用于机器类通信的系统和方法与流程

本申请要求2014年12月15日递交的发明名称为“用于机器类通信的系统和方法(systemandmethodformachinetypecommunication)”的第14/570,445号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引用的方式并入本文本中。

本发明涉及移动通信，尤其涉及机器类通信(machinetypecommunication，mtc)。

背景技术：

无线数据使用率已经并会继续大幅增长。一些估计提出数据使用率的增长在不久的将来会超过当前使用率的一千倍。这一增长的影响因素包括智能手机或平板电脑等移动设备上较高的数据使用率，以及在机器到机器(machine-to-machine，m2m)、设备到设备(device-to-device，d2d)或其它业务类型等其它新兴领域中的数据使用。

具体而言，对网络运营商来说，mtc的爆发性增长会给接入和信令需求带来前所未有的挑战。此外，这些设备通常能量受限并针对低能耗而设计，因此信道请求，例如通常对接入突发使用高输出功率的信道请求也带来了挑战。此外，从m2m设备进行的数据传输通常有突发性低速率流量，导致频谱使用低效。

技术实现要素：

本发明的一实施例提供了一种在网元处的用于提供对网络的数据访问的方法。所述方法包括：使用所述网元的第一无线接口与所述网络建立主用通信信道，使用所述网元的第二无线接口与延迟容忍设备组中的一个或多个延迟容忍设备建立补充通信信道，从所述组中的相应延迟容忍设备接收数据，聚合所述接收的数据，并通过所述建立的主用通信信道向所述网络传输所述聚合的数据。

本发明的另一实施例提供了一种用于提供对网络的数据访问的网元。所述网元包括处理器，所述处理器用于对所述网元的第一无线接口进行操作以使用所述网元的所述第一无线接口与所述网络建立主用通信信道，使用所述网元的第二无线接口与延迟容忍设备组中的一个或多个延迟容忍设备建立补充通信信道，从所述组中的相应延迟容忍设备接收数据，聚合所述接收的数据，并通过所述建立的主用通信信道向所述网络传输所述聚合的数据。

以上实施例的各方面提供所述主用和补充信道来分别对应第一和第二频谱，所述第一和第二频谱依次可分别为授权频谱和未授权频谱。

附图说明

参考以下附图将能更好地理解本发明，其中：

图1a为根据本发明一实施例的示出网络架构的方框图；

图1b为根据本发明一实施例的示出图1a的网络架构的分层安排的方框图；

图2a为根据本发明一实施例的用于提供对网络的数据访问的方法的流程图；

图2b为根据本发明一实施例的示出mtc集群与网络之间的信令的数据流图；

图3为根据本发明一项实施例的示出资源分配的资源网格；

图4为根据本发明一实施例的示出计算平台的方框图；

图5示出了一实施例通信设备的方框图。

具体实施方式

本发明的实施例提供方法和系统来利用给定无线频谱(例如未授权频谱)，以便减轻另一无线频谱(例如授权频谱)上流量过多的负担。在本发明的一个方面中，将未授权(也称为补充)频谱与多跳无线接入结合使用能够支持延迟容忍设备的大规模连接，而不会使授权(也称为主用)频谱拥塞或牺牲主用频谱的现有用户的服务质量(qualityofservice，qos)。

如本文所使用的“授权频谱”是指仅授权给一个地理区域内的一个被授权人的一部分射频频谱。例如，美国的各种监管机构，例如联邦通信委员会(federalcommunicationscommission，fcc)以及国家电信和信号管理局(nationaltelecommunications&informationadministration，ntia)，可针对给定频段中的一部分射频频谱为被授权人提供频率分配。这类许可证通常定义频率范围、地理位置和最大功率电平，等等。

如本文所使用的“未授权频谱”是指已由监管机构分配的可由未注册用户使用的频段。也就是说，未授权频谱是没有专门被授权人的一部分射频频谱。条例可限制这类未授权频谱上的传输功率。

当前，大量数据通过授权频谱提供。例如，数据可通过蜂窝网络，例如第三代合作伙伴计划(thirdgenerationpartnershipproject，3gpp)标准中描述的那些蜂窝网络来提供。这类移动技术包括但不限于全球移动通信系统(globalsystemformobilecommunications，gsm)和码分多址接入(codedivisionmultipleaccess，cdma)等第二代网络、通用移动通讯系统(universalmobiletelecommunicationssystem，umts)等第三代网络，以及长期演进(longtermevolution，lte)等第四代网络。并且，第五代(fifthgeneration，5g)网络正在着手开发。通过利用这些标准中的技术，网络运营商在预先定义的授权频率上向用户设备(userequipment，ue)提供服务。

无线数据还通过未授权频谱来提供，例如针对无线局域网(wirelesslocalareanetwork，wlan)的电气和电子工程师学会(instituteofelectricalandelectronicengineers，ieee)802.11标准中描述的未授权频谱。

然而，授权频谱在许多情况中大量使用，为了适应明显的数据增长，可开发各种选择，包括使用未授权频谱进行5g通信。

本发明的一个方面，例如针对m2m业务，提供指定集群头设备(clusterheaddevice，chd)，该chd充当机器类设备(machinetypedevice，mtd)集群与网络(network，nw)之间的通信中的中间节点，从而提供两跳无线接入。chd可以是双模、多频谱设备，可在未授权频谱上操作以聚合来自mtd的数据并在授权频谱上将聚合的数据转发给nw。chd可由nw指定、由网络预先确定或发现。在一项实施例中，chd可以是用户设备(userequipment，ue)。

在本发明的系统和方法的另一方面，mtd被分层集中为通过chd与nw通信的信令和接入组。在一项实施例中，可为mtd预配置一个将mtd与接入集群关联的组标识。组标识可在报告mtd的数据时使用(如下文所论述)。此外，可为接入集群中的各个mtd预配置索引以协助chd分配资源给特定mtd。

本发明的系统和方法允许m2m设备利用移动网络以及将来基于第五代(fifthgeneration，5g)网络提出的网络。然而，本发明不限于5g网络，本文描述的方法和系统可与其它网络技术同等使用。下文示例中使用5g网络仅仅是用于说明。

所提出的5g网络可支持大量具有突发性低数据速率和延迟容忍流量的m2m设备。这类设备流量的示例可包括报告自动售货机流量的传感器、智能电网中的测量流量，等等。此外，本发明的系统和方法使m2m业务能受益于全球覆盖范围和现有移动基础设施，以实现无处不在的连接。

在再又一方面，可使用未授权频谱资源适时地处理延迟容忍mtc流量。换言之，当mtc流量通过网络传送时，网络可能能够改进时间。

现参考图1a，图1a示出了根据本发明一实施例的示例无线网络架构100的方框图。架构100包括指定为chd的网元、基站110以及延迟容忍设备102(例如mtd)的集群104。基站110可属于特定网络运营商并在授权频谱113上提供对chd的网络接入。当基站从enb方面来描述时，基站可以是任意接入点、传输点或设备，通常称为提供网络接入的任意网元。chd可以是任意ue类设备，其中该ue类设备是双模设备并具有：第一无线接口，用于与网络建立主用通信信道113；以及第二无线接口，用于与延迟容忍设备102组104中的一个或多个延迟容忍设备建立补充通信信道114。此外，chd可具有软件可配置空口。在所示实施例中，主用信道可在授权频谱中，辅助信道在未授权频谱中。chd可用于从集群104中的相应延迟容忍设备102接收数据，聚合接收的数据，并通过建立的主用通信信道113向网络传输聚合的数据。下文更详细地描述了架构100的操作。

现参考图1b，图1b示出了根据本发明一个方面的网络架构100的示例分层安排的方框图180。如图1b所见，各种延迟容忍设备mtd102被组织在几个组中，这些组在本文中称为“接入集群”104a至104d。

各个接入集群可基于各种不同的标准组成。例如，接入集群可由物理距离相近的设备(例如家、仓库、智能仪表、传感器等)组成。然而，在其它实施例中，集群还可基于其它因素组成，例如各种mtd的所有权、mtd内的通信系统等因素。

所示的四个接入集群104a至104d可组织为又一个组，该组称为信令集群106。信令集群106可包括许多接入集群以便提高信令效率。这种集中为信令和接入组有助于分层信令。

如图1b所示，各个接入集群104a至104d使用未授权频谱分别与其双模集群头设备(clusterheaddevice，chd)chda至chdd通信。在本文描述的一些实施例中，chd是双模5g设备，其可在主用授权频谱上操作以(例如通过演进节点b(evolvednodeb，enb)110)与网络通信以及在补充未授权频谱上操作以与其接入集群104的mtd102通信114。chd可由网络指定来与大量mtc设备一起操作。chd可具有软件可配置空口。在其它实施例中，chd可与通常称为任意网元的其它接入点、传输点或设备通信，而不是与enb通信。

如图1a和图1b分别例示的架构100和180为现有移动网络基础设施提供了可靠的链路(因为使用了授权频谱)，以在附接到架构100和180的数百mtc设备各自尝试直接连接移动网络时保证各个mtc设备的随机接入和控制信令而不引起过多开销。如果各个mtc设备都尝试连接网络，则数据速率流量较小的这些大量mtc的信令开销对于网络来说可能是压倒性的，且使用授权频谱的成本可能过高。

参考图2a，图2a示出了根据本发明一个方面的用于提供对网络的数据访问的方法的流程图200。在方框202处，网元使用第一无线接口与网络建立主用通信信道，在方框204处，网元使用第二无线接口与延迟容忍设备组中的一个或多个延迟容忍设备建立补充通信信道。在方框206处，聚合从组中的相应延迟容忍设备接收的数据，在方框208处，通过建立的主用通信信道将接收的数据传输给网络。

现参考图2b，图2b示出了根据本发明一个方面的数据访问流程的信令图220的一个示例。根据图2b的实施例，针对基于mtc集群的随机接入示出了拉取式随机接入。然而，在其它实施例中，可使用推送式随机接入。

如上所述，chd可以是能够在主用授权频谱224上操作以与enb226通信的双模chd222。chd222还可在补充未授权频谱228上操作以与mtc集群230通信。选择集群头设备的标准可基于位置、信道条件、多频谱能力等等。

在一拉取式实施例中，网络通过向集群头设备222发送控制信号232来触发随机接入。这可例如基于知道mtc设备何时需要发送数据而周期性地触发。例如，如果mtc设备需要每天报告一次，则网络可使用定时器来每天触发控制信号232。其它示例是可能的。控制信号232用于通过集群头设备222开始整个“集群”的随机接入流程。

然后，chd222使用组信令消息234来将其自身标识为指定给mtc集群230内的mtc设备的chd。

然后，chd222通过向enb发送随机接入信道(randomaccesschannel，rach)前导236来开始基于竞争的随机接入流程。如上所示，前导236是通过chd222的mtc集群的随机接入前导。

然后，enb通过下行共享信道(downlinksharedchannel，dl-sch)向chd222发送包含定时提前值的响应消息“随机接入响应”238。定时提前值用于通知chd222调整其上行定时，使得其可以补偿由与enb的chd距离而导致的双向时延。

chd222调整其上行定时并将组随机接入响应240与定时提前值一起广播给mtc集群230，使得mtc集群230内的mtc设备可调整它们的上行定时。

通过使用上行共享信道(uplinksharedchannel，ul-sch)，chd将“rrc连接请求消息”242与mtc集群的组标识一起发送给enb226，以在chd222与enb226之间建立无线资源控制(radioresourcecontrol，rrc)层连接。

enb226用竞争解决消息244来响应chd，竞争解决消息244包括用于进一步通信的新的小区无线网络临时标识(cellradionetworktemporaryidentity，c-rnti)。

随后，chd222与mtc集群230内的mtc设备建立组rrc连接246(建立广播)。

根据本文描述的实施例，假定mtc集群230内的所有mtc设备都能够通过小区搜索或集群头设备发现流程来同步它们的下行定时。此外，因为mtc集群230内的mtc设备共置，所以它们具有相似的定时提前，该定时提前可以通过chd222发送的前导来估计。

因此，chd222在随机接入响应步骤中替集群中的mtc设备获得了到enb的上行同步，并将上行同步转发(广播)给mtc集群230内的mtc设备。

因此，基于集群的随机接入节省了rach资源(减轻了rach过载问题)，因为不再需要来自集群中每个设备的单独前导。无需来自每个设备的单独前导还节省了集群设备的功耗。

虽然上文结合图2b描述的拉取式，即网络触发的，基于集群的随机接入减轻了rach过载问题，但是在一些情况下，基于集群的接入的推送式方法可能导致rach强度变化较大。在推送式接入中，各个mtc集群可单独决定是否报告，这可能使网络难以估计同时竞争rach资源的mtc设备的数目并相应地分配数据资源。然而，数据聚合仍然可能进行，但是效率可能较低并且可能引起一些延迟，因为chd在适时地聚合数据并将数据转发给网络之前会等待从整个接入集群接收数据。此外，chd会需要足够的容量来存储聚合的数据。

在上文图2b中，在信令过程已完成之后，集群被连接到enb并可报告数据。现参考图3，图3示出了根据本发明一个方面的mtc集群数据分配的资源网格表示300。图3利用常见的资源网格表示来示出chd在使用授权频谱308将聚合的数据转发给enb之前如何在未授权频谱306上聚合从mtc集群304接收的数据的一个示例。

根据本发明一实施例，无线资源单元网格支持多个无线通信信道，这些无线通信信道被分配给无线资源单元网格中的某些无线资源单元(位置)。为便于描述，每个无线通信信道对应或被分配一个时频资源单元网格子集。资源网格示出授权频谱上的竞争周期随后有数据周期的重复序列。连续的新集群数据传输都是该模式。在示出的实施例300中，可假定因为mtc设备传输少量数据，所以可将固定量的资源块(resourceblock，rb)分配给每个mtc设备以用于特定应用。例如，在一个应用(例如智能仪表报告)中，每个mtc设备可能仅需1rb。然而，在其它实施例中，可能需要更多资源块。本发明不限于每个mtc设备有任何特定数目的资源块。在又一实施例中，分配还可说明每个mtc设备的可变数目的rb。

如图3所示，chd在第一阶段竞争周期311中竞争指示为竞争资源310的资源，并获得授权频谱308上的到enb的上行资源312。接着在第二阶段2中，chd在其下行链路上使用物理下行控制信道(physicaldownlinkcontrolchannel，pdcch)控制信令来示意mtc设备分配来自mtc设备的上行资源。如将认识到的那样，chd仅需为集群级别的mtc设备分配上行资源，即，聚合的数据。mtc设备无需参与竞争上行资源。例如，如图3所示，可以在授权频谱上为每个chd分配有n个rb的块314，以将大小为n的给定mtc集群304的聚合数据流量传送给enb。可以在未授权频谱上为每个mtc集群分配有n个rb的块316，使得集群中的mtc设备将它们的数据报告给chd。

此外，集群304中的mtc设备可根据预先指定的索引顺序来传输它们的数据以减少信令开销。换言之，可在集群中对各个mtc设备编索引以使其数据分配给资源网格中的一个特定资源单元，以便传输到网络。这在图3中通过箭头320a至320c图示。例如，示出了分别具有索引i1、i2和i3的三个mtc。显示对应资源块i1、i2和i3在聚合数据资源块316中分配。chd和mtc设备使用索引来链接特定无线资源和到网络的集群数据传输，或将特定无线资源分配给到网络的集群数据传输。

通过将前导资源(例如zadoff–chu(zc)序列)链接到授权频谱308上的chd用来将聚合的数据传送给enb的实际数据资源，以及链接到未授权频谱上的mtc设备用来将它们的数据报告给chd的实际数据资源，可进一步减少信令开销。

基于集群的控制信令的益处为允许未授权频谱的频谱重用，因为mtc设备使用低功率来将它们的数据报告给chd。

上述索引可由enb通过通告来配置。此外，索引、集群头设备和mtc设备对索引的使用，可预先配置或者也可由网络进行通告。

因此可以看出，给定集群的随机接入流程可为拉取式的，即，通过组信令消息的网络发送来触发，其中该组信令消息包括接入集群的组id；在这种情况下，组而非单独信令支持节省信令资源；或者可为推送式的，例如通过接入级别禁止(accessclassbarring，acb)、单独的rach资源、rach资源的动态分配、智能仪表设备特定的回退、时隙式接入，等等。

在本发明的另一方面，网络可以为信令集群触发报告，其中该信令集群包括许多如上文所述的接入集群。

在本发明的另一方面，到mtc集群设备的资源分配的信令可以直接由网络进行。在本方面，chd继续充当聚合设备并可知晓资源分配。

本文描述的功能可在任一网元或网元的组合上实施。图4是处理系统400的方框图，该处理系统可以用来实施本文公开的设备和方法。特定设备可使用所有所示的组件或仅使用所述组件的一个子集，且设备之间的集成程度可不同。此外，设备可包括组件的多个实例，例如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器，等等。处理系统400可包括配备有一个或多个输入/输出设备，例如扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、按键、键盘、打印机、显示器等的处理单元。处理单元可包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)410、存储器420、大容量存储设备430、视频适配器440以及连接至总线460的i/o接口450。

总线460可以是任意类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储总线或存储控制器、外设总线、视频总线，等等。cpu410可包括任意类型的电子数据处理器。存储器420可包括任意类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(staticrandomaccessmemory，sram)、动态随机存取存储器(dynamicrandomaccessmemory，dram)、同步dram(synchronousdram，sdram)、只读存储器(read-onlymemory，rom)、它们的组合，等等。在一实施例中，存储器可包括在开机时使用的rom以及在执行程序时使用的用于程序和数据存储的dram。

大容量存储设备430可包括用于存储数据、程序和其它信息并使这些数据、程序和其它信息可通过总线访问的任意类型的存储设备。大容量存储设备430可包括例如以下项中的一项或多项：固态硬盘、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器，等等。

视频适配器440和i/o接口450提供接口来将外部输入和输出设备耦合到处理单元。如所图示，输入和输出设备的示例包括耦合到视频适配器的显示器442以及耦合到i/o接口的鼠标/键盘/打印机452。其它设备可耦合到处理单元，并且可使用更多的或更少的接口卡。例如，可使用通用串行总线(universalserialbus，usb)(未示出)等串行接口来给打印机提供接口。

处理单元400还包括一个或多个网络接口470，网络接口470可包括以太网电缆等有线链路，和/或用以接入节点或不同网络的无线链路。网络接口470允许处理单元通过网络与远端机通信。例如，网络接口470可通过一个或多个发射器/发射天线以及一个或多个接收器/接收天线提供无线通信。在一实施例中，处理单元400耦合到局域网或广域网，示为网络472，以用于数据处理以及与远程设备通信，其中远程设备可为其它处理单元、因特网、远程存储设施，等等。

图5示出了通信设备500的一实施例的方框图，通信设备500可等同于上述一个或多个设备(例如ue、nb、mtd等)。通信设备500可包括处理器504、存储器506、蜂窝接口510、辅助无线接口512和辅助接口514，它们可以(或可以不)如图5所示进行布置。处理器504可以是能够执行计算和/或其它与处理相关的任务的任何组件，存储器506可以是能够为处理器504存储程序和/或指令的任何组件。蜂窝接口510可以是允许通信设备500使用蜂窝信号进行通信的任何组件或组件的集合，并且可用于通过蜂窝网络的蜂窝连接在授权或未授权频谱上接收和/或传输信息。辅助无线接口512可以是允许通信设备500通过wi-fi、蓝牙协议或控制协议等非蜂窝无线协议进行通信的任意组件或组件的集合。设备500可使用蜂窝接口510和/或辅助无线接口512来与基站、中继器、移动设备、机器类设备等任意无线使能的组件通信。辅助接口514可以是允许通信设备500通过辅助协议进行通信的任意组件或组件的集合，其中辅助协议包括有线协议。在实施例中，辅助接口514可允许设备500与回程网络组件等另一组件通信。

设备500可根据本发明的任一方面进行配置。例如，控制器/处理器504可控制各种组件并执行存储器506中的用于对设备500的功能和特征进行操作的任意软件或固件。例如，设备500可具有软件可配置空口，该软件可配置空口具有双模(授权—未授权)多频谱转发和数据聚合能力。此外，设备500可从服务基站接收关于基于mtc集群的数据访问的信息。这类信号可由设备500通过天线508接收，蜂窝接口510或辅助无线接口512服务天线508。在控制器/处理器504的控制下，信号被解码以接收通信信息。

设备500还可包括基于mtc集群的访问逻辑506a，访问逻辑506a用于在未授权频谱上聚合来自mtd的数据并在授权频谱上将聚合的数据转发给nw。因此，在控制器/处理器504控制下的设备500可执行存储在存储器506中的基于mtc集群的访问逻辑506a，以便作为中间节点参与机器类设备(machinetypedevice，mtd)的集群与nw之间的通信。例如，逻辑506a可实施如结合图2和图3分别描述的信令和资源分配。

在另一方面，设备500可配置为mtd并在存储器506中包括用于参与基于集群的接入的信息506b。这类信息可包括组(集群)标识、索引、关于地理上共置的mtc设备的信息，等等。

如上所述，未授权频谱的使用与mtc设备尤其相关。具体而言，mtc设备通常具有以下特点：数据包大小较小(每个mtc设备通常发送或接收少量数据)；大部分是延迟容忍的，从而允许适时使用未授权频谱；并且大部分是能量受限的。这些特点使得mtc应用场景适合使用未授权频谱，因为未授权频谱虽然不可靠但是资源丰富。也就是，即使在高干扰水平下，未授权频谱也将能满足这类应用的需求。

此外，使用具有低频率和长距离的特点以便在促进长距离数据传输和仪表报告的同时消耗更少能量的未授权频谱，m2m通信也可受益。

对于大文件传输(例如监控视频)，可适时使用非拥塞未授权频谱。例如，如果不是立即需要数据，则m2m应用可以等待可用的未授权频谱块来适时地传送来自地理上共置的mtc设备组的低数据速率延迟容忍m2m业务。这些应用场景包括从智能电网网络中的mtc设备收集测量数据或从导航网络中的定位传感器收集导航信号。

虽然已参考说明性实施例描述了本发明实施例，但此描述并不旨在限制本发明。所属领域的技术人员在参考该描述后，将会明白说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明其它实施例。因此，所附权利要求书意图涵盖任何此类修改或实施例。