CN109547980B - 一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法 - Google Patents

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Abstract

一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，包括如下步骤：S1将小区中的设备划分为M簇，并在每个簇选择一个具有缓存能力的设备作为该簇的簇头；S2将一次随机接入机会持续的时间划分为簇内接入时间和簇头接入时间，记作T1和T2，簇内的普通设备首先在T1时隙内将接入请求发送至簇头，由簇头缓存在自己的缓存区中，再由簇头在T2时隙内将缓存消息统一发送至基站；S3计算普通设备的接入请求成功发送至基站的概率，依据“最大接入成功概率”原则，最终确定在接入成功概率最大时，小区中设备分簇数M和簇内接入持续的时隙数T1。该方法可以有效缓解大规模随机接入爆发时基站的压力，通过划分簇内、簇外接入，降低前导竞争的压力，提高随机接入成功概率。

Description

一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法。
背景技术
机器对机器通信系统是一种网络，其中包括大量机器类型的通信设备，可以在很少或无人为干预下进行通信，以完成特定的任务。机器类设备通信支持广泛的应用，如智能计量，监控和安全，基础设施管理，城市自动化和电子卫生。在机器类设备通信中，大量机器类设备通信设备通常只传送少量数据。这些机器终端中的一些或全部可能同时或几乎同时地尝试接入无线网络的基站。因此，突发状况下，大量的设备同时请求接入网络与服务器进行通信，势必会造成网络拥塞。传统的随机接入方法通过控制当前时隙接入基站的设备个数来保证接入成功概率，但是这种方法会导致时延高，接入效率低的问题，不能从根本上缓解随机接入的拥塞问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，在物理随机接入信道受限的情况下，将设备分簇，普通设备通过具有缓存能力的簇头接入基站，通过合理分簇、划分时隙资源，提高随机接入成功概率。
本发明提供一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，包括如下步骤，
步骤S1、将小区中的设备划分为M簇，并在每个簇选择一个具有缓存能力的设备作为该簇的簇头；
步骤S2、将一次随机接入机会持续的时间划分为簇内接入时间T1和簇头接入时间T2，簇内的普通设备在T1时隙内将接入请求发送至簇头，通过簇头缓存在自身的缓存区中，簇头在T2时隙内将缓存消息统一发送至基站；
步骤S3、计算普通设备的接入请求发送至基站的成功概率，依据“最大接入成功概率”原则，在接入成功概率最大时，小区设备分簇数M和簇内接入持续的时隙数T1。
作为本发明的进一步技术方案，步骤S1中，当小区的设备均匀分布，则系统的前导总数为K，若簇与簇之间的前导可以重用，即不同簇的接入请求在同一时隙选择相同前导不会导致随机接入失败，则此时每个簇可以选择的前导数为K。
更进一步的，簇头为具有缓存能力的中继设备，所述簇头可缓存簇内其他设备的接入请求中，并在所述簇头接入时间段代表簇内普通设备接入基站；若簇头成功接入基站，则其缓存中所有随机接入请求信息发送给基站，否则，清空缓存，等待下一次接入机会。
进一步的，步骤S2中，若一次随机接入机会持续T时隙，簇内接入持续T1时隙，在T1时隙内，只允许簇内发生接入，即只允许普通设备将接入请求发送给簇头，T1时隙后簇内随机接入请求暂停发送，簇头开始发送随机接入请求到基站，所述簇头接入持续T2时隙，普通设备的接入请求只有在其成功发送至簇头，且这个簇头成功将接入请求发送给基站时才被发送成功。
更进一步的，普通设备产生随机接入请求，并在簇内接入开始时，从K个前导中随机选择一个前导，并在T1个时隙中随机选择一个时隙将前导发送至簇头，簇外接入开始时，簇头从K个前导中随机选择一个前导，并在T2个时隙中随机选择一个时隙将前导发送至基站，以此降低发生冲突的概率。
进一步的，步骤S3的具体步骤如下：
步骤S31、小区中均匀分布N个设备，划分为M个簇，则每个簇有N/M个设备，设备在簇内接入开始时从K个前导中随机选择一个发送至簇头，则簇内接入的成功率为：
Figure BDA0001955029130000031
步骤S32、将N个设备划分为M个簇，则一共有M个簇头，在簇外接入开始时，簇头随机选择一个前导，并在随机一个时隙开始时发送至基站，则簇外接入的成功率为：
Figure BDA0001955029130000032
步骤S33、一个普通设备的随机接入请求只有在其成功发送至簇头，且该簇头成功将接入请求发送至基站时，其接入请求才被发送，则一个普通设备成功接入至基站的概率为：
Figure BDA0001955029130000033
当0＜a＜1，n较大时，有n-1≈n，(1-a)n≈exp{-na}，因此简化成功概率为：
Figure BDA0001955029130000034
其中，exp[x]＝ex，e是自然常数，e≈2.71828；
步骤S34、当簇头接入持续时间T2＝T-T1，通过确定最优的资源分配组合{M,T1}就可以得到最大接入概率，公式为
Figure BDA0001955029130000035
其中，N、K、T为定值，M和T1均为正整数，采用遍历法确定使接入成功概率最大的分簇数和时隙划分方案。
更进一步的，步骤S34中，所述遍历法的具体步骤为:
步骤S341、确定N、K、T的取值，初始化pmax＝p＝0，Mopt＝M＝1，T1 opt＝T1＝1；
步骤S342、判断T1＜T是否成立，若成立，则执行步骤S343，若不成立，则令T1＝1，M＝M+1并判断N/M＞K是否成立，如果成立，则继续执行步骤S343，如果不成立则输出pmax，Mopt，T1 opt；
步骤S343、将M，T1的取值代入到p的计算式的计算得到p；
步骤S344、如果p≤pmax，令T1＝T1+1并执行步骤S342，反之则令pmax＝p，Mopt＝M，T1 opt＝T1，T1＝T1+1并执行步骤S342；
执行完毕以上步骤后得到的{Mopt,T1 opt}是获得最大接入成功概率pmax的分簇规模和接入时隙划分的组合。
本发明运用设备分簇及缓存再接入的方法，实现了簇内前导资源的复用；中继设备缓存普通设备接入请求，代表簇内设备向基站发起接入，降低前导冲突的概率。本方法通过遍历所有可能性，能够确定最优的分簇方案和时隙分配方案，从而提高了接入成功概率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的步骤S3的流程示意图。
图3为本发明的步骤S3中步骤S34的遍历方法的流程示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本实施例提供一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，包括如下步骤：
步骤101：将小区中的设备划分为M簇，并在每个簇选择一个具有缓存能力的设备作为该簇的簇头，簇头是具有缓存能力的中继设备，簇头可以暂时缓存簇内其他设备的接入请求，并在簇头接入时间段代表簇内普通设备接入到基站。若簇头成功接入至基站，其将缓存中的所有随机接入请求信息发送给基站，若簇头并未成功接入至基站，则清空缓存，等待下一次接入机会到来。
步骤102：将一次随机接入机会持续的时间划分为簇内接入时间和簇头接入时间，记作T1和T2，在簇内接入开始时，普通设备产生随机接入请求后从K个前导中随机选择一个前导，并在T1个时隙中随机选择一个时隙将前导发送至簇头。簇外接入开始时，簇头从K个前导中随机选择一个前导，并在T2个时隙中随机选择一个时隙将前导发送至基站，以此降低发生冲突的概率。
步骤103：普通设备成功接入基站的概率取决于分簇的簇数，和接入时隙的划分。为获得较高的接入成功概率，需对资源进行最优划分，寻找资源最优划分方式。
如图2所示，步骤103中确定小区的分簇规模以及时隙资源划分方法按如下步骤进行：
步骤201：假设小区中一共有N个设备，这些设备服从均匀分布，将这些划分为M个簇，则每个簇有N/M个设备，这些设备在簇内接入开始时从K个前导中随机选择一个在某个时隙发送至簇头，这样做簇内接入的成功概率为：
Figure BDA0001955029130000051
将N个设备划分为M个簇，则一共有M个簇头，在簇外接入开始时，簇头随机选择一个前导，并在某一个时隙开始时发送至基站，簇外接入的成功概率为：
Figure BDA0001955029130000052
步骤202：一个普通设备的随机接入请求只有在其成功发送至簇头，并且这个簇的簇头成功将接入请求发送至基站时，其接入请求才被成功发送，因此，一个普通设备成功接入至基站的概率是：
Figure BDA0001955029130000053
当0＜a＜1，n较大时，有n-1≈n，(1-a)n≈exp{-na}，因此简化成功概率为：
Figure BDA0001955029130000061
其中，exp[x]＝ex，e是自然常数，e≈2.71828。
步骤203：由于簇头接入持续时间T2＝T-T1，因此只要确定了簇内接入时隙数T1就可以确定T2，因此只要确定最优的资源分配组合{M,T1}就可以得到最大接入概率，分析如下表达式：
Figure BDA0001955029130000062
其中N、K、T为定值，M和T1均为正整数，采用遍历法可以确定使接入成功概率最大的分簇数和时隙划分方案。
如图3所示，步骤203中遍历法包括如下步骤：
步骤301：确定N、K、T的取值，令pmax＝p＝0，初始化网络参数Mopt＝M＝1，T1 opt＝T1＝1。
步骤302：判断T1＜T是否成立，如果是就将M，T1的取值代入到p的计算式的计算得到接入成功概率p，如果不成立则令T1＝1，M＝M+1并判断N/M＞K是否成立，如果成立则将新的M，T1的取值代入到p的计算式的计算得到p，如果不成立则不执行以下步骤直接输出pmax，Mopt，T1 opt。
步骤303：将计算得到的接入成功概率p与pmax进行比较，如果p≤pmax，则令T1＝T1+1并执行步骤302，反之则令pmax＝p，Mopt＝M，T1 opt＝T1，T1 opt＝T1，T1＝T1+1并执行步骤302。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤S1、将小区中的设备划分为M簇，并在每个簇选择一个具有缓存能力的设备作为该簇的簇头；
步骤S2、将一次随机接入机会持续的时间划分为簇内接入时间T1和簇头接入时间T2，簇内的普通设备在T1时隙内将接入请求发送至簇头，通过簇头缓存在自身的缓存区中，簇头在T2时隙内将缓存消息统一发送至基站；
步骤S3、计算普通设备的接入请求发送至基站的成功概率，依据“最大接入成功概率”原则，在接入成功概率最大时，小区设备分簇数M和簇内接入持续的时隙数T1；
所述步骤S3的具体步骤如下：
步骤S31、小区中均匀分布N个设备，划分为M个簇，则每个簇有N/M个设备，设备在簇内接入开始时从K个前导中随机选择一个发送至簇头，则簇内接入的成功率为：
Figure FDA0003781761410000011
步骤S32、将N个设备划分为M个簇，则一共有M个簇头，在簇外接入开始时，簇头随机选择一个前导，并在随机一个时隙开始时发送至基站，则簇外接入的成功率为：
Figure FDA0003781761410000012
步骤S33、一个普通设备的随机接入请求只有在其成功发送至簇头，且该簇头成功将接入请求发送至基站时，其接入请求才被发送，则一个普通设备成功接入至基站的概率为：
Figure FDA0003781761410000013
当0＜a＜1，n较大时，有n-1≈n，(1-a)n≈exp{-na}，因此简化成功概率为：
Figure FDA0003781761410000014
其中，exp[x]＝ex，e是自然常数，e≈2.71828；
步骤S34、当簇头接入持续时间T2＝T-T1，通过确定最优的资源分配组合{M,T1}就可以得到最大接入概率，公式为
Figure FDA0003781761410000021
其中，N、K、T为定值，M和T1均为正整数，采用遍历法确定使接入成功概率最大的分簇数和时隙划分方案；
所述步骤S34中，所述遍历法的具体步骤为:
步骤S341、确定N、K、T的取值，初始化pmax＝p＝0，Mopt＝M＝1，T1 opt＝T1＝1；
步骤S342、判断T1＜T是否成立，若成立，则执行步骤S343，若不成立，则令T1＝1，M＝M+1并判断NM＞K是否成立，如果成立，则继续执行步骤S343，如果不成立则输出pmax，Mopt，T1 opt；
步骤S343、将M，T1的取值代入到p的计算式的计算得到p；
步骤S344、如果p≤pmax，令T1＝T1+1并执行步骤S342，反之则令pmax＝p，Mopt＝M，T1 opt＝T1，T1＝T1+1并执行步骤S342；
执行完毕以上步骤后得到的{Mopt,T1 opt}是获得最大接入成功概率pmax的分簇规模和接入时隙划分的组合。
2.根据权利要求1所述的一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，其特征在于，所述步骤S1中，当小区的设备均匀分布，则系统的前导总数为K，若簇与簇之间的前导可以重用，即不同簇的接入请求在同一时隙选择相同前导不会导致随机接入失败，则此时每个簇可以选择的前导数为K。
3.根据权利要求1或2所述的一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，其特征在于，所述簇头为具有缓存能力的中继设备，所述簇头可缓存簇内其他设备的接入请求中，并在所述簇头接入时间段代表簇内普通设备接入基站；若簇头成功接入基站，则其缓存中所有随机接入请求信息发送给基站，否则，清空缓存，等待下一次接入机会。
4.根据权利要求1所述的一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，其特征在于，所述步骤S2中，若一次随机接入机会持续T时隙，簇内接入持续T1时隙，在T1时隙内，只允许簇内发生接入，即只允许普通设备将接入请求发送给簇头，T1时隙后簇内随机接入请求暂停发送，簇头开始发送随机接入请求到基站，所述簇头接入持续T2时隙，普通设备的接入请求只有在其成功发送至簇头，且这个簇头成功将接入请求发送给基站时才被发送成功。
5.根据权利要求4所述的一种机器类通信中基于分簇和数据缓存的随机接入方法，其特征在于，所述普通设备产生随机接入请求，并在簇内接入开始时，从K个前导中随机选择一个前导，并在T1个时隙中随机选择一个时隙将前导发送至簇头，簇外接入开始时，簇头从K个前导中随机选择一个前导，并在T2个时隙中随机选择一个时隙将前导发送至基站，以此降低发生冲突的概率。
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