CN106686651A - 一种基于能量状态感知的m2m终端分组的随机接入控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于能量状态感知的M2M终端分组的随机接入控制方法，主要由M2M终端分组过程、接入过程、系统性能分析过程三部分组成。在分组过程中，以M2M终端自身能量消耗速率与能量采集速率的比值为分类标准，比值在一定区间的M2M终端划分为一组，且比值越小的组终端优先级越高。当M2M终端初次发起接入请求时，eNB为其划分组并分配组标识。在接入过程中，eNB发送广播信息，M2M组终端在接收广播信息后发起接入请求，优先级较高的组终端优先分配接入资源。该方法旨在解决当大量M2M终端同时发起接入请求造成的冲突碰撞问题，合理有效分配接入资源，从而提高M2M终端随机接入成功的概率。最后给出系统性能分析模型，分析M2M终端最终接入成功的概率。

Description

一种基于能量状态感知的M2M终端分组的随机接入控制方法
技术领域
本发明涉及M2M终端能够进行能量采集并通过自身能量消耗速率与能量采集速率之比值进行分组，优先级高的组终端优先进行接入的随机接入控制方案，属于无线通信技术领域。
背景技术
M2M即机器间通信，代表的是机器之间信息的交互，是目前物联网通信的主要实现方式，在一些情况下与H2H通信(人与人之间通信)有着很多差别。与H2H通信相比：M2M通信具有很大的设备量，M2M通信具有低移动，M2M通信具有时延容忍，M2M通信具有小额数据传输等特性。但是在很多情况下，根据其通信特征两者也可能会有着相同的业务特性。随着无线通信技术的迅速发展，尤其是4G的日益成熟为物联网提供了很好的技术支持。这给M2M通信发展带来了良好的基础环境，因此极大地拓展了M2M通信的应用范围，所以M2M技术在现实中已经在告警系统，智能电表，智能交通，火灾监测等领域有了广泛的应用。
然而由于物联网中M2M通信终端数量大，发送数据小，移动性低等特性，当大量M2M终端接入网络必然会引起冲突碰撞和网络拥塞等问题。针对上述问题3GPP在M2M业务随机接入的研究中，提出了分配专用接入资源，对其进行业务等级划分和采用不同的退避时间等方案。尽管这些方案能解决一些随机接入的冲突碰撞问题从而提高随机接入成功的概率，但这些方案的不足之处在于M2M终端发送的数据量是预知的，自发的向网络传输数据。
为了解决这些问题，现有的研究提出了一种基于分组的方案，该方案首先对M2M终端进行分组，然后由网络通过组寻呼控制随机接入的时间。对于分组的方案，由于M2M终端的海量性，在大量的M2M通信场景中，很多通信终端有相同或者相似的特性，把这些具有相同或者相似的M2M终端划分为一组，这样就把M2M终端分成了很多组群，并对组群设定优先级。优先级高的组终端优先分配接入资源，这样就可以有效的解决当大量M2M终端发起接入请求时发生的冲突碰撞，从而提高M2M终端接入的概率。本发明就是一种基于分组的M2M随机接入控制方法的研究。
发明内容
技术问题：本发明为了解决当大量M2M终端同时发起接入而引起的冲突碰撞问题，采用一种分组的思想并设定优先级，优先级高的组终端优先分配接入资源，这样可以合理的利用系统的随机接入资源来降低冲突碰撞发生的概率，从而提高M2M终端接入的概率。
技术方案如下：
本方案提出一种基于能量状态感知的M2M终端分组的随机接入控制方法，采用一定标准对终端进行分组，并设定优先级，优先级高的组终端优先分配接入资源，从而提高M2M终端接入的概率。具体如下：
1.提出基于能量状态感知的M2M终端分组准则。
组划分的标准是M2M终端自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β值的大小，β处于给定区间的M2M终端分为一组，β值越小则其组终端优先级越高，优先为其分配接入资源。
2.提出基于能量状态感知的M2M终端分组过程。过程如下：
(2-1)M2M终端计算自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β存储在自身内存单元中；
(2-2)当M2M终端初次发起随机接入请求，eNB进行响应；
(2-3)M2M终端将含有自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β信息反馈给eNB；
(2-4)eNB接受包含β的信息，提取出β，根据存在的分类准则表为其划分组并为其分配组ID，这里的组ID亦可代表着优先级的大小，最后eNB将这些信息反馈给M2M终端；
(2-5)M2M终端接收组ID存入内存单元中，确定自己的分组；
(2-6)之后有M2M终端发送随机接入请求信息时，eNB首先检测信息中是否包含组ID，如果没有，先进行以上步骤确定其分组之后再进行接入，如果信息中包含组ID则直接进行之后的接入步骤。
3.提出基于能量状态感知的M2M终端接入过程。过程如下：
(3-1)eNB广播寻呼信息寻呼M2M分组终端进行接入，整个寻呼接入持续周期为T秒；
(3-2)分配随机接入资源：M2M终端收到寻呼信息后响应，分配随机接入资源。分配过程是以一个RA slot(随机接入槽即随机接入子帧，时域上为1ms，频域上为1.08MHz,一个RA slot共包含64个随机接入前导序列即随机接入机会)为单位，同一个RA slot中优先级高的组终端优先选择随机接入前导序列,若前导序列有剩余则次优先级的组终端选择前导，依次类推；
(3-3)M2M终端发送随机接入前导序列；
(3-4)eNB做出随机接入响应；
(3-5)M2M终端发送终端标识；
(3-6)竞争决策；
(3-7)到下一个RA slot，随机接入资源的分配是以一个RA slot为单位的，故当进行到下一个RA slot时，重复步骤(2)到步骤(7)的工作；
(3-8)到下一个寻呼持续周期T,重复步骤(1)到(8)的过程。
4.提出系统性能分析模型，计算终端的接入率。
(4-1)计算寻呼周期T秒内分配到资源的终端数(系统吞吐量)；
(4-2)计算寻呼周期T秒内未分配到资源的终端数；
(4-3)计算终端最终成功接入率。
有益效果
本发明提出的基于能量状态感知的M2M终端分组的随机接入控制方法，对M2M终端进行分组并设定优先级，优先级高的组终端优先分配接入资源。这不仅可以缓轻由于大量M2M终端接入网络而引起的冲突碰撞和网络拥塞等问题从而提高终端成功接入率，而且可以提高终端自身能量利用率。
附图说明
图1 M2M组终端在LTE系统中的接入模型；
图2 M2M终端的分组过程；
图3 LTE系统中基于竞争的随机接入过程；
图4 M2M组终端的接入过程。
具体实施方式
以下结合附图具体说明本发明的技术方案。
1.M2M终端分组准则
对于分组的标准，我们可以根据M2M业务特性来划分，3GPP技术规范组定义了14种M2M业务特性，那么我们可以把相同特性业务或者具有相近M2M业务服务的终端划分为一组。比如可以把自动售货机，车队管理等实时性要求不高的M2M终端分为一组并分配组ID,对于地震，海啸监测等实时性要求高的应用划分为一组并分配组ID，最后对组设定一个优先级，实时性越高的组其优先级越高，优先为其分配接入资源。
本发明假定M2M终端具有能量采集功能，所以采用组划分的标准是M2M终端自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β，这样设定的依据是终端每次发起接入请求时是会消耗能量的，那么我们可以约定能量消耗较快的终端优先进行接入(这里所谓的快慢即β的大小，β越大则能量消耗越慢)，这样可以节约当大量终端同时接入却因为冲突碰撞无法接入而消耗的能量，从而提高终端的能量利用率，延长终端的使用寿命。且β处于一定区间的M2M终端分为一组，例如当终端β属于[a,b]时分为一组，属于[b,c]时分为另一组等等，其中a，b，c为某一设定的值。对于优先级的设定，β越小则其组终端优先级越高，优先为其分配接入资源。这样设定的依据是终端每次发起接入请求时是会消耗能量，那么我们可以约定能量消耗较快的终端优先进行接入，这样可以节约当大量终端同时接入却因为冲突碰撞无法接入而消耗的能量，从而提高终端的能量利用率。这里能量消耗的相对快慢则是通过β来衡量的。
如图1所示：假设根据分组准则M2M终端共分为H组，并通过优先级准则为每组设定优先级，每组M2M终端可以通过传感器网络与M2M网关进行数据通信，M2M网关统一将数据上传给eNB,M2M网关只需要一张4G通信卡。这样非常有利于本区域内大量M2M终端的统一协调，统一管理。也可以避免各个M2M终端与eNB直接通信造成的过程繁琐，资源浪费等问题。
2.M2M终端分组过程
当M2M终端发起接入请求时，eNB首先需要判断该终端是初次接入还是之前已经接入并且分配过组ID。如果是初次接入则首先应该为它分配组ID；如果是已经分配过组ID，则应该查询其组ID，确定该M2M终端到底是属于哪一组，这样才能确定其优先级从而优先分配接入资源。所以基于以上分析，分组的过程不只是在M2M终端处简单完成，而是定义在M2M终端与eNB之间一种协议。假设M2M终端时能够计算出自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β，并且eNB端存储了根据β值来分类的分类准则表。本文提出的M2M终端分组过程如下：
(1)M2M终端计算自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β存储在自身内存单元中；
(2)当M2M终端初次发起随机接入请求，eNB进行响应；
(3)M2M终端将含有自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β信息反馈给eNB；
(4)eNB接受包含β的信息，提取出β，根据存在的分类准则表为其划分组并为其分配组ID，这里的组ID亦可代表着优先级的大小，最后eNB将这些信息反馈给M2M终端；
(5)M2M终端接收组ID存入内存单元中，确定自己的分组；
(6)之后有M2M终端发送随机接入请求信息时，eNB首先检测信息中是否包含组ID，如果没有，先进行以上步骤确定其分组之后再进行接入，如果信息中包含组ID则直接进行之后的接入步骤。
所以整个分组过程可用如下的图2来表示
3.基于分组的M2M终端接入过程
如图3所示，LTE系统中基于竞争的随机接入过程分为四个步骤，即：
(1)发送接入前导：终端选择随机接入前导发送给eNB，如果多个终端用户选择相同的接入前导发送则会发生碰撞；
(2)随机接入响应：eNB进行响应并反馈一些信息，例如：所收到的前导信号所在的时频资源槽的ID，上行同步信息，临时标识(C-RNTI)等；
(3)发送终端标识：终端发送标识给eNB,包括(2)中的C-RNTI,以及终端本身的ID等信息；
(4)竞争决策：eNB接收到步骤3的信号后会回复标识信息，只有探测到自己的标识的用户才会确认消息，那些发生冲突的用户会延时一段时间后继续重新发起连接。
LTE系统中的随机接入过程是终端用户主动发起的连接请求，而本发明提出的是LTE系统中基于分组且设定了优先级的M2M终端接入过程，其接入的基本思想遵循LTE中随机接入的思想，但具体过程应特殊情况特殊对待。这里，因为分组且设定了优先级，如果大量M2M终端主动发起连接请求，eNB需要确定其分组和优先级，这难免会增大eNB端的工作量，并且这也非常不利于系统性能分析模型的建立，所以基于以上分析，组终端开始接入是在eNB广播寻呼信息后开始的，组终端在接收到寻呼信息后发起随机接入请求。整个接入具体步骤如下：
(1)eNB广播寻呼信息寻呼M2M分组终端进行接入，整个寻呼接入持续周期为T秒；
(2)分配随机接入资源：M2M终端收到寻呼信息后响应，分配随机接入资源。分配过程是以一个RA slot(随机接入槽即随机接入子帧，时域上为1ms，频域上为1.08MHz,一个RAslot共包含64个随机接入前导序列即随机接入机会)为单位，同一个RA slot中优先级高的组终端优先选择随机接入前导序列,若前导序列有剩余则次优先级的组终端选择前导，依次类推；
(3)M2M终端发送随机接入前导序列；
(4)eNB做出随机接入响应；
(5)M2M终端发送终端标识；
(6)竞争决策；
(7)到下一个RA slot，随机接入资源的分配是以一个RA slot为单位的，故当进行到下一个RA slot时，重复步骤(2)到步骤(7)的工作；
(8)到下一个寻呼持续周期T,重复步骤(1)到(8)的过程。
整个接入的过程可用图4来表示。
4.系统性能分析模型
本方法是基于分组且设定优先级的M2M终端随机接入过程，此部分的重点在于分析该模型中，一次寻呼持续周期T内，最终M2M终端接入成功的概率。
该模型最重要的问题在于随机接入资源(即接入前导序列)的分配问题，优先级高的组终端优先分配随机接入资源，如果有剩余则次优先级的组终端进行分配，以此类推。并且这里我们假设如果有多个M2M组终端选择了相同的接入前导，则发生碰撞，eNB拒绝这些终端进行接入，并让它们退避一段时间后再进行接入，而对于只有一个终端选择了一个接入前导，则没有发生碰撞，规定它能成功的接入。
假设寻呼持续周期为T秒，每秒有M个RA slot,每个RA slot有N个随机接入资源(前导序列)，则T秒持续时间内共有T*M个RA slot,T*M*N个随机接入机会。
定义第i组终端在第j个RA slot上发起接入请求的数目为：Mi(j)
若在T秒持续时间，发起接入请求的终端总数为A，A就等于每一组终端(共H组)在T*M个RA slot上的总和，则:
定义j个RA slot里有N个接入资源，由m个M2M终端竞争使用，则竞争成功的个数：
M(j)＝m·e-m/N
定义在第j个RA slot上第i组终端选择随机接入前导后剩余的随机接入前导数目为：Li(j)，其中L0(j)表示第j个RA slot上没有组终端选择接入前导,即：L0(j)＝N。
若第j个RA slot里接入成功的终端数为B,则：
若T秒持续时间内接入成功的总终端数为C，即系统吞吐量,为：
在这里我们定义系统最终接入成功的概率为T秒持续时间内接入成功的总用户数/T秒持续时间内发起接入请求的总终端数，则接入成功的概率P为：

Claims (3)

1.一种基于能量状态感知的M2M终端分组的随机接入控制方法，其特征在于，包括以下几个过程：
(1)基于能量状态感知的M2M终端分组过程：能量状态感知包括终端自身能量采集速率和自身能量消耗速率，定义M2M终端自身能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β，β处于一定区间的M2M终端分为一组，当终端β属于[a,b]时分为一组，属于[b,c]时分为另一组，其中a，b，c为某一设定的值；
(2)基于能量状态感知的M2M终端接入过程：基于分组且设定优先级，组终端开始接入是在eNB广播寻呼信息后开始的，组终端在接收到寻呼信息后发起随机接入请求；
(3)系统性能分析过程：在确定分组标准，分组过程及接入过程后，计算最终终端成功接入的概率、系统吞吐量。
2.根据权利要求书1中所述的随机接入控制方法，其特征在于，过程(1)包括以下几个过程：
(1-1)M2M终端计算自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β存储在自身内存单元中；
(1-2)当M2M终端初次发起随机接入请求，eNB进行响应；
(1-3)M2M终端将含有自身剩余能量采集速率与其自身能量消耗速率之比β信息反馈给eNB；
(1-4)eNB接受包含β的信息，提取出β，根据存在的分类准则表为其划分组并为其分配组ID，这里的组ID亦可代表着优先级的大小，最后eNB将这些信息反馈给M2M终端；
(1-5)M2M终端接收组ID存入内存单元中，确定自己的分组；
(1-6)之后有M2M终端发送随机接入请求信息时，eNB首先检测信息中是否包含组ID，如果没有，先进行以上步骤确定其分组之后再进行接入，如果信息中包含组ID则直接进行之后的接入步骤。
3.根据权利要求书1中所述的随机接入控制方法，其特征在于，过程(2)包括以下几个过程：
(2-1)eNB广播寻呼信息寻呼M2M分组终端进行接入，整个寻呼接入持续周期为T秒；
(2-2)分配随机接入资源：M2M终端收到寻呼信息后响应，分配随机接入资源；分配过程是以一个RA slot为单位，同一个RA slot中优先级高的组终端优先选择随机接入前导序列,若前导序列有剩余则次优先级的组终端选择前导，依次类推；
(2-3)M2M终端发送随机接入前导序列；
(2-4)eNB做出随机接入响应；
(2-5)M2M终端发送终端标识；
(2-6)竞争决策；
(2-7)到下一个RA slot，随机接入资源的分配是以一个RA slot为单位的，故当进行到下一个RA slot时，重复步骤(2-2)到步骤(2-7)的工作；
(2-8)到下一个寻呼持续周期T,重复步骤(2-1)到(2-8)的过程。
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