CN107040875B - 一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法 - Google Patents

一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，在物理随机接入信道受限的情况下，以“接入效率最大”为原则，运用对小区进行空间分组的方法，增加前导资源，独立地对各个小组进行接入控制和前导资源分配，提高接入效率，降低接入消耗功率，适用于低消耗机器型通信场景。

Description

一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法
技术领域
本发明涉及一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，属于物联网环境中机器型通信前导资源管理技术领域。
背景技术
机器型通信又被称为机器对机器通信，是发展物联网网络的一种关键技术，在没有人为干预的情况下，机器型通信能够为机器与机器之间提供连接，并且能与人与人通信实现和谐共存。然而这样的通信方式却包括了大量的接入设备，并且由于前导资源的短缺，如果众多接入设备直接接入到现有的无线接入网络中，将会导致接入效率低、随机接入负荷大和接入拥塞的问题，甚至会使人与人的通信产生混乱，并且这些接入设备中包含了大量的低功耗需求的设备，如抄表设备、下水道监测设备等，在这种情况下，如果不对现有的随机接入机制进行改进，还会引起消耗超过预期的问题。接入设备数量控制和前导资源动态分配能够有效的提高接入效率，但是它们当中任何一个都无法单独满足数量如此众多的接入设备需求，因此有人提出了将这两种相结合的方法，在接入设备数较少时，对前导资源进行动态分配，提高接入效率；而在接入设备较多时，对接入设备进行控制，保持一定接入效率的同时，缓解接入拥塞和接入负荷大的现象。但是现有的这种联合前导资源分配方法大多只对接入设备的延迟进行约束，没有考虑低功耗机器型通信低功耗和延迟不敏感的需求，并且没有缓解前导资源短缺的问题，接入效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，在物理随机接入信道受限的情况下，以“接入效率最大”为原则，增加前导资源，独立地对各个小组进行接入控制和前导资源分配，提高接入效率，降低接入消耗功率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种
机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，通过针对前导资源的分配，以实现小区范围内机器通信设备对小区通信基站的接入，包括如下步骤：
步骤A.小区通信基站按区域范围，将针对小区划分为预设K个区域组，并获得各个区域组分别所对应的前导数量，接着，基于各个区域组分别所对应的前导数量，分别获得各个区域组的组间距离；
步骤B.小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组中待接入机器通信设备的数量，结合该区域组接入机器通信设备所允许消耗的最大功率Preq，以该区域组中所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下公式：
获得该区域组所对应的最优机器通信设备接入数量进而获得各个区域组分别所对应的最优机器通信设备接入数量；其中，表示f(x)取最大值所对应的变量x的最优值x*；Ck表示第k个区域组接入机器通信设备的数量，0＜Ck≤Nk，Nk表示第k个区域组待接入机器通信设备的数量；表示第k个区域组所接入机器通信设备的消耗功率，Lk表示第k个区域组中实际分配的前导资源；表示第k个区域组所接入机器通信设备消耗的平均功率，其中，Rk表示第k个区域组外边缘与小区通信基站的距离，Rk-1表示第(k-1)个区域组外边缘与基站的距离，γr表示小区通信基站段需求的最小信干比，PI表示每赫兹上的干扰功率，B表示物理随机接入信道所占用的带宽，α表示路径衰减因子，paccess(k)＝(Ck/Nk)·psucc(k)表示第k个区域组中某个机器通信设备成功接入的概率，表示第k个区域组中某个机器通信设备允许接入后成功接入的概率；
如此，进而获得各个区域组分别所对应的最优机器通信设备接入数量；
步骤C.小区通信基站根据各个区域组分别所对应的前导数量，以及各个区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以各个区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，针对各个区域组所接入的机器通信设备进行前导资源分配；
上述步骤C中，小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组分别所对应的前导数量，以及该区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以该区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，基于所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下公式：
获得该区域组所对应的最优前导资源其中，表示f(x)取最大值所对应的变量x的最优值x*；Lk表示第k个区域组中实际分配的前导资源，Lk≤NPA(dk)·M；NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量；M表示分配物理随机接入信道的数量；表示第k个区域组所接入机器通信设备的消耗功率；表示第k个区域组所接入机器通信设备消耗的平均功率，其中，Rk表示第k个区域组外边缘与小区通信基站的距离，Rk-1表示第(k-1)个区域组外边缘与基站的距离，γreq表示小区通信基站段需求的最小信干比，PI表示每赫兹上的干扰功率，B表示物理随机接入信道所占用的带宽，α表示路径衰减因子，paccess(k)＝(Ck/Nk)·psucc(k)表示第k个区域组中某个机器通信设备成功接入的概率，表示第k个区域组中某个机器通信设备允许接入后成功接入的概率；
如此，进而获得各个区域组分别所对应的最优前导资源。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，所述K等于所述小区对应Zadoff-Chu根序列的个数，表达式如下：
其中，d表示小区半径；表示传统情况下小区所需要的前导数量；表示一个根序列产生的前导数量；NZC表示Zadoff-Chu序列长度；表示一个根序列循环位移的尺寸，τds、TSEQ和ng分别表示最大时延扩展、Zadoff-Chu序列的间隔和保护间隔的采样点；和分别表示向上取整和向下取整。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，基于各个区域组分别所对应的前导数量，以及各个区域组的组间距离dk,k∈[1,2,...,K]满足如下方程组的解：
获得分别获得各个区域组的组间距离dk，其中，NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中，小区通信基站分别针对各个区域组，按如下具体步骤，获得区域组所对应的最优机器通信设备接入数量；
步骤B1.根据分配物理随机接入信道的数量M，判断Nk≤NPA(dk)·M是否成立，若判断为是，那么第k个区域组所对应的最优机器通信设备接入数量若判断为否，则进入步骤B2，其中，NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量；
步骤B2.使Lk＝NPA(dk)·M，设定迭代次数为Nk，令n＝1，Ctemp＝0，Reff,temp＝0，然后进入步骤B3；
步骤B3.计算并判断其值是否小于等于Preq，若判断结果为是，则进行步骤B4；否则进入步骤B5；
步骤B4.计算并判断其值是否大于Reff,temp，是则令Ctemp＝n，并进入步骤B5；否则直接进入步骤B5；
步骤B5.针对n的值加1进行更新，并判断n＝Nk+1是否成立，是则进入步骤B6；否则返回步骤B3；
步骤B6.判断Ctemp＝0是否成立，是则否则
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中，小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组分别所对应的前导数量，以及该区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以该区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，基于所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下步骤，针对各个区域组所接入的机器通信设备进行前导资源分配；
步骤C1.判断是否成立，是则第k个区域组中分配的前导资源否则进入步骤C2；
步骤C2.第k个区域组所分配的前导资源满足如下表达式：
当
当
当且
当且
其中，
其中，Preq表示该区域组接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，R表示小区通信基站半径。
本发明所述一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，在物理随机接入信道受限的情况下，以“接入效率最大”为原则，运用对小区进行空间分组的方法，增加前导资源，独立地对各个小组进行接入控制和前导资源分配，提高接入效率，降低接入消耗功率，适用于低消耗机器型通信场景。
附图说明
图1是本发明所设计机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法方法的流程示意图；
图2是本发明所设计中步骤B具体流程示意图；
图3是基于本发明所设计应用实施例中物理随机接入信道上设备的平均接入效率；
图4是基于本发明所设计应用实施例中物理随机接入信道上设备接入成功的平均消耗功率。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明设计了一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，在实际应用过程当中，通过针对前导资源的分配，以实现小区范围内机器通信设备对小区通信基站的接入，包括如下步骤：
步骤A.小区通信基站按区域范围，将针对小区划分为预设K个区域组，并获得各个区域组分别所对应的前导数量，其中，所述K等于所述小区对应Zadoff-Chu根序列的个数，表达式如下：
其中，d表示小区半径；表示传统情况下小区所需要的前导数量；表示一个根序列产生的前导数量；NZC表示Zadoff-Chu序列长度；表示一个根序列循环位移的尺寸，τds、TSEQ和ng分别表示最大时延扩展、Zadoff-Chu序列的间隔和保护间隔的采样点；和分别表示向上取整和向下取整。
接着，基于各个区域组分别所对应的前导数量，以及各个区域组的组间距离dk,k∈[1,2,...,K]满足如下方程组的解：
获得分别获得各个区域组的组间距离dk，其中，NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量。
步骤B.小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组中待接入机器通信设备的数量，结合该区域组接入机器通信设备所允许消耗的最大功率Preq，以该区域组中所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下公式：
获得该区域组所对应的最优机器通信设备接入数量其中，表示f(x)取最大值所对应的变量x的最优值x*；Ck表示第k个区域组接入机器通信设备的数量，0＜Ck≤Nk，Nk表示第k个区域组待接入机器通信设备的数量；表示第k个区域组所接入机器通信设备的消耗功率，Lk表示第k个区域组中实际分配的前导资源；表示第k个区域组所接入机器通信设备消耗的平均功率，其中，Rk表示第k个区域组外边缘与小区通信基站的距离，Rk-1表示第(k-1)个区域组外边缘与基站的距离，γr表示小区通信基站段需求的最小信干比，PI表示每赫兹上的干扰功率，B表示物理随机接入信道所占用的带宽，α表示路径衰减因子，paccess(k)＝(Ck/Nk)·psucc(k)表示第k个区域组中某个机器通信设备成功接入的概率，表示第k个区域组中某个机器通信设备允许接入后成功接入的概率。
基于上述设计操作，如图2所示，小区通信基站分别针对各个区域组，具体按如下具体步骤，获得区域组所对应的最优机器通信设备接入数量；
步骤B1.根据分配物理随机接入信道的数量M，判断Nk≤NPA(dk)·M是否成立，若判断为是，那么第k个区域组所对应的最优机器通信设备接入数量若判断为否，则进入步骤B2；
步骤B2.使Lk＝NPA(dk)·M，设定迭代次数为Nk，令n＝1，Ctemp＝0，Reff,temp＝0，然后进入步骤B3；
步骤B3.计算并判断其值是否小于等于Preq，若判断结果为是，则进行步骤B4；否则进入步骤B5；
步骤B4.计算并判断其值是否大于Reff,temp，是则令Ctemp＝n，并进入步骤B5；否则直接进入步骤B5；
步骤B5.针对n的值加1进行更新，并判断n＝Nk+1是否成立，是则进入步骤B6；否则返回步骤B3；
步骤B6.判断Ctemp＝0是否成立，是则否则
如此，进而获得各个区域组分别所对应的最优机器通信设备接入数量。
步骤C.小区通信基站根据各个区域组分别所对应的前导数量，以及各个区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以各个区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，针对各个区域组所接入的机器通信设备进行前导资源分配。
上述步骤C具体操作为，小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组分别所对应的前导数量，以及该区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以该区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，基于所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下公式：
获得该区域组所对应的最优前导资源其中，表示f(x)取最大值所对应的变量x的最优值x*；Lk表示第k个区域组中实际分配的前导资源，Lk≤NPA(dk)·M；NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量；M表示分配物理随机接入信道的数量；表示第k个区域组所接入机器通信设备的消耗功率；表示第k个区域组所接入机器通信设备消耗的平均功率，其中，Rk表示第k个区域组外边缘与小区通信基站的距离，Rk-1表示第(k-1)个区域组外边缘与基站的距离，γreq表示小区通信基站段需求的最小信干比，PI表示每赫兹上的干扰功率，B表示物理随机接入信道所占用的带宽，α表示路径衰减因子，paccess(k)＝(Ck/Nk)·psucc(k)表示第k个区域组中某个机器通信设备成功接入的概率，表示第k个区域组中某个机器通信设备允许接入后成功接入的概率；
基于上述设计操作，小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组分别所对应的前导数量，以及该区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以该区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，基于所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，具体按如下步骤，针对各个区域组所接入的机器通信设备进行前导资源分配；
步骤C1.判断是否成立，是则第k个区域组中分配的前导资源否则进入步骤C2；
步骤C2.第k个区域组所分配的前导资源满足如下表达式：
当
当
当且
当且
其中，
其中，Preq表示该区域组接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，R表示小区通信基站半径。
如此，进而获得各个区域组分别所对应的最优前导资源。
将本发明所设计机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法应用到实际实施例上，如图3和图4所示，可以看出，虽然随着随机接入达到速率的增大，两种方法的接入效率都是逐渐减小的，但是本发明所设计方法的接入效率是大于传统方法的；并且本发明所设计方法的接入消耗功率是远小于传统方法的。所以由此可以看出，本发明所设计方法可以在降低接入消耗功率的同时，提高接入效率。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，其特征在于，通过针对前导资源的分配，以实现小区范围内机器通信设备对小区通信基站的接入，包括如下步骤：
步骤A.小区通信基站按区域范围，将针对小区划分为预设K个区域组，并获得各个区域组分别所对应的前导数量，接着，基于各个区域组分别所对应的前导数量，分别获得各个区域组的组间距离；
步骤B.小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组中待接入机器通信设备的数量，结合该区域组接入机器通信设备所允许消耗的最大功率Preq，以该区域组中所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下公式：
获得该区域组所对应的最优机器通信设备接入数量进而获得各个区域组分别所对应的最优机器通信设备接入数量；其中，表示f(x)取最大值所对应的变量x的最优值x*；Ck表示第k个区域组接入机器通信设备的数量，0＜Ck≤Nk，Nk表示第k个区域组待接入机器通信设备的数量；表示第k个区域组所接入机器通信设备的消耗功率，Lk表示第k个区域组中实际分配的前导资源；表示第k个区域组所接入机器通信设备消耗的平均功率，其中，Rk表示第k个区域组外边缘与小区通信基站的距离，Rk-1表示第(k-1)个区域组外边缘与基站的距离，γr表示小区通信基站段需求的最小信干比，PI表示每赫兹上的干扰功率，B表示物理随机接入信道所占用的带宽，α表示路径衰减因子，paccess(k)＝(Ck/Nk)·psucc(k)表示第k个区域组中某个机器通信设备成功接入的概率，表示第k个区域组中某个机器通信设备允许接入后成功接入的概率；如此，进而获得各个区域组分别所对应的最优机器通信设备接入数量；
步骤C.小区通信基站根据各个区域组分别所对应的前导数量，以及各个区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以各个区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，针对各个区域组所接入的机器通信设备进行前导资源分配；上述步骤C中，小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组分别所对应的前导数量，以及该区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以该区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，基于所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下公式：
获得该区域组所对应的最优前导资源其中，表示f(x)取最大值所对应的变量x的最优值x*；Lk表示第k个区域组中实际分配的前导资源，Lk≤NPA(dk)·M；NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量；M表示分配物理随机接入信道的数量；表示第k个区域组所接入机器通信设备的消耗功率；表示第k个区域组所接入机器通信设备消耗的平均功率，其中，Rk表示第k个区域组外边缘与小区通信基站的距离，Rk-1表示第(k-1)个区域组外边缘与基站的距离，γreq表示小区通信基站段需求的最小信干比，PI表示每赫兹上的干扰功率，B表示物理随机接入信道所占用的带宽，α表示路径衰减因子，paccess(k)＝(Ck/Nk)·psucc(k)表示第k个区域组中某个机器通信设备成功接入的概率，表示第k个区域组中某个机器通信设备允许接入后成功接入的概率；如此，进而获得各个区域组分别所对应的最优前导资源。
2.根据权利要求1所述一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，其特征在于：所述步骤A中，所述K等于所述小区对应Zadoff-Chu根序列的个数，表达式如下：
其中，d表示小区半径；表示传统情况下小区所需要的前导数量；表示一个根序列产生的前导数量；NZC表示Zadoff-Chu序列长度；表示一个根序列循环位移的尺寸，τds、TSEQ和ng分别表示最大时延扩展、Zadoff-Chu序列的间隔和保护间隔的采样点；和分别表示向上取整和向下取整。
3.根据权利要求1或2所述一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，其特征在于：所述步骤A中，基于各个区域组分别所对应的前导数量，以及各个区域组的组间距离dk,k∈[1,2,...,K]满足如下方程组的解：
获得分别获得各个区域组的组间距离dk，其中，NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量。
4.根据权利要求1所述一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，其特征在于：所述步骤B中，小区通信基站分别针对各个区域组，按如下具体步骤，获得区域组所对应的最优机器通信设备接入数量；
步骤B1.根据分配物理随机接入信道的数量M，判断Nk≤NPA(dk)·M是否成立，若判断为是，那么第k个区域组所对应的最优机器通信设备接入数量若判断为否，则进入步骤B2，其中，NPA(dk)表示第k区域组中的前导数量；
步骤B2.使Lk＝NPA(dk)·M，设定迭代次数为Nk，令n＝1，Ctemp＝0，Reff,temp＝0，然后进入步骤B3；
步骤B3.计算并判断其值是否小于等于Preq，若判断结果为是，则进行步骤B4；否则进入步骤B5；
步骤B4.计算并判断其值是否大于Reff,temp，是则令Ctemp＝n，并进入步骤B5；否则直接进入步骤B5；
步骤B5.针对n的值加1进行更新，并判断n＝Nk+1是否成立，是则进入步骤B6；否则返回步骤B3；
步骤B6.判断Ctemp＝0是否成立，是则否则
5.根据权利要求1所述一种机器型通信系统中低功耗的前导资源分配方法，其特征在于：所述步骤C中，小区通信基站分别针对各个区域组，根据区域组分别所对应的前导数量，以及该区域组分别接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，以该区域组分别按其所对应最优机器通信设备接入数量进行机器通信设备接入，基于所接入机器通信设备的消耗功率作为约束因子，按如下步骤，针对各个区域组所接入的机器通信设备进行前导资源分配；
步骤C1.判断是否成立，是则第k个区域组中分配的前导资源否则进入步骤C2；
步骤C2.第k个区域组所分配的前导资源满足如下表达式：
当
当
当且
当且
其中，
其中，Preq表示该区域组接入机器通信设备所允许消耗的最大功率，R表示小区通信基站半径。
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