CN106851545A - 一种面向mtc应用的系统帧计时方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向MTC应用的系统帧计时方法，属于无线通信技术领域。为减少MTC巨量通信对接入资源的需求，终端可采取“首次基于竞争+其它周期非竞争”的方式接入网络。由于LTE帧计时器最大计时为10.24秒，不能满足机器通信的长定时的需求。本发明方法通过在LTE系统MIB信息中添加一个新字段，该新字段和SFN字段一起表示MTC的系统帧号，或使用SFN字段和MIB预留的10比特字段联合终端计数器三字段一起的方法来增加系统帧号的计数范围，使其大于终端业务的周期。对比LTE的系统帧计时器，本发明可以有效解决计数器范围小和MTC系统长定时的问题，对MTC通信有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种LTE系统帧的计时方法，特别涉及一种面向MTC应用的系统帧计时方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
机器类通信(MTC,Machine-Type Communication)泛指通信双方至少一方是机器的通信，是没有人的参与的一种通信方式。作为5G通信系统最为重要的组成部分，MTC巨大的潜在应用前景，得到了许多研究机构和移动网络运营商的重视。
MTC通信的特点主要包括：低移动性、高时延性、上报频次低、周期性业务、低功耗、终端数量多以及小数据传输等。其中，最为显著的特性是巨量用户，因此机器类通信设备在同时进行随机接入时，会出现现有LTE资源不能满足其接入需求的现象。
以FDD-LTE系统为例，考虑接入资源最大配置时的情形，即PRACH的密度配置为每帧10个(PRACH容量最多的情况)，且有54个Preamble序列用来MTC设备基于竞争的接入使用(其它的10个Preamble序列用于非竞争接入时使用)，则每秒一共可提供的接入机会数是54000。根据接入碰撞概率计算公式(Pc＝1-e-γ/L)，可以计算出当碰撞概率限定在1％时，每秒的接入强度只有542个用户。考虑用户密度仅为3万用户/小区，按3GPP协议给的MTC业务模型一(60秒的均匀分布)，那么平均每秒接入的用户为1167个，仅有46.4％的用户有接入机会，可见，LTE系统的PRACH资源是不能满足机器通信需求的。
而如果MTC终端使用非竞争的随机接入方式，同样有54个Preamble用于MTC设备基于非竞争接入使用。那么每个子帧都有54个不同的Preamble序列，可以分给54个不同的用户接入使用，且不会发生碰撞。如果Preamble序列需10毫秒释放掉，即每隔10毫秒同一Preamble序列分给不同的用户接入时使用，不能视为产生了碰撞现象，那么一个Preamble每秒可以供100个不同的用户接入使用，总共54个Preamble可以分给5400个用户进行非竞争接入时使用，且每个用户使用的Preamble序列号及PRACH信道资源是由基站指示的，不会发生碰撞现象。
由此可见，非竞争接入的容量要比基于竞争的随机接入的容量大很多，因此，MTC终端应在满足其通信要求的情况下，尽可能多的使用非竞争的随机接入方式，以简化接入流程，提高接入容量，减小因碰撞过高导致的接入失败的现象。
由于机器类通信大多数是周期性业务而且上报的频次低，因此MTC终端可以采取首次基于竞争地接入网络，在数据传输完成后，进入休眠状态，然后根据系统帧计满一个周期后，终端由休眠状态转为激活状态，重新进行随机接入过程，完成一个周期的通信过程。除首次采用基于竞争的接入网外，其它周期都使用非竞争的随机接入过程。采取这种方式可以减少MTC设备的在线时间，减轻网络拥塞，减少资源浪费，避免频繁接入带来的功率损耗等。
LTE系统的系统帧号计数器(SFN，System Frame Number)包含在MIB(MasterInformation Block)消息中，在PBCH信道上传输，MIB消息在整个小区中进行广播。SFN位长为10比特，也就是取值从0-1023循环。在PBCH信道上传输的MIB消息中只广播SFN信息的前8位，剩下的两位根据该无线帧在PBCH资源40ms周期窗口的位置确定。因为LTE系统中，每帧的长度是10ms，所以，系统帧号计数器的计时范围是1-10240ms，约10s。但是MTC业务发送的数据不是连续的，终端发送频次比较低，发送周期长，如智能抄表业务可以每天甚至每周或者更长时间发送一次数据。MTC系统采用上述提出的首次基于竞争的接入方式，其余采用非竞争的方式进行通信，要求系统帧计时器的计时范围要至少大于周期性业务的周期长度，因此现有LTE系统的帧计时器不能够满足MTC通信的需求，需要设计新的适用于MTC通信的系统帧计时器。这对MTC通信具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对LTE系统帧计时范围仅为0～10.24s，不能满足MTC系统长周期通信的计时需求，提出了一种面向MTC应用的系统帧计时方法。
本发明的思想是MTC终端可以采取在每个周期开始时刻接入网络，在数据传输完成后，终端释放所有资源并进入休眠状态；基站根据系统帧号的值，判断当前用户的状态，如果系统帧号值的变化达到其业务周期，那么终端就会变成激活状态进行网络接入；这样MTC终端除了在第一次接入网络时采用竞争接入，其它周期仅通过非竞争随机接入的方式即可；MTC终端，简称终端的这种先竞争接入后非竞争随机接入的通信方式要求系统帧号的计时范围应大于其业务周期；为了最小程度减少对其它信息的影响，采取使用LTE系统预留的K比特字段、SFN字段以及终端计数器一起计数的方法，即三字段计数方法；或在系统MIB信息中添加一个字段的方式，该字段和SFN字段一起表示MTC系统帧号来扩展MTC系统的计时范围，称为利用增加新字段来扩大系统帧号的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种面向MTC应用的系统帧计时方法包括三字段计数方法和利用增加新字段来扩大系统帧号的方法。
其中，三字段计数方法利用三个字段来扩展计时范围，分别是SFN字段、24比特MIB信息中的空闲字段K比特以及终端隐式计数器字段；
K的取值范围为1到10，且K比特中的每一种对应N个SFN周期，并由终端隐式计数器字段指示是0～N-1中的哪一个SFN周期；三字段计数方法，具体包括以下步骤：
步骤1：确定MTC周期性业务发送数据的周期，从而确定MTC系统计数器的范围；
MTC通信应用范围非常广泛，大多数MTC业务都具有周期性，不同业务根据其危险性的不同，其上报周期也不同，因此首先应确定MTC的通信周期，具体由以下步骤完成：
步骤1.a.广泛调研多种MTC周期性业务；
步骤1.b.选择应用广泛的、典型的业务进行分析，确定每种业务的上报周期；
步骤1.c.确定MTC系统计数器的计数最大值Ntotal，Ntotal的取值应大于步骤1.b中确定的每种业务的上报周期；
步骤2：确定空闲字段K比特中的每一个对应的SFN完整周期数N，具体步骤为：
步骤2.a.计算得到SFN字段的计数最大取值NSFN和空闲字段的计数最大取值Nspare；
步骤2.b.根据所得的计数器的计数范围Ntotal，以及SFN字段和空闲字段各自的计数范围NSFN、Nspare，确定空闲字段的每一个对应的连续SFN完整周期数N的取值，N的取值是满足下列要求的正整数：
Nspare×(NSFN×N)>＝Ntotal；
步骤3：根据终端计数器的计数范围0～N-1，确定计数器的位数，MTC系统帧号每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，终端计时器加一，以指示当前处于空闲字段K比特中每一个对应的SFN完整周期N中的哪一个；
步骤4：确定并修改MIB信息中空闲字段位数为10-K，并输出MTC系统帧号；
其中，MTC系统帧号由MIB信息中的SFN字段和空闲字段K比特一起表示，空闲字段K比特作为MTC系统帧号的高位，SFN字段作为MTC系统帧号的低位；
步骤5：终端通过其本身的计数器和步骤4输出的MTC系统帧号，共同实现对其上报周期的计时，具体为：
MTC系统帧号低位字段每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，终端计时器加一，每变化N个SFN周期，终端计数器计满一次，MTC系统帧的高位，即扩展的空余字段加一，同时终端计数器清零，如此循环，直至计时达到终端的上报周期，终端由休眠状态被激活，开始进行网络接入过程；
至此，从步骤1到步骤5完成了本发明一种面向MTC应用的系统帧计时方法中的三字段计数方法。
利用增加新字段来扩大系统帧号的方法，是加入NMTC比特的新字段，NMTC比特的每一种对应一个SFN完整周期；新字段法扩大帧号，包括以下步骤：
步骤1)：确定MTC周期性业务发送数据的周期，从而确定MTC系统计数器的范围，同利用MIB信息中的空闲字段K比特扩大的步骤；
步骤2)：确定新增加字段的位数NMTC；
步骤2).a.根据所得的计数器的计数范围Ntotal，计算所需要的比特数NLen；
步骤2).b.新增加的字段和SFN字段一起表示MTC的系统帧号，因此计算得到的NLen减去LTE系统帧号SFN的10比特，即能计算得到新增加字段的位数N'MTC；
步骤2).c.LTE系统中MIB信息是24比特，如果计算得到的新字段的位数N'MTC不是8(一个字节8个比特)的整数倍，新增字段的位数应取为大于所需位数的最小的8的倍数，即NMTC；
步骤3)：确定并修改MIB信息，在MIB信息中增加NMTC比特的新字段，并输出MTC系统帧号；
步骤3).a.MTC系统帧号由MIB信息中的SFN字段和新增加的NMTC比特一起表示，新增加的字段作为MTC系统帧号的高位，SFN字段作为MTC系统帧号的低位；
步骤3).b.增加步骤2).c计算得到的位数的字段，为NMTC；
步骤3).c.LTE系统中MIB信息是24比特，新增加一个字段后，应相应修改MIB信息的长度，MIB信息的长度为(24+NMTC)比特；
步骤4)：终端通过扩展的MTC系统帧号，实现对其上报周期的定时，MTC系统帧号每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，扩展系统帧号的高位，即新增加字段加一，如此循环，直至计时达到终端的上报周期，终端由休眠状态被激活，开始进行网络接入过程；
至此，从步骤1)到步骤4)，完成了本发明一种面向MTC应用的系统帧计时方法中的利用增加新字段来扩大系统帧号的方法。
有益效果
本发明一种面向MTC应用的系统帧计时方法，与其他现有方法相比，具有如下有益效果：
1.采用本发明所述方法能够有效地解决LTE系统帧计数器范围小的问题；
2.采用本发明所述方法，机器类通信可以实现超过一个月周期的计时，如此基站可以根据不同MTC业务的周期，以及扩展后的系统帧号的变化，确定当前MTC终端的状态，从而唤醒终端进行接入、发送数据等。
附图说明
图1是本发明一种面向MTC应用的系统帧计时方法及实施例中的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时将进一步叙述本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
下面以北京地区的MTC智能抄表业务为例对本发明所述的三字段计数法扩大系统帧号的具体实施进行说明。
利用三字段计数方法来扩大系统帧号，具体包括以下步骤：
步骤一、确定MTC业务的发送数据周期，从而确定MTC系统计数器的范围；
步骤(1).a.调研并选择北京地区的周期性业务；
具体到本实施例，选择电表、水表、气表、污染监测、停泊、电子健康六种抄表类业务；这六种业务都是周期性业务，符合本发明的应用条件，并且这几种抄表业务具有特性相似、应用广泛、实际需求量大的特点，故本调研选取以上六种抄表业务作为研究对象；
步骤(1).b.确定步骤(1).a中六种抄表业务的上报周期；
见下表1所示：
表1六种抄表业务的上报周期
步骤(1).c.确定计数器的范围Ntotal；
具体到本实施例：为满足所有MTC通信的需求，MTC系统的计数器范围应大于MTC业务的最大周期，因此计数器的最大计数值应至少为30天，即计数器的范围Ntotal是0-2592000s；
步骤二：确定空闲字段K比特中每一个对应的SFN完整周期的个数，即得到N的取值；
具体到本实施例，K取值为10；当此10比特是0000011111时，对应SFN的完整周期数为N；
步骤二具体包括：
步骤(2).a.SFN字段和空余字段都是10比特，因此SFN字段的计数范围NSFN＝1024，空闲字段的计数范围Nspare＝1024；
步骤(2).c.根据步骤(1).c.所得的计数器的范围Ntotal＝2592000000ms以及SFN字段的计数范围NSFN＝1024以及空闲字段的计数范围Nspare＝1024，确定每一个对应的连续SFN完整周期数N的取值应满足：
Nspare×(NSFN×N)>＝Ntotal；
那么N满足1024×(1024×10ms×N)>＝2592000000的正整数，计算得到N的值为248；
步骤三：根据终端计数器的范围是0～247，确定计数器的位数为8位。MTC系统帧号每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，终端计时器加一，以指示当前处于空闲10比特中每一个对应的SFN完整周期N中的哪一个；
步骤四.确定并修改MIB信息，三字段方法中MTC系统帧号由SFN字段和空闲字段一起表示，10比特空闲字段作为MTC系统帧号的高位，SFN字段作为低位，MTC系统帧位数是20比特，下图是利用三字段扩大系统帧计时的MIB信息的示意如下：
步骤五：终端通过它本身的8位计数器和MTC系统20比特的系统帧号，共同实现其上报周期的定时。MTC系统帧号每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，终端计满248个SFN周期，MTC系统帧的高位，即空余字段加一，同时终端计数器清零，如此循环，直至计时达到终端的上报周期，终端由休眠状态被激活，开始进行网络接入过程，终端发送完数据后，进入休眠状态，开启新一轮的计时；
实施例2
下面同样以北京地区的MTC智能抄表业务为例，对本发明所述的新增字段计数法扩大系统帧号的具体实施进行说明。
增加新字段来扩大系统帧号，具体包括以下步骤：
步骤A、确定MTC业务的发送数据周期，从而确定MTC系统计数器的范围，同利用MIB信息中的空闲字段K比特扩大的步骤；
步骤B：确定新增加字段的位数NMTC；
步骤B.1.计数器的范围最小是0-2592000s，由于LTE系统帧长是10ms，因此计数器应能指示259200000个系统帧，计算出计数器所需的位数是22比特；
步骤B.2.新增加字段和SFN字段一起表示MTC系统帧号，由于LTE系统的系统帧号是10比特，因此去掉SFN的10比特新增字段的位数N'MTC是12比特。
步骤B.3.新字段的位数N'MTC是12比特不是8(一个字节8个比特)的整数倍，因此为了使增加新增字段后MIB的总位数仍是整数个字节，新增加的字段NMTC应为16比特。
步骤C：确定并修改MIB信息，在MIB信息中增加NMTC比特的新字段，并输出MTC系统帧号；
步骤C.1.新字段作为高位，LTE系统的SFN字段作为低位。两者一起作为MTC系统帧号字段；
步骤C.2.按步骤二新增加位数为16比特的字段MTCsystemFrameNumber；
步骤C.3.LTE系统中的MIB信息是24比特，新增一个字段后，MIB信息的长度变为40比特，下图是利用新字段扩大系统帧计时的MIB信息的示意如下：
步骤D：终端通过扩展的MTC系统帧号，实现对其上报周期的定时，MTC系统帧号每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，扩展系统帧号的高位，即新增加字段加一，如此循环，直至计时达到终端的上报周期，终端由休眠状态被激活，开始进行网络接入过程，终端发送完数据后，进入休眠状态，开启新一轮的计时。
在本实例中，通过利用LTE系统MIB信息中的空闲字段或增加一个新字段的方法，扩展了系统帧号的计数周期，能够保证MTC系统的正常通信，具有重要的作用。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：本发明的思想是MTC终端可以采取在每个周期开始时刻接入网络，在数据传输完成后，终端释放所有资源并进入休眠状态；基站根据系统帧号的值，判断当前用户的状态，如果系统帧号值的变化达到其业务周期，那么终端就会变成激活状态进行网络接入；这样MTC终端除了在第一次接入网络时采用竞争接入，其它周期仅通过非竞争随机接入的方式即可；MTC终端，简称终端的这种先竞争接入后非竞争随机接入的通信方式要求系统帧号的计时范围应大于其业务周期；为了最小程度减少对其它信息的影响，采取使用LTE系统预留的K比特字段、SFN字段以及终端计数器一起计数的方法，即三字段计数方法；或在系统MIB信息中添加一个字段的方式，该字段和SFN字段一起表示MTC系统帧号来扩展MTC系统的计时范围，称为利用增加新字段来扩大系统帧号的方法，即一种面向MTC应用的系统帧计时方法包括三字段计数方法和利用增加新字段来扩大系统帧号的方法。
2.根据权利要求1所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：三字段计数方法利用三个字段来扩展计时范围，分别是SFN字段、24比特MIB信息中的空闲字段K比特以及终端隐式计数器字段；K的取值范围为1到10，且K比特中的每一种对应N个SFN周期，并由终端隐式计数器字段指示是0～N-1中的哪一个SFN周期。
3.根据权利要求1所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：三字段计数方法，具体包括以下步骤：
步骤1：确定MTC周期性业务发送数据的周期，从而确定MTC系统计数器的范围；
MTC通信应用范围非常广泛，大多数MTC业务都具有周期性，不同业务根据其危险性的不同，其上报周期也不同，因此首先应确定MTC的通信周期；
步骤2：确定空闲字段K比特中的每一个对应的SFN完整周期数N；
步骤3：根据终端计数器的计数范围0～N-1，确定计数器的位数，MTC系统帧号每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，终端计时器加一，以指示当前处于空闲字段K比特中每一个对应的SFN完整周期N中的哪一个；
步骤4：确定并修改MIB信息中空闲字段位数为10-K，并输出MTC系统帧号；
步骤5：终端通过其本身的计数器和步骤4输出的MTC系统帧号，共同实现对其上报周期的计时；
至此，从步骤1到步骤5完成了本发明一种面向MTC应用的系统帧计时方法中的三字段计数方法。
4.根据权利要求1所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：利用增加新字段来扩大系统帧号的方法，是加入NMTC比特的新字段，NMTC比特的每一种对应一个SFN完整周期；新字段法扩大帧号，包括以下步骤：
步骤1)：确定MTC周期性业务发送数据的周期，从而确定MTC系统计数器的范围，同利用MIB信息中的空闲字段K比特扩大的步骤；
步骤2)：确定新增加字段的位数NMTC；
步骤3)：确定并修改MIB信息，在MIB信息中增加NMTC比特的新字段，并输出MTC系统帧号；
步骤4)：终端通过扩展的MTC系统帧号，实现对其上报周期的定时，MTC系统帧号每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，扩展系统帧号的高位，即新增加字段加一，如此循环，直至计时达到终端的上报周期，终端由休眠状态被激活，开始进行网络接入过程；
至此，从步骤1)到步骤4)，完成了本发明一种面向MTC应用的系统帧计时方法中的利用增加新字段来扩大系统帧号的方法。
5.根据权利要求3所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：步骤1又具体由以下步骤完成：
步骤1.a.广泛调研多种MTC周期性业务；
步骤1.b.选择应用广泛的、典型的业务进行分析，确定每种业务的上报周期；
步骤1.c.确定MTC系统计数器的计数最大值Ntotal，Ntotal的取值应大于步骤1.b中确定的每种业务的上报周期。
6.根据权利要求3所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：步骤2具体步骤为：
步骤2.a.计算得到SFN字段的计数最大取值NSFN和空闲字段的计数最大取值Nspare；
步骤2.b.根据所得的计数器的计数范围Ntotal，以及SFN字段和空闲字段各自的计数范围NSFN、Nspare，确定空闲字段的每一个对应的连续SFN完整周期数N的取值，N的取值是满足下列要求的正整数：
Nspare×(NSFN×N)>＝Ntotal。
7.根据权利要求3所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：步骤4中，MTC系统帧号由MIB信息中的SFN字段和空闲字段K比特一起表示，空闲字段K比特作为MTC系统帧号的高位，SFN字段作为MTC系统帧号的低位。
8.根据权利要求3所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：步骤5具体为：
MTC系统帧号低位字段每变化一个完整的SFN周期，即计时10.24秒，终端计时器加一，每变化N个SFN周期，终端计数器计满一次，MTC系统帧的高位，即扩展的空余字段加一，同时终端计数器清零，如此循环，直至计时达到终端的上报周期，终端由休眠状态被激活，开始进行网络接入过程。
9.根据权利要求4所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：步骤2)具体包括：
步骤2).a.根据所得的计数器的计数范围Ntotal，计算所需要的比特数NLen；
步骤2).b.新增加的字段和SFN字段一起表示MTC的系统帧号，因此计算得到的NLen减去LTE系统帧号SFN的10比特，即能计算得到新增加字段的位数N'MTC；
步骤2).c.LTE系统中MIB信息是24比特，如果计算得到的新字段的位数N'MTC不是8(一个字节8个比特)的整数倍，新增字段的位数应取为大于所需位数的最小的8的倍数，即NMTC。
10.根据权利要求4所述的一种面向MTC应用的系统帧计时方法，其特征在于：步骤3)具体包括：
步骤3).a.MTC系统帧号由MIB信息中的SFN字段和新增加的NMTC比特一起表示，新增加的字段作为MTC系统帧号的高位，SFN字段作为MTC系统帧号的低位；
步骤3).b.增加步骤2).c计算得到的位数的字段，为NMTC；
步骤3).c.LTE系统中MIB信息是24比特，新增加一个字段后，应相应修改MIB信息的长度，MIB信息的长度为(24+NMTC)比特。
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