一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法技术

本发明专利技术涉及一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法，属于无线通信技术领域。该方法为：1)根据机器类通信设备MTCD的位置信息和业务需求，采用谱聚类算法对MTCD进行分组；2)完成MTCD分组后，根据各个MTCD业务需求的相似性和信道增益为每个MTC组选取合适的网关MTCG，其中MTCG的选取分为初始选择和重新选择两步；3)MTCG通过汇聚和转发数据来辅助MTCD发送数据。本发明专利技术可以有效减少与基站直接连接的MTCD数量，缓解网络拥塞，从而提高网络接入量，并尽可能保障MTCD的时延需求。

【技术实现步骤摘要】
一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法
本专利技术属于无线通信
，涉及一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法。
技术介绍
随着物联网(IoT)的发展，机器到机器(M2M，Machinetomachine)通信将会成为蜂窝网络中主要的通信模式之一。机器与机器通信的快速发展给人们的生活带来了极大的方便，已经渗透了生活中的很多领域，其主要应用包括智能抄表、物品追踪/管理、监控、移动支付等。因此，在未来的移动蜂窝网络下，大量的机器类通信设备(MTCD,Machine-typecommunicationdevice)将被部署。与传统的人类通信(HTC,Human-typecommunication)相比，机器类通信最显著的特点是具有海量连接需求。据预测表明，在2020年蜂窝网络为MTCD提供服务的数量将是手机用户的10到100倍，甚至更多。由于传统的蜂窝网络是为HTC设计的，将大量的MTCD部署在蜂窝网络中必然会引起网络拥塞等问题，从而影响网络的接入性能。因此，在蜂窝网络中，如何大幅提升系统对MTC的接入能力成为迫切需要解决的问题。对于机器类通信业务，数据负载只有少量的几个字节，远小于HTC业务。但其设备数量却远大于HTC中用户的数量，具有时延容忍和低移动性的特点。MTCD可以通过随机接入信道与基站建立数据传输连接。在机器类通信中，大量突发的随机接入请求可能会同时发送到同一个基站，造成随机接入过载或者无线接入网络拥塞。MTCD的随机接入过载则会降低蜂窝网络的性能。3GPP提出了几种缓解无线接入网络拥塞的解决方案，MTCD分组是其中之一。基于分组的MTC中，MTCD可以基于位置信息和逻辑分组。目前，基于分组MTC的接入网络通常有3个基本的元素：机器类通信设备、机器类通信网关(MTCG，Machine-typecommunicationdevicegateway)、基站(BS，Basestation)。MTCG的类型有很多，小型基站、MTCD本身和传统HTC通信用户的智能手机都可以作为MTCG，它的功能也很多，包括汇聚和转发数据，转发随机接入请求，分配时隙等。现有的MTC分组接入策略用于控制网络拥塞时主要是根据MTCD的位置信息分组，没有考虑MTC业务多样性，且此类方法是以增加时延为代价来缓解网络拥塞。实际的通信场景中MTC业务类型不尽相同，它们的业务需求也不一样，例如，根据时延需求，MTCD可以被划分成三个等级：低时延、中等时延和高时延，对应的时延范围分别是：小于10ms、10ms-1000ms、大于1000ms。仅仅根据位置分组，不能很好地将不同业务类型的MTCD区分开，因此不便对这些MTCD提供区别的服务以满足其业务需求(如时延需求，即接入时延)。此外，在基于MTCD位置分组的接入策略中，MTCG的选取多以随机的方式或是从能耗的角度考虑，缺乏对机器类通信业务特征的关注，故而在业务需求方面不能很好的保证。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法，通过MTCG一次性转发多个组内其他设备的数据包，并根据MTCG时延类型设置不同的转发阈值，减少直接和基站连接的MTCD的数量，从而减小大量MTCD接入过程中的碰撞概率、缓解随机接入网的拥塞现象，提高网络接入量，同时保障MTC的时延需求。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法，包括以下步骤：S1：根据机器类通信设备MTCD的位置信息和时延需求，采用谱聚类算法对MTCD进行分组；S2：完成MTCD分组后，根据各个MTCD时延需求的相似性和信道增益为每个MTC组选取合适的网关MTCG，其中MTCG的选取分为初始选择和重新选择两步；S3：MTCG通过汇聚和转发数据来辅助MTCD发送数据，其过程在两条链路上完成，分别是：MTCD-MTCG链路和MTCG-BS链路，而MTCD-MTCG链路通过短距离无线通信技术实现，负责MTCG的数据汇聚过程，MTCG-BS链路使用蜂窝通信技术，负责MTCG数据转发过程。进一步，所述步骤S1具体为：S101：计算系统中M个MTCD之间的相似度，即MTCDi与MTCDj之间的距离相似度时延相似度联合相似度sij，i,j＝1,2,…,M；S102：通过sij构造相似度矩阵S，再根据相似度矩阵构造对角矩阵D和规范化拉普拉斯矩阵Lrw，并求得矩阵Lrw的特征值和特征向量；S103：依据特征值的突变得到MTCD的分组数目Ng；S104：将分组数Ng和相似度矩阵代S入到k-means聚类算法中得到分组结果。进一步，所述步骤S2具体为：S201：查询每个MTC组中是否已经存在MTCG，若没有，则说明此次是MTCG初始选择，则转至S202；若已存在，则说明是MTCG重新选取，查询计时器，如果其值为Tr，转至S203；S202：根据每个MTC组中设备的数量和MTCG的服务阈值Gth，k∈Ng，将群组k二次划分成R个子组；S203：对所有的子组，计算各MTCDi与其他MTCDj之间的时延相似性，并将得到的时延相似性值之和除以设备数量，以得到MTCDi在该子组kr中与其他设备的平均时延相似性计算MTCDi的平均信道增益并将其归一化得S204：根据以上步骤S203计算得到的选出使得相加最大的MTCD，使其成为该子组kr的MTCG，记为其中初次选择时值为1，重新选择时会根据步骤S205更新；S205：更新表示MTCDi被选作网关的次数；更新此式表明设备充当网关对其能耗的影响，被选作网关的次数越多剩余能量越少；启动定时器或者将其清零。进一步，所述步骤S3具体为：S301：有数据包发送的MTCD随机延迟0～(2BE-1)个退避周期后发送CCA(ClearChannelAssessment)消息检测信道是否空闲；S302：如果信道忙，则后退次数NB加1，此时若NB小于最大退避次数NBmax，则返回3.1)；如果信道空闲，则信道访问成功，MTCD向MTCG发送数据包；S303：如果只有一个MTCD发送数据包，则MTCG成功接收此数据包，并将其汇聚缓存至缓冲区；如果多个MTCD同时发送数据包至MTCG，则此次数据包发送失败；S304：MTCG向MTCD发送ACK(acknowledgment)消息，通知其数据包是否被成功汇聚；S305：MTCG检测其缓冲区中数据包数量，若到达设定的转发阈值Qth，MTCG转换为转发模式，MTCG-BS传输阶段的通信被触发，MTCG的时延类型不一样，对应的转发阈值Qth不同，高时延MTCG的Qth是中等时延MTCG的Qth的两倍；MTCG-BS传输阶段执行基于竞争的随机接入过程，与基站取得连接；基站给随机接入成功的MTCG分配资源块，然后MTCG将缓冲区中汇聚的Qth个数据包上传至基站；在此阶段，MTCG仍然能汇聚缓存数据包。本专利技术的有益效果在于：(1)相对于使用传统的基于竞争的随机接入方法，本专利技术可减小大量MTCD接入过程中的碰撞概率、缓解随机接入网的拥塞现象，从而提高网络接入量；(2)相对于其他根据位置分组的接入方法，本专利技术结合MTCD的位置信息和时延需求分组，有利于将距离相近并且时延需求相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：根据机器类通信设备MTCD的位置信息和时延需求，采用谱聚类算法对MTCD进行分组；S2：完成MTCD分组后，根据各个MTCD时延需求的相似性和信道增益为每个MTC组选取合适的网关MTCG，其中MTCG的选取分为初始选择和重新选择两步；S3：MTCG通过汇聚和转发数据来辅助MTCD发送数据，其过程在两条链路上完成，分别是：MTCD‑MTCG链路和MTCG‑BS链路，而MTCD‑MTCG链路通过短距离无线通信技术实现，负责MTCG的数据汇聚过程，MTCG‑BS链路使用蜂窝通信技术，负责MTCG数据转发过程。

【技术特征摘要】
1.一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：根据机器类通信设备MTCD的位置信息和时延需求，采用谱聚类算法对MTCD进行分组；S2：完成MTCD分组后，根据各个MTCD时延需求的相似性和信道增益为每个MTC组选取合适的网关MTCG，其中MTCG的选取分为初始选择和重新选择两步；S3：MTCG通过汇聚和转发数据来辅助MTCD发送数据，其过程在两条链路上完成，分别是：MTCD-MTCG链路和MTCG-BS链路，而MTCD-MTCG链路通过短距离无线通信技术实现，负责MTCG的数据汇聚过程，MTCG-BS链路使用蜂窝通信技术，负责MTCG数据转发过程。2.根据权利要求1所述的一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：S101：计算系统中M个MTCD之间的相似度，即MTCDi与MTCDj之间的距离相似度时延相似度联合相似度sij，i,j＝1,2,…,M；S102：通过sij构造相似度矩阵S，再根据相似度矩阵构造对角矩阵D和规范化拉普拉斯矩阵Lrw，并求得矩阵Lrw的特征值和特征向量；S103：依据特征值的突变得到MTCD的分组数目Ng；S104：将分组数Ng和相似度矩阵代S入到k-means聚类算法中得到分组结果。3.根据权利要求1所述的一种物联网通信中面向巨连接的基于分组的拥塞控制接入方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：S201：查询每个MTC组中是否已经存在MTCG，若没有，则说明此次是MTCG初始选择，则转至S202；若已存在，则说明是MTCG重新选取，查询计时器，如果其值为Tr，转至S203；S202：根据每个MTC组中设备的数量和MTCG的服务阈值Gth，k∈Ng，将群组k二次划分成R个子组；S203：对所...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁靓，徐露，武彦飞，贾云健，马慧，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50