基于D2D通信子组的随机接入资源分配方法与流程

本发明涉及移动物联网领域，特别是涉及基于D2D通信子组的随机接入资源分配方法。

背景技术：

物联网(Internet of Things，简称IoT)是当前互联网的革命性的演进，从提供人的互联到互联若干设备的网络。IoT将感知或收集的数据转化为智能的信息，因而把智能嵌入到我们的生活环境中来。物联网应用涉及诸多场景，包括：

■智能家居：家庭的个人生活模式得到增强，可以更加便利地远程监控和操作家庭设备和系统；

■工业自动化：依赖于最小的人力干预，机器人设备通过电脑控制以完成制造任务；

■智能医疗：在患者身上或药品中嵌入传感器和激振器，用于监测和跟踪患者；

■智能电网：电网运营者可据此来控制和管理资源，以使得电力的提供正比于人口的增长，因此家庭和建筑物的电力消耗可得到增强；

■智慧城市：以简便的方式为居民提供感兴趣的信息，从而提高城市的生活质量；例如依据人民需要，多个互联的系统可智能地提供感兴趣的服务，包括交通、基础设施和医疗等。

当前的移动通信网络是为人与人之间的通信设计的，定义了会话型业务、流媒体业务、交互式业务和背景型业务等诸多类型。与业务类型相关联，在网络结构，协议栈和传输模式的设计等方面都是为适配这些业务，来保障信息传输的有效性、可靠性、安全性和经济性。

物联网这类机器类通信(Machine Type Communication，简称MTC)业务呈现出多种特性，如具有(或部分具有)低移动性，小数据量和非频繁数据传输等。对于车队管理，水电煤抄表以及远程监控和管理等应用场景，还会呈现出群组的特性，即应用服务器(如车队的调度管理中心)从一组移动终端(车辆)处获得信息，进而指挥相应终端的行为。为了适应这类业务的快速发展，现有的移动通信网络应做出调整和相应的增强，在保证传统人-人通信的服务质量的基础上，努力改善某些物联网业务的性能。

在移动接入网对移动终端的管理中，设置了两种无线资源控制(RRC)的状态：连接(connected)状态和空闲(idle)状态。当终端处于连接状态时，它与基站之间存在着控制平面的信令通路，此时通常也有业务数据在进行传输。当业务结束一段时间后，终端会转变成为空闲状态，此时终止同基站之间的信令和数据通路，基站可以释放出更多的处理能力和存储能力服务于其它的终端；但与该终端相关的安全性信息以及位置信息(只能达到若干个基站组成的TA级别)仍会在MME中保留，便于在下次建立连接时可以降低节点之间的信息交换量。对于典型的物联网应用，如抄表应用是在收到应用服务器发起的收集数据指示时才汇报，延误报警和电力故障等是在异常发生时发起主动报告，也就是说，终端的数据持续传输时间会很短，绝大部分都处于空闲状态。为此终端要从空闲状态转移到连接状态，这个过程是通过随机接入(Random Access，简称RA)来实现的，其中基于竞争的随机接入过程如图1所示。

1)移动终端从基站所指定的用于竞争的签名(对应一个Zadoff-Chu码序列)集合中随机选出一个，在预先分配的时频资源上传输；

2)基站收到前导符号，对于检测出来碰撞的不予以响应；未检测到碰撞的则推测终端距离基站的距离，指导基站以多少时间提前量来发送，以保证各个终端到达基站的逻辑距离相等；同时为终端分配小区无线网络临时标识(C-RNTI)；并调度终端的后续传输；

3)终端在调度指示的时频资源上发送消息，如RRC连接消息等；

4)基站响应之前消息，并对于竞争冲突与否的结果给予仲裁。基站在第(1)步收到的前导符号中，有可能存在多个使用同一签名的终端时间上相近，超出了基站的时间分辨率需求，没检测出碰撞；会导致多个终端执行第(3)步的上行传输。基站对数据信息进行校验，至此才能真正做到完全的竞争冲突仲裁。

无竞争随机接入是另一种形式，区别在于在步骤(1)之前，基站已经从非竞争的签名集合中为终端指定了前导序列，这种预分配方式只适用于切换，下行数据传送前的同步等情形，对于终端主动发起的数据传输无效。

物联网通信通常涉及大量的终端，在连接同一应用服务器的群组情形下，更会有大量终端的同时传输。以大桥监控为例，当列车通过时，带有传感器的终端几乎同时传输数据，类似的场景还包括极端天气下的渔业数据监控，窃贼闯入大楼后的安保监控等。大量终端的同时数据传输需要竞争信道来实现，随机接入资源分配过多，没有充分利用则浪费资源；分配过少，终端之间的前导符号传输会产生碰撞，无效传输也导致资源的浪费；一个可行的方法是将终端的竞争时间拉长，在数秒到数十秒的时间内，让终端去竞争，但业务的实时性又会受到影响。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于D2D通信子组的随机接入资源分配方法。

技术方案：本发明所述的基于D2D通信子组的随机接入资源分配方法，包括以下步骤：

S1：将可执行D2D通信的MTC设备分成多个子组：每个子组内指定一个主MTC设备，其余的为从MTC设备；

S2：基站以轮询的方式与主MTC设备进行通信，将上行资源分配给各个主MTC设备；

S3：从MTC设备在子组内部竞争上行资源，主MTC设备对从MTC设备的竞争进行仲裁，并将仲裁结果上报给基站；

S4：基站对仲裁结果指定的从MTC设备进行随机接入资源的分配。

进一步，所述步骤S3包括以下子步骤：

S3.1：从MTC设备在指定的D2D传输时隙的随机接入资源上发送前导符号序列给主MTC设备；

S3.2：主MTC设备检测到前导符号序列后，将唯一的标识信息告知从MTC设备；

S3.3：从MTC设备向主MTC设备发送便于主MTC设备进行竞争仲裁的参考数据；

S3.4：主MTC设备进行竞争仲裁；

S3.5：主MTC设备在基站预先分配的轮询资源上，报告当前子组内的竞争情况。

进一步，所述步骤S3.3中的参考数据包括表明竞争优先级的数据。

进一步，所述步骤S3.5中，主MTC设备还将仲裁结果中指定的从MTC设备的标识信息和竞争优先级的数据发送给基站。

进一步，所述步骤S3.2中的标识信息包括子组编号和组内编号。

进一步，所述步骤S4中，基站对仲裁结果指定的从MTC设备分配前导符号序列对应的无竞争的签名。

进一步，所述步骤S1中子组的划分原则为：

(1)将与单一应用服务器相关联的所有MTC设备划分成一个子组；

(2)基站将竞争优先级告知各个MTC设备，便于对本小区内所有MTC设备进行划分子组。

进一步，所述步骤S1中的主MTC设备根据信号接收电平和质量以及当前电池电量来选取。

进一步，如果主MTC设备检测的碰撞概率高于门限值，则可以在基站的协助下选出其他的主MTC设备，将一个子组分裂为多个子组。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)子组的划分方式，使得子组内参与竞争的设备大为减少，使得碰撞减少，无效传输的下降意味着频谱效率得到提升；

2)D2D传输是小功率短距离的传输，多个子组之间可以使用相同的时频资源来随机接入竞争，这种复用的形式可提高频谱效率；

3)从整体意义上讲，终端可以更快地获得上行链路资源进行数据传输，从而提高了物联网应用下的实时性；

4)可分辨出各个物联网应用的优先等级，并经主MTC设备报告给基站，以便基站在后续的调度中将资源优先分配给更紧迫的设备；

5)子组的维护和管理过程相对比较简单，便于实施；

6)由于子组内成员之间的通信仅仅是临时编号和竞争优先级这些参数的交互，不涉及任何数据私密性的因素，因此不会对通信系统的安全性造成影响。

附图说明

图1为现有技术中的基于竞争的随机接入过程示意图；

图2为本发明具体实施方式中的步骤S3和S4的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

针对大量MTC终端的同时数据传输，既要考虑用户的服务质量，如传输的时延的因素，又要从运营商的角度考虑资源使用的效率。为此，可采用终端直通(Device to Device，简称D2D)通信且划分子组的形式来设计。

D2D通信是指当终端之间的距离足够小时，可以采用“直接”或“本地路由”的方式通信，避免了借助基础架构网络，即基站和若干核心网的节点的迂回路由，从而节省了链路资源，同时也避免浪费链路上节点的处理能力。在LTE的第12版本(Rel-12)已经定义了D2D的基本架构，其中终端之间使用上行链路信道来相互通信。

本具体实施方式公开了一种基于D2D通信子组的随机接入资源分配方法，包括以下步骤：

S1：将可执行D2D通信的MTC设备分成多个子组：每个子组内指定一个主MTC设备，其余的为从MTC设备；

S2：基站以轮询的方式与主MTC设备进行通信，将上行资源分配给各个主MTC设备；

S3：从MTC设备在子组内部竞争上行资源，主MTC设备对从MTC设备的竞争进行仲裁，并将仲裁结果上报给基站；

S4：基站对仲裁结果指定的从MTC设备进行随机接入资源的分配：依据各个主MTC设备上报的信息，结合紧迫性来安排合适的从MTC设备的信息传输，在下行链路上通知从MTC设备，并为其分配前导符号序列对应的无竞争的签名，如图2所示。后续从MTC设备执行无竞争的随机接入，进而获得上行链路的数据传输。

由于D2D是小功率短距离的通信方式，在同一基站的覆盖范围之内，存在着多个这样的子组，这样在子组之内参与竞争的MTC设备数目大为减少，碰撞的概率会大大降低；且子组之间可以复用同样的时频资源，资源的利用率也同步提高。

其中，如图2所示，步骤S3包括以下子步骤：

S3.1：从MTC设备在指定的D2D传输时隙的随机接入资源上发送前导符号序列给主MTC设备；

S3.2：主MTC设备检测到前导符号序列后，将唯一的标识信息告知从MTC设备；标识信息包括子组编号和组内编号；

S3.3：从MTC设备向主MTC设备发送便于主MTC设备进行竞争仲裁的参考数据；参考数据包括表明竞争优先级的数据；

S3.4：主MTC设备进行竞争仲裁，通过竞争仲裁可以发现前述步骤中未检测到的碰撞；

S3.5：主MTC设备在基站预先分配的轮询资源上，报告当前子组内的竞争情况，并附上仲裁结果中指定的从MTC设备的标识信息和竞争优先级的数据。

步骤S1中子组的划分原则为：

(1)将与单一应用服务器相关联的所有MTC设备划分成一个子组；

(2)基站将竞争优先级告知各个MTC设备，便于对本小区内所有MTC设备进行划分子组。这是由于每种应用的实时性要求是不同的，例如故障报警比日常的抄表有更严苛的时延要求。

步骤S1中的主MTC设备的选取是很关键的，因为该设备要服务于子组内的其他从MTC设备，选得不好可能会对子组之间造成较强的干扰，从而降低频谱效率。一般情况下，要根据信号接收电平和质量以及当前电池电量来选取。站在运营商的角度，这种主MTC设备代理的方法可以避免大量MTC设备随机接入的竞争碰撞，有效解决无线接入网的拥塞问题，提高频谱效率且获得经济效益；可考虑奖励性的措施来鼓励这种行为。

当主MTC设备选取之后，从MTC加入合适的子组，获取相关的配置信息，例如子组配置D2D通信的传输间隔和时隙，随机接入信道所使用的资源等。当信息发生改变时，各个从MTC设备需及时更新。

如果主MTC设备检测的碰撞概率高于门限值，则可以在基站的协助下选出其他的主MTC设备，将一个子组分裂为多个子组，这样能够降低单个子组之内设备的数量。如果更换了新的主MTC设备，则各个从MTC设备需加入新的子组。

由于主MTC设备与从MTC设备交互的仅仅是临时编号和竞争优先级这些参数，不涉及任何数据私密性的因素，因此不会对通信系统的安全性造成影响。