CN107343323B - 一种5g大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法，包括以下步骤：1)根据用户终端的信道衰落信息判断用户终端所属的覆盖类型；2)基站将用户终端所属的覆盖类型通过下行控制信道发送至用户终端；3)用户终端发起随机接入请求，当用户终端没有接入时，用户终端产生退避时间，用户终端经过所述退避时间后，重新发起随机接入请求，当用户终端接入时，则完成5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避；否则，则转至步骤4)；4)当用户终端发起随机接入请求的次数小于预设最大退避次数时，则转至步骤3)；否则，则等待下一个业务周期时，转至步骤3)，该方法能够有效提高系统的容量，降低系统接入的失败概率。

Description

一种5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法

技术领域

本发明属于5G大连接物联网通信技术领域，具体涉及一种5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法。

背景技术

窄带物联网(Narrow Band-Internet of Things,5G大连接物联网)定义为不需要人为干预便可以进行设备间数据传输的通信系统。预计到2020年，将会有百亿级的物联网设备部署运行。随着4G LTE网络的部署以及5G网络部署脚步的加快，物联网设备将会在众多领域提供更好的服务。

IoT网络的业务特性和传统的蜂窝宽带业务有很大的不同，IoT的特点是低成本低复杂度、扩展覆盖和低功耗。这是由于IoT网络需要部署海量IoT设备，这些设备的业务具有低延时要求和低频的数据传输次数等特点，对延时、速率等因素不敏感，而对成本和复杂度具有极高的要求。需要设计新的IoT网络架构与传统的蜂窝网络融合。5G大连接物联网网络与设备复杂度较低，因此设备的数据存储和处理能力较弱，网络的协议栈和空中接口需要重新设计。针对IoT网络的特性，3GPP对IoT网络提出了相应的目标，相比于传统的GPRS系统室内覆盖能力提高20dB，支持至少160kbps的速率；支持大规模低吞吐量设备，最低部署52547个用户；提高能量效率，5Wh的电池寿命超过10年和99％的IoT设备上传数据延时小于等于10s。

为了降低接入失败概率和避免拥塞，必须对退避机制进行优化设计，以提高系统容量并且降低系统的接入失败概率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法，该方法能够有效提高系统的容量，降低系统接入的失败概率。

为达到上述目的，本发明所述的5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法包括以下步骤：

1)基站根据用户终端发送的信息得到用户终端的信道衰落信息，基站划分出若干种覆盖类型，然后根据用户终端的信道衰落信息判断用户终端所属的覆盖类型；

2)基站将用户终端所属的覆盖类型通过下行控制信道发送至用户终端；

3)用户终端通过随机接入信道的方式发起随机接入请求，当用户终端没有接入到5G大连接物联网系统时，用户终端根据用户终端所属的覆盖类型选择相应的退避函数产生退避时间，用户终端经过所述退避时间后，重新发起随机接入请求，当用户终端接入到5G大连接物联网系统时，则完成5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避；当用户没有接入到5G大连接物联网系统时，则转至步骤4)；

4)当用户终端发起随机接入请求的次数小于预设最大退避次数时，则转至步骤3)；当用户终端发起随机接入请求的次数大于等于预设最大退避次数时，则用户终端在当前业务周期内不发起随机接入请求，等待下一个业务周期时，转至步骤3)。

基站依次划分出覆盖类型class1、覆盖类型class、覆盖类型class3及覆盖类型class4。

覆盖类型class1对应的信噪比小于130.8209dB；覆盖类型class2对应的信噪比大于等于130.8209dB且小于142.6809dB；覆盖类型class3对应的信噪比大于等于142.6809dB且小于151.7609dB；覆盖类型class4对应的信噪比大于等于151.7609dB。

属于覆盖类型class1的用户终端直接退避至下一个调度单元内；属于覆盖类型class2的用户终端进行线性逼退；属于覆盖类型class3的用户终端进行指数幂退避；属于覆盖类型class4的用户终端进行指数幂退避；且属于覆盖类型class1的用户终端、属于覆盖类型class2的用户终端、属于覆盖类型class3的用户终端及属于覆盖类型class4的用户终端的退避粒度均为一个调度单元。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法在具体操作时，依次划分出若干覆盖类型，并根据用户终端的信道衰落信息判断用户终端所述的覆盖类型，在计算退避时间时，根据用户终端的覆盖类型选择相应的退避函数产生退避时间，从而将退避的用户终端进行分散，以避免所有需要退避的用户终端退避到同一时间帧中而导致接入拥塞，提高系统的接入容量，降低系统接入的失败概率。

附图说明

图1为5G大连接物联网系统中用户终端信道衰落的CDF曲线；

图2为每个时间帧中随机接入系统中用户终端的数目变化图；

图3为采用差异化退避函数及线性退避函数接入失败概率对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法包括以下步骤：

1)基站根据用户终端发送的信息得到用户终端的信道衰落信息，基站划分出若干种覆盖类型，然后根据用户终端的信道衰落信息判断用户终端所属的覆盖类型；

2)基站将用户终端所属的覆盖类型通过下行控制信道发送至用户终端；

3)用户终端通过随机接入信道的方式发起随机接入请求，当用户终端没有接入到5G大连接物联网系统时，用户终端根据用户终端所属的覆盖类型选择相应的退避函数产生退避时间，用户终端经过所述退避时间后，重新发起随机接入请求，当用户终端接入到5G大连接物联网系统时，则完成5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避；当用户没有接入到5G大连接物联网系统时，则转至步骤4)；

4)当用户终端发起随机接入请求的次数小于预设最大退避次数时，则转至步骤3)；当用户终端发起随机接入请求的次数大于等于预设最大退避次数时，则用户终端在当前业务周期内不发起随机接入请求，等待下一个业务周期时，转至步骤3)。

基站依次划分出覆盖类型class1、覆盖类型class、覆盖类型class3及覆盖类型class4。

覆盖类型class1对应的信噪比小于130.8209dB；覆盖类型class2对应的信噪比大于等于130.8209dB且小于142.6809dB；覆盖类型class3对应的信噪比大于等于142.6809dB且小于151.7609dB；覆盖类型class4对应的信噪比大于等于151.7609dB。

属于覆盖类型class1的用户终端直接退避至下一个调度单元内；属于覆盖类型class2的用户终端进行线性逼退；属于覆盖类型class3的用户终端进行指数幂退避；属于覆盖类型class4的用户终端进行指数幂退避；且属于覆盖类型class1的用户终端、属于覆盖类型class2的用户终端、属于覆盖类型class3的用户终端及属于覆盖类型class4的用户终端的退避粒度均为一个调度单元。

通过退避函数产生用户终端接入失败时退避的时间，用户终端等待退避时间之后再重新发起随机接入请求；当用户终端还是接入失败，则用户终端继续退避一段时间，然后再重新发起随机接入请求，直至用户终端达到最大的退避次数为止。由于用户终端具有不同的覆盖范围等级，因此在设计退避函数的时候也应该进行差异化设计，从而体现不同用户终端之间的差异性，同时为避免所有的用户终端退避到同一个时间帧中产生拥塞。

本发明的核心思想在于：利用分类用户终端的差异化进行设计退避函数。将用户终端根据信道衰落状况划分覆盖范围，信道质量越好的用户终端优先级越高，此时用户终端每次退避的时间越短，该覆盖范围的用户终端就可以更早的重新发起随机接入请求。同时由于不同覆盖范围的用户终端的退避函数不同，因此每次用户终端接入失败时退避的时长也不同，从而避免需要退避的用户终端拥塞在同一个时间帧中，导致用户终端达到最大的退避次数而无法再发起随机接入请求，从而降低系统容量。

5G大连接物联网的目标之一是在coverage上比GSM提高20dB。GSM的参考值为144dB，因此5G大连接物联网系统的coverage要达到164dB；在3GPP TR 45.820当中设定了4种coverage class，设置多种coverage class可以让信道质量好的设备获得更好的传输性能，同时提高网络的容量；在PDCCH中传输的信息与coverage class是一一对应的，传输不同的coverage class信息占用PDCCH的资源是不同。为了确定各设备所属的coverageclass，本发明对网络中所有设备的PL进行仿真及统计，由图1可知，大部分设备的PL集中在144dB以下，这和GSM是完全一致的，同时有一部分在144dB以上，甚至超过180dB。

综上所述，本发明根据用户终端不同的覆盖范围coverage class设计不同的退避函数，信道条件好的用户终端就可以在更早的时间重新发起随机接入请求，同时由于不同覆盖范围的用户终端的退避函数不同，因此每次用户终端接入失败时退避的时长也不同，避免需要退避的用户终端拥塞在同一个时间帧中，导致用户终端达到最大的退避次数而无法再进行发起随机接入请求，从而降低系统容量，提高了系统容量同时降低系统接入失败概率。

参考图1，5G大连接物联网系统接收所有coverage class的用户终端，根据不同的coverage class设计退避方式、资源分配方式，提高整个系统的容量和coverage性能；在划分coverage class时，遵循3GPP 45.820中各种业务划分的方法，即按照40％、40％、15％、5％的比例进行划分coverage，coverage class的划分结果如表1所示；

表1

从图2可知，在每个子帧中接入的数目具有随机性，即在某些子帧中有多个用户终端发起随机接入请求，在某些子帧中甚至没有用户终端发起随机接入请求，因此如果将所有接入失败的用户终端都退避到同一个子帧中，这就可能导致目标子帧中有大量用户终端同时发起随机接入请求，导致系统拥塞同时也会导致网络接入失败概率的急剧提高。

从图3中可以看出，采用差异化退避函数时，用户终端接入失败的概率降低很多，这是因为采用差异化退避函数时，避免了多个用户终端退避到同一个时间帧中造成拥塞，差异化退避函数可以使得用户终端分散在时间轴上，避免拥塞使得基站可以合理地分配信道资源。因此使用差异化退避函数可以有效地降低系统的失败概率。

Claims (1)

1.一种5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基站根据用户终端发送的信息得到用户终端的信道衰落信息，基站划分出若干种覆盖类型，然后根据用户终端的信道衰落信息判断用户终端所属的覆盖类型；

2)基站将用户终端所属的覆盖类型通过下行控制信道发送至用户终端；

3)用户终端通过随机接入信道的方式发起随机接入请求，当用户终端没有接入到5G大连接物联网系统时，用户终端根据用户终端所属的覆盖类型选择相应的退避函数产生退避时间，用户终端经过所述退避时间后，重新发起随机接入请求，当用户终端接入到5G大连接物联网系统时，则完成5G大连接物联网中基于用户分类的差异化退避；当用户没有接入到5G大连接物联网系统时，则转至步骤4)；

4)当用户终端发起随机接入请求的次数小于预设最大退避次数时，则转至步骤3)；当用户终端发起随机接入请求的次数大于等于预设最大退避次数时，则用户终端在当前业务周期内不发起随机接入请求，等待下一个业务周期时，转至步骤3)；

基站依次划分出覆盖类型class1、覆盖类型class2、覆盖类型class3及覆盖类型class4；

覆盖类型class1对应的信噪比小于130.8209dB；覆盖类型class2对应的信噪比大于等于130.8209dB且小于142.6809dB；覆盖类型class3对应的信噪比大于等于142.6809dB且小于151.7609dB；覆盖类型class4对应的信噪比大于等于151.7609dB；

属于覆盖类型class1的用户终端直接退避至下一个调度单元内；属于覆盖类型class2的用户终端进行线性逼退；属于覆盖类型class3的用户终端进行指数幂退避；属于覆盖类型class4的用户终端进行指数幂退避；且属于覆盖类型class1的用户终端、属于覆盖类型class2的用户终端、属于覆盖类型class3的用户终端及属于覆盖类型class4的用户终端的退避粒度均为一个调度单元。

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