总数。

在一种实现中，基站从已知的MTC设备到达分布的起始点开始，每隔一个采样窗对应的时间段确定一次采样窗内MTC设备的到达总数。

在一种实现中，假设f(x)表示大量MTC设备的到达分布的概率密度函数，则采样窗T₀中的MTC设备到达总数可以通过以下的公式(3)得到：

t_i＝i·T₀,i＝0,1,2,...(T/T₀-1) (3)

其中，K表示小区中的MTC设备的总数，T₀表示采样窗的时间段长度。

在另一种实现中，可以采用离散求和的方式而不是积分方式来确定采样窗T₀中的MTC设备到达总数。假设预先确定从采样窗T₀中提取L个采样就足以近似获得采样窗T₀中的MTC设备到达总数。

则令采样间隔ΔT＝T₀/L (4)

图4示出了确定采样窗T₀中的MTC设备到达总数的这种实现方式的示意图。不失一般性地，使用ΔT的中点的采样值x_j来拟合ΔT内的真实值。则采样窗T₀中的MTC设备到达总数可以通过以下的公式(5)得到：

x_j＝t_i+ΔT/2+j·ΔT,j＝0,1,2,...,(L-1)

t_i＝i·T₀,i＝0,1,2,...(T/T₀-1) (5)

接下来，基站根据所确定的采样窗内的MTC设备到达总数来确定对应的接入窗的长度，以保证在此采样窗内到达的MTC设备中的每一个可对应于确定的接入窗中的至少一个随机接入资源元素。其中随机接入资源元素由系统中的前导码和无线帧中的RAO确定。

在一种实现中，例如应用参考文献5中的结论，即已知接入资源的数量与设备的数量线性相关，例如相关因子β＝1.943。在本实现中，β可理解为随机接入资源元素的数量与设备数量之间的相关因子。假设每个无线帧中有R个RAO，并且系统中有N_p个前导码，则分布赋形问题可以转换为：找出用于分布赋形的在一个采样窗内到达的MTC设备总数对应的最优接入窗长度W_i(例如：表示为无线帧的个数)和时间起点(例如：表示为无线帧的编号)，以使得所有在此采样窗中到达的MTC设备中的每一个在对应的接入窗中可选择一个单独的随机接入资源元素，即：

W_i·R·N_p＝β·K_i (6)

则，接入窗的长度W_i可以确定为：

W_i＝β·K_i/N_p/R (7)

在一种实现中，可以根据公式(5)和公式(7)来确定接入窗的长度：

x_j＝t_i+ΔT/2+j·ΔT,j＝0,1,2,...,(L-1)

t_i＝i·T₀,i＝0,1,2,...(T/T₀-1) (8)

在一种实现中，可以将小区中的所有接入窗连续配置而不重叠。第一个接入窗的起点位于已知的MTC设备到达分布的起始点之后的一个采样窗的结束点，第二个接入窗的起点位于第一个接入窗的结束点，并以此类推。

接下来，基站将所确定的和采样窗对应的接入窗的长度和起始点的信息通知给所有MTC设备。

MTC设备从基站接收和其到达时间对应的接入窗的长度和起始点信息，并且从接入窗中的可用RAO中随机选择一个RAO来向基站发起随机接入尝试。

这里，与现有技术中不同，到达的MTC设备不是使用最接近的RAO来发起随机接入尝试，而是从对应的接入窗中的可用RAO中随机选择一个RAO来发起随机接入尝试。

在一种实现中，一个MTC设备的可用RAO包括和该MTC设备的到达时间对应的接入窗中的所有RAO。

具体来说，如果该MTC设备的到达时间在一个采样窗中，则可用RAO包括该采样窗对应的接入窗中的所有RAO。

理论上，如果不同的MTC设备选择了不同的随机接入资源元素，则每个MTC设备可以仅通过一次尝试就成功接入系统。

然而，由于不同MTC设备有可能在相同的RAO内选择相同的前导码，从而仍然可能导致RA冲突。

因此，在一种实现中，如果MTC设备的随机接入尝试失败，则可以在下一接入窗中重新尝试随机接入。

GURA方案

GURA方案的基本思想是将小区中的所有MTC设备划分为多个接入组并且为每个接入组分配不同的接入窗。

首先，网络将要执行随机接入的大量MTC设备划分为多个接入组。

在一种实现中，基站随机划分接入组，根据所支持的接入组的数量来确定所划分的接入组的个数。

在一种实现中，基站可以根据MTC应用、QoS参数或地理区域来划分多个接入组。这样的分组方法有利于方便的在网络中布置MTC应用，为不同QoS参数的或位于不同地理区域内MTC设备预留接入窗里的随机接入资源。

接下来，基站根据每个接入组中的MTC设备的数量确定用于该接入组的接入窗的长度，以保证该接入组中的每个MTC设备可对应于接入窗中的至少一个随机接入资源元素。其中随机接入资源元素由系统中的前导码和无线帧中的RAO确定。

在一种实现中，为了给接入组中的每个MTC设备预留一个单独的随机接入资源元素，接入窗的长度(例如：表示为无线帧的个数)可以通过以下公式(9)得到：

在一种实现中，可以将小区中的所有接入窗连续配置而不重叠。第一个组对应的接入窗的起点为网络决定实施GURA方案的时间点，第二个组对应的接入窗的起点位于第一个组对应的接入窗的结束点，并以此类推。

基站将所确定的每个接入组的接入窗的长度和起始点信息通知给该接入组中的MTC设备。

在一种实现中，基站通过系统信息块将这些参数通知给对应的MTC设备。

在另一种实现中，基站通过基于组的寻呼消息将这些参数通知给对应的MTC设备。

当然，在使用广播方式的情况下，基站也可以将上述信息通知给小区中的所有MTC设备。

一个MTC设备从基站接收其所属的接入组的接入窗的长度和起始点信息，并且从该接入组的可用RAO中随机选择一个RAO来向基站发起随机接入尝试。

图5示出了根据本公开的实施例的GURA方案的MTC设备接入网络的示意图。如图5中所示，属于一个接入组的MTC设备仅在分配给该接入组的接入窗期间选择RAO并发起随机接入尝试。

在一种实现中，一个MTC设备的可用RAO包括该MTC设备的到达时间所位于的接入窗或者下一个该MTC设备所属接入组的接入窗中的、其到达时间之后的所有RAO。

具体来说，如果该MTC设备的到达时间在其接入组的一个接入窗中，则可用RAO包括该接入窗中的、该到达时间之后的所有RAO；如果该MTC设备的到达时间不在其接入组的接入窗中(即，在接入窗之外)或者包含该MTC设备到达时间的其接入组的接入窗，在MTC设备到达时间之后没有RAO，则可用RAO包括该到达时间之后的、该接入组的下一个接入窗中的所有RAO。

与SURA方案相同，一个接入组中的MTC设备随机选择对应的接入窗中的可用RAO中的一个。这样，GURA方案通过将MTC设备的接入尝试可选择的随机接入资源在时间上限定在不同接入组内的多个可随机选择的随机接入资源元素而降低了RA冲突。

在一种实现中，基站可以更新用于一个或多个接入组的接入窗的长度和起始点信息，并且通知给MTC设备。

如果一个MTC设备的RA尝试失败并且其在接下来的接入窗中再次尝试接入，则有可能由于重新尝试而造成冲突。

为了避免这一冲突，根据本公开的实施例的一种实现，基站还可以为每个接入组设置一个组退避指示符(back-off indicator，BI)，用于指示该接入组的MTC设备在接入尝试失败时随机退避不超过所指示的接入周期的数量，其中接入周期的长度等于所有接入组的接入窗的长度之和，如图5中所示。

通过这种退避方式，由于第一次尝试失败而引起的重新尝试所造成的冲突被平滑到多个接入周期中。

基站可以根据网络的接入负载为每个接入组设置组BI。并且，一个接入组的组BI还可以动态改变以匹配网络接入负载的变化。

在一种实现中，基站基于检测到的前导码的数量来设置或调整组BI。

在另一种实现中，基站基于检测到的所使用的下行控制信道资源的数量来设置或调整组BI。

此外，动态组BI可以使用每个RAO的检测信息来获得，称为即时动态组BI，或者可以使用多个RAO上的平均检测信息来获得，称为平均动态组BI。

单个设备所选择的前导码只要不会导致现有随机接入过程中的Msg3冲突就称为有效的前导码。然而，基站并不被设计为能够响应所有检测到的前导码。例如，在参考文献2中，基站在每个RAO之后最多能够响应15个前导码。不幸的是，基站很难知道有多少终端选择了相同的前导码。如果有超过15个前导码的话，则基站只能够从所有检测到的前导码中随机选择有效的前导码。图6示出了实际系统中的有效前导码的平均数量与RA尝试数量的关系的示意图。如图6中所示，在RA尝试为17时，有效前导码的平均数量达到12.16。图7示出了实际系统中的所检测到的前导码的平均数量与RA尝试数量之间的关系。进一步地，利用图6和图7所示的关系，还可以得到所检测到的前导码和失败尝试之间的关系。

为了将每个失败的接入尝试可对应到一个单独的RAO中以进行重新接入尝试，则组BI所指示的接入周期的数量可以通过下面的公式(10)得到：

更具体地，可以针对所检测到的前导码的数量定义多个阈值，每个阈值与一个组BI相关。

例如，在一种实现中，所检测到的前导码的阈值可以设置为[14 24 40 50 53]，从而对应的组BI可以设置为[1 2 4 8 12 24]。这表示,当所检测到的前导码的数量小于14时，组BI＝1；当所检测到的前导码的数量大于或等于14并小于24时，组BI＝2；当所检测到的前导码的数量大于或等于24并小于40时，组BI＝4；当所检测到的前导码的数量大于或等于40并小于50时，组BI＝8；当所检测到的前导码的数量大于或等于50并小于53时，组BI＝12；当所检测到的前导码的数量大于或等于53时，组BI＝24。

可以看出，所检测到的前导码的数量越大，组BI的值应当设置得越大。这样，RA尝试失败的MTC设备能够进行重新接入尝试的退避时间越长，从而能够进一步避免RA冲突。

SURA方案可以看做是GURA方案在只有一个接入组并且接入窗的长度由到达的MTC设备的数目决定的情况下的特例。因此GURA方案中的上述组退避机制也可以应用于SURA方案。

以上，以基站和MTC设备进行交互以实现SURA和GURA方案为例进行了描述。然而，本领域技术人员可以理解，本公开的实施例并不局限于此。上面描述的基站侧执行的方法步骤(如分组和/或接入窗长度的确定等)也可以在网络侧的其他网元，如MTC服务器中执行，或者也可以通过其他方式预先配置在MTC设备中，例如在MTC设备出厂时预先配置。

仿真和性能评估

使用参考文献2中定义的3GPP业务模型2(表1)和仿真参数(表2)来评估本公开的实施例中所建议的方案的性能。

在仿真时，MTC设备被随机划分成多个接入组。性能不受每个组中的MTC设备的数量影响。每个接入组中的MTC设备的数量越多，则需要的接入窗的长度越长。不失一般性地，假设每组有1000个设备。对于GURA方案，应用即时组BI的退避机制。

下面定义一些度量来全面了解所建议的方案的性能。

平均尝试次数：定义为一个MTC设备成功完成RA过程的尝试的平均次数，针对成功接入的MTC设备；

平均接入延迟：定义为MTC设备到达和随机接入过程完成之间的时间间隔，针对成功接入的MTC设备；

尝试成功概率：定义为随机接入尝试成功的概率；

吞吐量：定义为每毫秒成功接入网络的MTC设备的数量。

表1 业务模型

表2 仿真参数

表3 仿真结果

注：参考文献2中没有指明MTC设备选择寻呼帧中的一个RAO的方法，而在上述仿真中，假设MTC设备随机选择寻呼帧中的一个RAO。

表3的仿真结果表明，所建议的方案性能优于EAB和分时隙接入方案。与EAB方案相比，GURA方案的尝试成功概率提高55％，吞吐量提高100％，平均接入延迟仅为EAB的1/3。

GURA方案可以支持所有30,000个MTC设备成功接入系统。图8-10分别示出了EAB方案、分时隙接入方案和根据本公开的实施例的GURA方案的RA尝试的时间分布的示意图。从图8-10中可以看出，GURA方案降低了RA尝试的数量，从而有效降低了RA冲突。如果允许平均接入延迟的数量级在几十秒的话，GURA方案甚至可以支持单小区内，到达时间服从贝塔分布的300,000个MTC设备在10秒内到达并最终全部成功接入系统。对于这么大量的设备，所建议的方法仍然优于EAB方案并且尝试成功概率和吞吐量与30,000个用户的情况相比没有太大降低。

对30,000个设备应用应用层优化之后，仿真结果表示接入窗大小可以从10个无线帧降低到4个无线帧以允许所有用户成功接入网络。如表4中所示，平均接入延迟降低并且吞吐量提高，这与预期相符。

可以看出，根据本公开的实施例所建议的方案可以降低平均尝试次数，改善平均接入延迟、尝试成功概率和吞吐量等。

以下给出两个具体实例来进一步详细描述本公开的实施例的GURA方案。

实例1：

在该实例中，小区中有N个接入组。帧结构与LTE/LTE-A中相同。每组的接入窗被配置为固定个数的无线帧，即M个无线帧。在每个无线帧中，子帧1和6被配置成RAO。MTC设备1和MTC设备2分别属于接入组1(具有接入窗1)和接入组2(具有接入窗2)。图11示出了根据本公开的实施例的一种实例的两个MTC设备的到达时间和可用RAO的关系的示意图。

对于MTC设备1，假设其到达时间位于第1个接入窗1中，则其所有可用RAO是无线帧2到无线帧M中的子帧1和6，一共有2(M-1)个RAO；

对于MTC设备2，假设其到达时间位于第1个接入窗2之前，则其所有可用RAO是无线帧(M+1)到无线帧2M的子帧1和6，一共有2M个RAO。

如果MTC设备1没有成功接入网络，其将其接入重新尝试退避，例如退避到第x个接入窗1(从无线帧(x-1)M+1到无线帧xM)。则，用于MTC设备1的RA重新尝试的可用RAO是第x个接入窗1中的所有子帧1和6，一共有2M个RAO。

实例2：

在该实例中，小区中由30,000个MTC设备，其被随机划分为30个接入组。

通过公式(9)得到，接入窗的长度是10个无线帧。

利用图6和图7，可以得到下面的表4的左边四栏。根据公式(10)获得组BI的接入周期的数量。

当RA尝试小于17时，更多尝试造成更多的有效的前导码。因此，第一个阈值被设置为尝试＝17。下表4中将阈值设置为[14 24 40 50 53]，组BI可以对应地设置为[1 2 4 812 24]。

表4 组BI与有效前导码

在一个或多个示例性设计中，可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现本申请所述的功能。如果用软件来实现，则可以将所述功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上，或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码来传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括有助于计算机程序从一个地方传递到另一个地方的任意介质。存储介质可以是通用或专用计算机可访问的任意可用介质。这种计算机可读介质可以包括，例如但不限于，RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁存储设备，或者可用于以通用或专用计算机或者通用或专用处理器可访问的指令或数据结构的形式来携带或存储希望的程序代码模块的任意其它介质。并且，任意连接也可以被称为是计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字用户线(DSL)或诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术来从网站、服务器或其它远程源传输的，那么同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或诸如红外线、无线电和微波之类的无线技术也包括在介质的定义中。

可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑、分立硬件组件或用于执行本文所述的功能的任意组合来实现或执行结合本公开所描述的各种示例性的逻辑块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，或者，处理器也可以是任何普通的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。

本领域普通技术人员还应当理解，结合本申请的实施例描述的各种示例性的逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现成电子硬件、计算机软件或二者的组合。为了清楚地表示硬件和软件之间的这种可互换性，上文对各种示例性的部件、块、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般性描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束条件。本领域技术人员可以针对每种特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的实施例的保护范围。

本公开的以上描述用于使本领域的任何普通技术人员能够实现或使用本公开的实施例。对于本领域普通技术人员来说，本公开的各种修改都是显而易见的，并且本文定义的一般性原理也可以在不脱离本公开的实施例的精神和保护范围的情况下应用于其它变形。因此，本公开的实施例并不限于本文所述的实例和设计，而是与本文公开的原理和新颖性特性的最广范围相一致。

Claims (24)

1.一种用于执行大量机器类型通信MTC设备的接入控制的方法，包括：

在网络设备处，确定用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息；

其中，所述确定用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息包括：

当所述大量MTC设备在一个分布时间段中到达时，将所述大量MTC设备分为多个组，其中所述大量MTC设备的到达分布具有突发性；以及

向所述多个组中的每个组分配一个子分布时间段，以使得所述组中的MTC设备在相应的子分布时间段内到达，所述多个组的子分布时间段彼此交叠以形成所述分布时间段。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述大量MTC设备的到达分布服从贝塔分布，并且其中所述多个组中的每个组的MTC设备的到达分布也服从贝塔分布。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

根据拟合级别和所述分布时间段，确定所述子分布时间段的长度和所述多个组的个数；

为每个组分配子分布时间段的起始点；并且

将所述子分布时间段的长度和起始点信息通知给所述组中的MTC设备。

4.如权利要求3所述的方法，其中根据如下公式计算子分布时间段的长度和所述多个组的个数：

其中，T_sub表示子分布时间段的长度，T表示分布时间段的长度，L_e表示拟合级别，N_sub表示组的个数。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述多个组中的每个组的子分布时间段的起始点与前一个组的子分布时间段的起始点偏移子分布时间段的长度的一半。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息还包括：

根据所述大量MTC设备的到达分布确定具有预先配置长度的一个采样窗中的MTC设备到达总数；

根据所述MTC设备到达总数，确定和所述采样窗对应的接入窗的长度和起始点，以保证所述采样窗中的每一个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；

所述方法还包括：

将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述采样窗中的MTC设备。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述采样窗中的MTC设备到达总数可以通过下列公式确定：

x_j＝t_i+ΔT/2+j·ΔT,j＝0,1,2,...,(L-1)

t_i＝i·T₀,i＝0,1,2,...(T/T₀-1)

ΔT＝T₀/L，

其中K_i表示采样窗中的MTC设备到达总数，K表示小区中的MTC设备的总数，f(x)表示大量MTC设备的到达分布的概率密度函数，T₀表示采样窗的长度，T表示分布时间段的长度，L表示预先配置的、从采样窗中提取的采样数。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述接入窗的长度通过下列公式确定：

W_i＝β·K_i/N_p/R，

其中W_i表示接入窗的长度，β表示随机接入资源元素的数量与设备数量之间的相关因子，R表示每个无线帧中的随机接入时机RAO的数量，N_p表示系统中的前导码的数量。

9.一种用于大量机器类型通信MTC设备的接入控制的方法，包括，

在一个MTC设备处，接收网络设备发送的用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息，

其中，所述接收所述网络设备发送的用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息包括：

从所述网络设备接收和所述MTC设备的到达时间对应的接入窗的长度和起始点信息；

所述方法还包括：

从可用随机接入时机RAO中随机选择一个RAO来向所述网络设备发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述接入窗中的所有RAO。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

如果所述随机接入尝试失败，则在下一接入窗中重新尝试随机接入。

11.一种用于执行大量机器类型通信MTC设备的接入控制的方法，包括：

在网络设备处，将所述大量MTC设备划分为多个接入组；

根据所述多个接入组中的每个接入组中的MTC设备的数量确定用于所述接入组的接入窗的长度和起始点，以保证所述接入组中的每个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；并且

将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述接入组中的MTC设备。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述接入窗的长度通过下列公式确定：

其中R表示每个无线帧中的RAO的数量，N_p表示系统中的前导码的数量。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：

更新用于一个或多个接入组的接入窗的长度和起始点信息并将更新的接入窗的长度和起始点信息通知给所述大量MTC设备。

14.如权利要求11或13所述的方法，其中通过系统信息块或者基于组的寻呼消息来向所述大量MTC设备进行通知。

15.如权利要求11所述的方法，还包括：

为每个接入组设置组退避指示符，用于指示所述接入组中的MTC设备在接入尝试失败时随机退避不超过所述组退避指示符所指示的接入周期的数量，其中所述接入周期的长度等于所述多个接入组的相应的接入窗的长度之和。

16.如权利要求15所述的方法，其中为每个接入组设置组退避指示符包括：根据网络的接入负载为每个组设置组退避指示符。

17.如权利要求16所述的方法，其中基于所检测到的前导码的数量或者基于检测到的所使用的下行控制信道资源的数量来设置所述组退避指示符。

18.一种用于大量机器类型通信MTC设备的接入控制的方法，包括，

在一个MTC设备处，接收网络设备发送的用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息，

其中，所述接收所述网络设备发送的用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息包括：

从所述网络设备接收所述MTC设备所属接入组的接入窗的长度和起始点信息；

所述方法还包括：

从可用RAO中随机选择一个随机接入时机RAO来向所述网络设备发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述MTC设备的到达时间所位于的或下一个所述MTC设备所属接入组的接入窗中的、所述MTC设备的到达时间之后的所有RAO。

19.如权利要求18所述的方法，还包括：

从所述网络设备接收所述MTC设备所属的接入组的组退避指示符；并且

如果所述随机接入尝试失败，则随机退避不超过所述组退避指示符中所指示的接入周期的数量，其中所述接入周期的长度等于所述多个接入组的相应的接入窗的长度之和。

20.一种用于执行大量机器类型通信MTC设备的接入控制的装置，所述装置位于网络设备中，包括：

用于确定用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息的单元，

其中，所述用于确定用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息的单元包括：

分组单元，用于当所述大量MTC设备在一个分布时间段中到达时，将所述大量MTC设备分为多个组，其中所述大量MTC设备的到达分布具有突发性；

所述装置还包括：

分配单元，用于向所述多个组中的每个组分配一个子分布时间段，以使得所述组中的MTC设备在相应的子分布时间段内到达，所述多个组的子分布时间段彼此交叠以形成所述分布时间段。

21.如权利要求20所述的接入控制的装置，

其中，所述用于确定用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息的单元还包括：

到达总数确定单元，用于根据所述大量MTC设备的到达分布确定具有预先配置长度的一个采样窗中的MTC设备到达总数；

所述装置还包括：

接入窗长度确定单元，用于根据所述MTC设备到达总数，确定和所述采样窗对应的接入窗的长度和起始点，以保证所述采样窗中的每一个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；以及

发送单元，用于将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述采样窗中的MTC设备。

22.一种用于大量机器类型通信MTC设备的接入控制的装置，所述装置位于一个MTC设备中，包括：

用于从网络设备接收用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息的单元，

其中，所述用于从网络设备接收用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息的单元包括：

接收单元，用于从网络设备接收和所述MTC设备的到达时间对应的接入窗的长度和起始点信息；

所述装置还包括：

选择单元，用于从可用随机接入时机RAO中随机选择一个RAO来向所述网络设备发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述接入窗中的所有RAO。

23.一种用于执行大量机器类型通信MTC设备的接入控制的装置，所述装置位于网络设备中，包括：

分组单元，用于将所述大量MTC设备划分为多个接入组；

接入窗长度确定单元，用于根据所述多个接入组中的每个接入组中的MTC设备的数量确定用于所述接入组的接入窗的长度和起始点，以保证所述接入组中的每个MTC设备可对应于所述接入窗中的至少一个随机接入资源元素；以及

发送单元，用于将所述接入窗的长度和起始点信息通知给所述接入组中的MTC设备。

24.一种用于大量机器类型通信MTC设备的接入控制的装置，所述装置位于一个MTC设备中，包括：

用于从网络设备接收用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息的单元，

其中，所述用于从网络设备接收用于大量MTC设备的接入控制的分布赋性信息的单元包括：

接收单元，用于从网络设备接收所述MTC设备所属接入组的接入窗的长度和起始点信息；

所述装置还包括：

选择单元，用于从可用RAO中随机选择一个随机接入时机RAO来向所述网络设备发起随机接入尝试，其中所述可用RAO包括所述MTC设备的到达时间所位于的或下一个所述MTC设备所属接入组的接入窗中的、所述MTC设备的到达时间之后的所有RAO。