CN109618309A - 一种基于时隙复用的机器通信随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于时隙复用的机器通信随机接入方法，以解决下一代移动通信中大量设备接入导致的高冲撞概率、高时延和高功耗的问题。该方法利用了频域和时域的无线资源，在频域划分控制频段和数据频段，在控制频段上分配时域资源，在数据频段的时域上将一段时间划分成长时隙，每个时隙中可同时复用多个机器用户，提高接入用户的数量，降低冲撞概率。同时本发明方法，利用时隙的长度减少时间同步的功耗，利用发送数据时的免授权的机制降低接入的延时和功耗。采用本发明技术方案，能够降低冲撞概率、能量消耗和发送时延，适用于下一代移动通信中巨连接的场景。

Description

一种基于时隙复用的机器通信随机接入方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于时隙复用的低功耗低时延的机器通信随机接入方法。

背景技术

在下一代的移动通信中，越来越多的机器设备将拥有接入网络的能力，实现MTC(machine-type communication,机器通信)，即在无人的干预下进行机器与机器(machineto machine，M2M)之间的通信。目前随着物联网的快速发展，包括智能电网、健康检测等新应用的兴起，M2M通信在下一代移动通信中越来越受到青睐。

在现有的随机接入方法中，M2M通信面临一系列的挑战。首先，M2M通信终端数量巨大，当大量的M2M用户同时接入时，无线资源的匮乏，导致造成拥塞，无法满足所有用户的接入需求。其次，机器设备无法获得稳定的能量供给，多使用电池供电，需要设计低功耗的接入方法。最后，目前的基于竞争的随机接入方式，MTC设备竞争接入时存在很大的时延，无法满足M2M通信的低时延的要求。

具体来说，LTE中用户通过随机选取前导序列竞争接入网络。但当MTC设备数量巨大时，会有大量MTC设备同时选择相同的前导序列接入网络，导致大量的MTC设备无法成功接入网络，冲突概率变得特别高。同时由于采用竞争接入的方式，每个设备在接入网络前都需要经过授权的交互过程，导致MTC需要消耗大量的能量且增加了设备的接入时延。

TDMA技术需要给每个MTC设备分配一个固定的时隙，且每个时隙的长度只容许一个MTC设备，无法实现复用，当MTC设备数量巨大时需要的时隙数也十分巨大难以维护，需要高要求的定时设备。同时一旦时隙固定，当MTC设备数量减少时造成时隙的浪费，当MTC设备数量增加时需要重新划分时隙，不能满足网络的动态性要求。其次TDMA的时隙长度仅能满足一个MTC设备，由于定时设备必然存在一定的定时偏差，导致MTC设备极容易偏移出其被分配的时隙，造成网络的混乱，因此系统需要频繁的进行时间同步，造成大量的能量消耗。

因此需要设计一种低功耗低时延的机器通信随机接入方法以解决以上的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

本发明的目的在于考虑到下一代移动通信中M2M通信面临的各种挑战，提供了一种解决大量MTC设备接入网络导致网络拥塞、授权接入导致高时延和多交互导致的高能耗的问题的机器通信随机接入方法，减小了冲撞概率，降低了时间延迟，降低了能量消耗。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于时隙复用的机器通信随机接入方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)将频域资源分为控制频段和数据频段，其中控制频段用来将时隙资源分配给每个接入的用户，数据频段供接入的用户进行数据传输；在数据频段的时域，将一段时间划分成N个时隙，N远远小于接入的用户数量。

步骤2)每个初次接入的MTC设备在控制频段上采用竞争退避的方式发送接入请求。

步骤3)基站处理MTC设备的接入请求，且在控制频段上为接入成功的MTC设备分配时隙，每一时隙由多个MTC设备复用。

步骤4)成功接入的MTC设备，在分配的时隙资源上免授权发送数据。

步骤5)定期进行时隙资源的更新。

本发明方法的优选方案中，步骤1)中资源划分的具体流程为：

首先将给定的无线电频段按照网络的传输速率划分成两个以上互相正交的子信道，选择其中一个子信道作为控制频段，剩下的子信道作为数据频段。其中控制频段供MTC设备与基站进行控制信令通讯，用来将数据频段的时隙资源分配给接入网络的MTC用户，而数据频段上进行免调度的数据传输。

然后，在数据频段的时域上固定一段时间长度，记作一个帧。将帧平均划分为N个时隙记作slot，其中N的值远远小于整个网络中用户的数量，并对其进行编号。时隙的长度需要大于此时隙能够容纳的最大的用户数乘以每个用户需要的发送时间，即

其中Lengthofslot为每个时隙的长度，M为整个网络中的用户数量，N为时隙数，t为每个用户平均的发送时长。因此，M/N个用户可以同时复用一个时隙。

此划分方法，一方面使多个用户可以同时使用同一时隙，完成时隙的复用；另一方面由于定时误差导致的时间偏移可以在较长的时隙中忽略，不需要频繁地进行时隙的定时纠正，降低了MTC设备的能耗。

本发明方法的优选方案中，步骤2)中发送接入请求的具体过程为：

初次进入网络的MTC设备，当需要接入网络时，立刻在控制频段上向基站发送接入请求，然后进入等待回复周期，在控制频段上侦听基站的回复信息。

若在等待回复周期内成功收到基站的回复信息，则接入网络成功。

若在等待回复周期内没有收到基站的回复信息或者接收到的回复信息不正确，则在等待回复周期结束后，随机延迟一段时间在控制频段上重新发送接入请求，重复上述操作，直到MTC设备成功接入网络。

本发明方法的优选方案中，步骤3)中基站向MTC设备回复资源分配的具体过程为：

基站在控制频段一直处于侦听信道的状态。

若基站在同一时刻收到两个以上MTC设备的接入请求，无法进行正确的解析，则接入请求失败，基站不做任何回复。

若基站在同一时刻只收到一个MTC设备的接入请求，则记录下接收到请求的时刻处于的时隙编号，计算此编号与此MTC设备被分配的时隙的编号的差值offset。例如接收到的请求在时隙3，而其被分配的时隙编号值为5，则offset为5减3为2。将offset值发送给请求接入的MTC设备，完成时隙资源的分配。

由于每个长时隙中有多个用户发送，因此也会存在发送的冲撞，为了降低发送的冲撞概率，本发明创新地提出了排序算法，将用户按照算法分配到指定时隙进行免授权发送数据。

排序算法的具体过程如下：

(1)基站记录下M个用户的发送请求的时间t_m；

(2)将M个请求时间t_m对Lengthofslot进行取模操作，得到M个用户相对于一个时隙的发送时间t_m_slot；

(3)将M个用户的t_m_slot按照递增的顺序进行排序,得到排序序号s；

(4)按照排序的顺序将M个用户依次循环分配到N个时隙,即每个用户被分配的时隙编号K＝mod(s-1,N)+1。

采用排序算法得到了每个用户应该被分配的时隙编号，同时本算法增加了每个时隙中发送用户之间的发送间隔，降低了发送数据的冲撞概率，提高了发送数据的成功率，保证了系统的可靠性。

本发明方法的优选方案中，步骤4)中MTC设备免授权发送数据的具体过程为：

MTC设备完成了时域资源的分配，根据收到的offset值以及发送接入请求的时刻计算出下一次发送数据的时刻距发送接入请求时刻的间隔时长，记作Length，即发送完接入请求后等待Length长时间进入第一次发送数据时刻。

若在这段时间中产生了数据业务，则当经过了length长的时间，则立刻在数据频段上发送数据和自身的地址等信息，不需要进行允许接入的授权过程，使用免授权接入。避免了竞争接入时，由于竞争导致的时间延迟，降低了时间延迟。

在第一次发送完数据后且在进行下一次时隙资源的更新前，MTC设备以i*frame为周期免授权发送数据业务，其中i为MTC设备自定义的发送数据频率，frame为帧长度。

本发明方法的优选方案中，步骤5)中时隙资源的更新的具体过程为：

一方面由于MTC设备定时存在一定的时间偏移，会导致偏移出已分配的时隙资源；另一方面，网络具有动态自适应的特性，会有不同的MTC设备接入网络同时也有设备移出网络。因此需要进行时隙资源的更新，时隙资源的更新过程具体如下：

1、基站端若在多个时隙分配周期内没有收到某设备发送的信息则认为该设备已退出网络，将该设备从基站端清除；若有新的设备成功接入，将该设备添加到基站端的设备清单。

2、基站在每个时隙分配周期按照排序算法重新将时隙分配给记录在基站设备清单中的MTC设备，更新offset值。

3、MTC设备根据预先设置好的更新周期向基站发送更新请求，基站收到请求将更新后的offset值发送给MTC设备。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

与现有的LTE中的随机接入方法相比，本技术采用了频域资源和时域资源相结合的方法，首先将所有的MTC设备分配到固定时隙进行数据的发送，同时多个MTC设备复用同一个时隙，即将大量的MTC设备进行了分组，减小同时接入的MTC设备的数量，降低了接入的冲突概率。其次本技术采用免授权的调度接入方式，MTC设备在固定时隙直接发送数据，减少了MTC设备的能量消耗和时间延迟。

与现有的TDMA随机接入方法相比，本技术增加了每个时隙的长度，减少了时隙的个数，使得系统更容易实现，同时使得每个时隙可以允许多个MTC设备接入，满足网络的动态性要求。其次，增加时隙的长度，使得MTC设备不容易偏移出被分配的时隙，减少时间同步的频率，减少了能量的消耗。

因此本技术方法的发明点主要在时隙资源的划分和分配方式，实现时隙资源的复用，以及在接入方式上采用基于调度的免授权接入方式，与现有的技术方案相比较，现有的方式分为基于竞争和基于调度的随机接入方法，基于竞争的接入方式在数量巨大的MTC设备的网络中会造成大量的冲撞概率且增加发送的时间延迟；基于调度的随机接入方法无法重复利用无线资源，需要频繁地进行资源地更新，消耗大量的能量。而本技术发明通过增加时隙的长度，减少时隙的个数实现时域资源的复用，即将MTC设备在时域上进行分组，实现时隙资源的复用。同时利用自身发送请求时刻的随机性和分配时隙的分组效果，极大地降低了大量MTC设备接入时的冲撞概率。其次时隙的长度增加，减少了MTC设备偏移出时隙的可能性，减少了需要进行定时同步地频率，降低了能量地消耗。最后在发送数据时采用免调度的方案，降低能量的同时减少了接入延时。

附图说明

图1为本发明中数据频段时隙划分的示意图。

图2为本发明中MTC设备在控制频段接入网络的流程图。

图3为本发明中基站端在控制频段回复MTC设备接入请求的流程图。

图4为本发明中时隙分配算法的流程图。

图5a和图5b为本发明中MTC设备计算被分配时域资源的示意图。

图6为本发明中采用的免授权接入方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

首先在具有一个基站和总数为M的MTC设备的通信区域内进行频域资源和时域资源的划分。根据网络的传输速率的要求确定每个频带的带宽，将可用的频域资源分成两个以上频段，一个作为控制频段，其余作为数据频段。在数据频段上进行时域资源的划分，具体时域资源划分参见图1，在数据频段的时域上固定一段时间长度，记作帧。再将一个帧平均划分为N个时隙记作slot，其中N的值远远小于整个网络中用户的数量M，并对其进行1至N编号。N值与每个系统对于通信的成功概率与消耗的功率的要求密不可分。若采用随机分配时隙的方法可以得到系统通信的成功概率P满足：

成功概率与N值近似成正比关系，即N值越大成功概率越大。同时系统在资源更新和时间纠正上消耗的能量与N值成反比，即N值越大MTC设备越容易偏移出被分配的时隙导致进行资源更新和时间纠正的频率越高，从而系统的功耗就越大。因此N值由系统权衡成功率与功耗的要求预设。

时隙的长度需要大于此时隙能够容纳的最大的用户数乘以每个用户需要的发送时间，即

其中Lengthofslot为一个时隙的长度，M为整个网络中的用户数量，N为时隙数，t为每个用户平均的发送时长。因此，M/N个用户可以同时复用一个时隙。

此划分方法，通过划分长的时隙，一方面使多个用户可以同时使用同一时隙，完成时隙的复用，即将大量的MTC设备进行分组，大大降低了大量MTC设备随机接入的冲撞概率；另一方面由于定时误差导致的时间偏移地MTC设备难以偏移出较长地时隙，因此在较长的时隙中不需要频繁地进行时隙的定时同步，降低了MTC设备的能量消耗。

然后当有新的MTC用户需要接入网络，MTC设备端的具体过程参见图2，其步骤为：

1、初入网络的MTC设备或者需要时隙资源更新的MTC设备在控制频段立刻向基站发送接入请求；

2、发送完，立刻进入等待基站回复的周期，在此周期内保持对控制频段的侦听；

3、若在此周期内没有收到基站的回复或者收到的回复不正确，则随机退避一段时间，转步骤1；

4、若在此周期内成功接收到基站的回复，则接入过程结束，MTC设备成功接入此网络。

基站端回复MTC设备接入请求的具体过程参见图3，其步骤为：

1、基站在控制频段上侦听信道，接收MTC设备的接入请求或者资源更新的请求；

2、若由于在同一时刻收到多个接入请求或者发生传输的错误导致没有成功接收到接入请求，则转步骤1；

3、若成功接收到接入请求，记录下收到接入请求时刻所处的时隙编号J,转步骤4

4、采用排序算法得到该MTC设备应处于的时隙，编号为K，计算收到接入请求时刻所处的时隙相对于应处于的时隙的偏移量offset＝K-J；

5、基站将计算出的offset发送给请求接入的MTC设备，则时隙资源分配完成。

其中排序算法的流程图参见图4，具体步骤为：

1、基站记录下M个MTC设备的发送请求的时间t_m；

2、将M个请求时间t_m对Lengthofslot进行取模操作，得到M个MTC设备相对于一个时隙的发送时间t_m_slot；

3、将M个MTC设备的t_m_slot按照递增的顺序进行排序，得到排序序号s；

4、按照排序的顺序将M个MTC设备依次循环分配到N个时隙，即每个MTC设备被分配的时隙编号K＝mod(s-1,N)+1。

当MTC设备成功接入到网络中后，在数据频段上被分配的时隙内采用免授权的方式发送数据。MTC根据offset计算出发送请求的时刻与第一次发送数据的时刻的间隔时长Length，当MTC设备从发送请求时刻开始经过Length长度的时间即进入了被分配的时间，即MTC设备第一次发送数据的时刻。之后在进行时隙更新之前，发送数据的时刻以i*frame为周期间隔发送，其中i为MTC设备自己定义的发送数据频率，frame为帧长度。

其中MTC设备计算被分配的时隙资源的方法参见图5a和图5b：

若offset为正，即K>J,见图5a：

Length＝offset×Lengthofslot

若offset为负，即K<J，见图5b：

Length＝(N+offset)×Lengthofslot

在MTC设备处于发送时刻，若在Length时间内没有数据业务产生，则该MTC设备不进行数据的发送，等待下一次发送的时刻，降低设备的能量消耗；若在Length时间内产生了需要传输的数据业务，则该MTC设备在数据频段上采用免授权的方式发送数据，其具体流程参见图6。当MTC设备到达其发送的时刻，不用进行任何准许接入的申请，立刻将需要发送的数据和其自身的地址信息组成数据包发送给基站，其中发送MTC设备的网络地址，用来让基站识别数据的来源。然后进入等待下一次发送时刻的周期，此过程称为免授权的接入方式。此方式减少了每次发送数据之前进行准许接入的授权过程，再保证了低冲撞概率的前提下减少了过多的交互，以降低了MTC设备的能量消耗和时间延迟。

最后由于定时的偏移导致MTC设备偏移出被分配的时隙，或者增加了新的MTC设备用户需要重新给每个用户进行时隙资源的分配，则需要进行时域资源的更新，

时隙资源的更新过程具体如下：

1、基站若在多个时隙分配周期内没有收到某设备发送的信息则认为该设备已退出网络，将该设备从基站端清除；若有新的设备成功接入，将该设备添加到基站设备清单。

2、基站端周期性地按照排序算法重新将时隙分配给记录在基站端的MTC设备，更新offset值。

3、MTC设备根据预先设置好的更新周期向基站端发送更新请求，基站端收到请求将更新后的offset值发送给MTC设备。

与现有的技术相比，本发明实施例所提出的技术方案具有以下优点：

现有的许多方法都分别基于竞争和基于调度的随机接入方法，基于竞争的接入方式在数量巨大的MTC设备的网络中会造成大量的冲撞概率且增加发送的时间延迟；基于调度的随机接入方法无法重复利用无线资源，需要频繁地进行资源地更新，消耗大量的能量，不能满足低功耗的要求。

本发明实施例中，将频域资源和时域资源进行了合理的划分。在控制频段采用竞争接入的方法保证了接入网路的可靠性；在数据频段采用长时隙的方式实现时隙的复用充分利用了时隙资源，同时依靠发送请求的随机性和分配时隙的分组效果，有效降低了大量MTC设备接入时的冲撞概率。其次时隙的长度增加，减少了MTC设备偏移出时隙的可能性，减少了需要进行定时同步地频率，降低了能量地消耗。最后在发送数据时采用免调度地方案，降低能量的同时减少了接入延时。

显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

通过以上实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现,也可以借助软件附加必要的硬件平台的方式来实现。基于这样的理解,本发明的技术方案可以以软件的形式体现出来,该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备执行本发明各个实施场景所述的方法。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式,而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)将频域资源分为控制频段和数据频段，其中控制频段供MTC设备与基站进行控制信令通讯，数据频段供MTC设备进行数据传输，在数据频段的时域上，将一段时间frame平均划分成N个时隙并对时隙进行编号，N小于成功接入的MTC设备数量M；

步骤2)每个初次进入网络的MTC设备在控制频段上采用竞争退避的方式向基站发送接入请求；

步骤3)基站处理MTC设备的接入请求，且在控制频段上为接入成功的MTC设备分配时隙，其中，每一时隙由多个MTC设备复用；

步骤4)成功接入的MTC设备在数据频段上被分配的时隙内免授权发送数据；

步骤5)定期进行时隙分配的更新。

2.如权利要求1所述的基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，所述步骤1)中的时隙划分包括：

时隙的长度大于此时隙容纳的所有MTC设备发送一次数据的时间：

其中Lengthofslot为时隙的长度，t为每个MTC设备平均的发送时长。

3.如权利要求1所述的基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，所述步骤2)中发送接入请求的过程包括：

初次进入网络的MTC设备，在控制频段上向基站发送接入请求后，进入等待回复周期；

若在等待回复周期内成功收到基站的回复信息，则接入网络成功；若在等待回复周期内没有收到基站的回复信息或者接收到的回复信息不正确，则在等待回复周期结束后，随机延迟一段时间后重新在控制频段上发送接入请求，重复上述操作，直到MTC设备成功接入网络。

4.如权利要求1所述的基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，所述步骤3)中基站处理接入请求并分配时隙的过程包括：

若基站在同一时刻收到两个以上MTC设备的接入请求，则接入请求失败，基站不发出任何回复信息；

若基站在同一时刻只收到一个MTC设备的接入请求，则记录下接收到请求的时刻处于的时隙编号J，采用排序算法得到该MTC设备应处于的时隙编号K，计算此编号J与MTC设备应处于的时隙编号K的差值offset，在控制频段上将offset值发送给请求接入的MTC设备，完成时隙的分配。

5.如权利要求4所述的基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，所述步骤4)中MTC设备免授权发送数据的过程为：

MTC设备根据收到的offset值以及发送接入请求的时刻计算出发送数据的时刻，即此设备被分配的时域资源；

计算过程为：若offset为正，即K>J：

Length＝offset×Lengthofslot

若offset为负，即K<J：

Length＝(N+offset)×Lengthofslot

其中length为下次发送数据的时刻距发送接入请求的时刻的间隔时长，offset为时隙的偏移量，Lengthofslot为一个时隙的长度，

若从发送请求的时刻起在length长的时间段中产生了数据业务，则立刻在数据频段上发送数据和MTC设备的地址，不需要进行接入的授权过程，

在第一次发送完数据后且在进行下一次时隙分配的更新前，MTC设备周期性免授权发送数据业务。

6.如权利要求4所述的基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，所述步骤5)中定期进行时隙分配的更新的过程为：

a.基站若在多个时隙分配周期内没有收到某设备发送的信息则认为该设备已退出网络，将该设备从基站端清除；若有新的设备成功接入，将该设备添加到基站的设备清单；

b.基站在每个时隙分配周期按照排序算法重新将时隙分配给记录在基站的设备清单的MTC设备，更新offset值；

c.MTC设备根据预先设置好的更新周期向基站端发送更新请求，基站端收到请求后将更新的offset值发送给MTC设备。

7.如权利要求4或6所述的基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，所述排序算法的具体步骤为：

a、基站记录下成功接入的M个MTC设备的发送请求的时间t_m；

b、将M个请求时间t_m对时隙的长度进行取模操作，得到M个MTC设备相对于一个时隙的发送时间t_m_slot；

c、将M个MTC设备的t_m_slot按照递增的顺序进行排序，得到排序序号s；

d、按照排序的顺序将M个MTC设备依次循环分配到N个时隙，即每个MTC设备被分配的时隙编号K＝mod(s-1,N)+1。

8.如权利要求5所述的基于时隙复用的机器通信随机接入方法，其特征在于，在第一次发送完数据后且在进行下一次时隙分配的更新前，MTC设备免授权发送数据业务的周期为i*frame，其中i为MTC设备自定义的发送数据频率。