一种基于时隙复用的机器通信随机接入方法技术

本发明专利技术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。同时本发明专利技术方法，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。采用本发明专利技术技术方案，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时隙复用的机器通信随机接入方法
本专利技术属于无线通信领域，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。
技术介绍
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-typecommunication,机器通信)，即在无人的干预下进行机器与机器(machinetomachine，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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术方法的优选方案中，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。本专利技术方法的优选方案中，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。本专利技术方法的优选方案中，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，本专利技术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tm；(2)将M个请求时间tm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tm_slot；(3)将M个用户的tm_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。本专利技术方法的优选方案中，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。本专利技术方法的优选方案中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张在琛，汤潇睿，吴亮，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32