用于改进机器到机器通信中的网络接入的系统和方法

用于改进机器到机器通信中的网络接入的系统和方法
【专利摘要】一种仪器可包括处理器电路和自适应接入模块，所述自适应接入模块在处理器电路上可操作以调度随机接入资源的广播来接入无线电网络并且对于在接入期期间自适应调整到无线电网络的接入信令的初始补偿窗口大小。公开并且要求保护其他实施例。
【专利说明】用于改进机器到机器通信中的网络接入的系统和方法
[0001]相关申请
本申请要求2011年9月12日提交的美国临时专利申请号61/533，689的优先权并且通过全部引用结合于本文。
【背景技术】
[0002]机器到机器(M2M)通信(也称作“机器型通信”(MTC))正作为有活力的技术出现，其使能可以在没有人际交互的情况下交换信息的“物联网”。在一些情况下，借助于运营商的无线电接入网络中的基站，M2M通信需要运营商的核心网络中的订户站(M2M装置)与服务器之间的无线信息交换。另一个示例涉及链接到基站的两个不同订户站之间的信息的无线交换。在这些M2M通信中的每个中，不必发生人际交互。
[0003]最初开发来便于人际通信的各种现今通信标准近来已经被更新来阐述对于M2M通信的架构和规程的一般特征，包括802.16和3GPP LTE标准。特别地，标准预期大量M2M/MTC装置可部署在需要网络来支持增加的负载以及M2M/MTC业务可能的浪涌的任何特定区域中。例如，根据802.16p标准要求(IEEE 802.16p_10/0004，“802.16p系统要求文件”)，系统应支持用于M2M装置中的低功耗的大量装置和机构。这暗指在处理M2M通信的每个基站的范围内，要支持大量M2M装置。鉴于上文，期望开发用于在其中部署多个M2M装置的网络中处理通信的额外规程。
[0004]关于这些和其他考虑，需要当前改进。
【专利附图】

【附图说明】
[0005]图1描绘与各种实施例一致的系统。
[0006]图2a描绘根据各种实施例布置的自适应接入模块的细节。
[0007]图2b描绘与本实施例一致的补偿(backoff)窗口大小调整的一个场景。
[0008]图3描绘改变补偿窗口大小对成功接入率的影响。
[0009]图4描绘对于一系列不同的补偿窗口大小作为平均接入加载估计λ avg的函数的成功接入率的计算的结果。
[0010]图5描绘与本实施例一致的用于动态调整随机接入资源的示范性操作。
[0011]图6呈现对于不同的补偿窗口大小作为Aavg的函数的成功接入率的计算的结果。
[0012]图7呈现与本实施例一致的调整随机接入参数的另一个示例。
[0013]图8描绘示范性逻辑流。
[0014]图9描绘与额外的实施例一致的逻辑流。
[0015]图10是示范性系统实施例的图。
[0016]图11图示示范性计算架构的实施例。
【具体实施方式】
[0017]各种实施例涉及改进无线网络中的机器到机器(M2M)通信。除了别的之外，通信系统的一些实施例可用例如电气和电子工程师协会(IEEE)802.16 (ffiMAX).1EEE 802-20、第三代合作伙伴计划(3GPP)演进通用移动电信系统(UMTS)陆地无线电接入(UTRA)(E-UTRAN)等无线电技术来实现。IEEE 802.16m是IEEE 802.16e的演进，并且提供与基于IEEE 802.16的系统的后向兼容性。UTRA是UMTS的一部分。3GPP长期演进(LTE)是使用E-UTRA的演进UMTS (E-UMTS)的一部分。LTE高级(LTE-A)是3GPP LTE的演进。如本文使用的，对术语“LTE”的任何引用包括LTE的任何版本(包括LTE-A和它的修正、子代和变化形式)。实施例在该上下文中不受限制。
[0018]本实施例可在多个M2M装置部署在无线电网络内时改进通信。利用无线网络中更大量M2M装置的实际和潜在部署，存在涉及M2M/MTC装置的信令传送和海量并发数据的可能，其可导致无线电接入网络拥塞和/或信令网络拥塞。这可导致不可接受的延迟、分组丢失或甚至服务不可用性。
[0019]因此，可期望保证网络可用性和帮助满足在这样的M2M/MTC负载下的性能要求的机制。例如，随机接入规程的优化(例如对不同的M2M/MTC装置应用不同的接入优先级)可是有用的。另一个可能的解决方案涉及由更高级核心网络(CN)的随机接入拒绝，其可减少网络过载，但因为在物理空中接口中发生的最终冲突而以更低的效率为代价。然而，在当前的通信标准中，对由引起M2M过载的更高冲突概率产生的潜在问题的解决方案尚未被充分解决。
[0020]近来，并入未来标准的一个提议涉及引入扩展的初始补偿窗口大小用于到网络的接入(参见，由802.16WG、M2M TG、网络进入ad-hoc组产生的ffiEEC802.16p-ll/0126 “Evaluation Guideline for Comparison of Network EntrySolutions (对于网络接入解决方案的比较的评估指南)”)。在尝试与网络通信(例如执行测距)期间，例如M2M装置的连接装置可被给予初始补偿窗口，其包括重试传送的等待时间。在给定的网络加载条件下，在尝试重试时，接入的成功率(其可称作成功的接入率)随着补偿窗口的增加而增加，即，随着重试的等待时间的增加而增加。因此，设置更大的补偿窗口可增加给定装置的成功接入率。
[0021]然而，使初始补偿窗口仅扩展到大尺寸可造成其他问题。例如，当加载低时，因为接入装置可能必须等待比成功接入所必需的长得多的时间，采用过大的补偿窗口可极大降低系统性能。代替采用上文的方法，本文公开的各种实施例呈现通过动态调整初始补偿窗口大小而改进对网络的接入的系统和方法。
[0022]图1描绘与各种实施例一致的系统100。系统100包括由移动网络运营商104服务的多个M2M无线装置(或“M2M装置”)102a (其中“a”是任何正整数)。移动网络运营商104可包括:可建立与M2M装置102的无线通信的无线电网络106以及服务网络108。传送到M2M装置102和从M2M装置102传送的数据可传递到服务网络108，并且还可与耦合到移动网络运营商的其他M2M装置进行通信。
[0023]如图示的，无线电网络106可包括自适应接入模块110 (其操作在下文详述)。可采用自适应接入模块110来改进装置组(例如M2M装置102a-102n)中的网络接入。特别地，自适应接入模块110可起到优化随机接入规程来改进M2M装置的网络中的整体随机接入延迟的作用。这可能在其中网络服务水平可能以不可预测的方式随时间变化的场景下尤其有效。特别地，自适应接入模块110可以某一间隔自适应更新各种通信参数，例如除其他通信参数之外在网络接入信令期间要由M2M装置102a采用的补偿参数。
[0024]特别地，来自与无线电网络106通信的M2M装置102a的随机接入负载可由无线电网络106的基站(未示出)计算并且可用于在随机接入负载达到某一水平时触发随机接入资源的重新分配。随机接入资源(例如补偿窗口)的重新分配然后可由M2M装置102a使用来更新它们的网络接入行为，从而导致更高效的接入过程。
[0025]图2a描绘根据各种实施例布置的自适应接入模块的细节。自适应接入模块202可以是如参考图1描述的自适应接入模块110的示范性实现。自适应接入模块202可起到调整要由终端(包括M2M装置102a)使用用于接入网络(例如无线电网络106)的补偿窗口的作用。特别地，补偿窗口可在接入加载增加时增加并且在接入加载减小时减小。原则上，M2M装置或移动台(MS)的接入冲突概率与分配的持续时间内接入装置的数量高度相关。这暗指在其中存在尝试接入无线电网络106的相对大量的M2M装置102a的场景下，更大的初始补偿窗口是期望的或需要的以便减少在无线电网络106的基站与两个或更多M2M装置102a之间实施的不同通信的冲突概率。自适应接入模块202可包括:接入资源计数器204，用于对接入窗口中可用的测距信道的总数量计数；使用的接入信道计时器206，用于对在接入窗口中使用的可用测距信道的总数量计数，以及接入加载估计器208，用于基于可用和正使用的测距信道的数量来执行接入加载估计。该信息可被补偿窗口调整器210采用来调整要发送到M2M装置102a用于测距或相关操作的初始补偿窗口大小，如下文详述的。
[0026]图2b描绘调整初始补偿窗口大小S的场景，其中自适应接入模块202可在连续基础上调整S。在图2b中图示的初始补偿窗口大小在时间上的变化的示例描绘这样的情况，其中由自适应接入模块202设置的S的逐次值可大大改变；然而，在其他示例中，S的值可采用更加渐进的方式改变。如在图2b中图示的，S的值可在初始补偿窗口消息220中发送，其可被传送以供在给定时间正接入移动运营商网络104的那些M2M装置102a使用。在图示的特定示例中，在实例tb处，在初始补偿窗口消息220中发送到M2M装置102a的S的值是64。在后续实例中，在初始补偿窗口消息220中发送到M2M装置102a的S的值可以是256，等等，如在图2b中图示的。
[0027]在各种实施例中，自适应接入模块202可根据各种考虑来确定适合的S大小。一个这样的考虑是对于接入无线电接入网络106的装置的期望或可接受成功率。图3描绘改变补偿窗口大小对成功接入率的影响，该成功接入率指代成功的装置接入尝试的百分率。不成功的接入尝试可由例如可在接入加载高到足以使基站与相应多个M2M装置之间的多个通信可能在附近出现时发生的冲突引起。
[0028]图3中示出对于不同初始补偿窗口大小的结果(假定恒定的接入加载条件)。如在图3中示出的，对于相对较小的接入窗口大小，例如S=I多至S=16(24)，成功接入率是很低的，小于10%。当初始补偿窗口的大小从16上升到256 (28)时，成功接入率迅速增加，其中成功的接入率大于85%。从而，对于图3的示例中的给定的接入加载，高的接入成功度可以通过将补偿窗口大小设置在256或更大的值处而确保。
[0029]鉴于图3的结果，如果基站可以准确地确定导致图3的接入率行为的接入加载的水平，基站(BS)可以对补偿窗口调度适合的大小来确保期望的接入成功率。然而，在给定时间，因为M2M装置中的一些可传送相同的测距码，BS 一般可能不知道接入从其确定接入加载的M2M装置的确切数量。因此，在不知道当前接入加载的情况下，基站可难以规定要由M2M装置使用的适合的初始补偿窗口。
[0030]为了利用图3中示出的给定接入加载的初始补偿窗口大小与接入成功率之间的相关性，本实施例提供估计接入加载的新颖规程，并且由此便于要由M2M装置102a使用的初始补偿窗口的调整。例如，无线电网络106的基站可采用自适应接入模块202来生成接入加载估计，其可代表由M2M装置102a的测距信道的使用百分比。特别地，测距信道使用百分比可以如下定义为接入加载估计度量入:
,Μ(? A(f) = a v....................................................................................(i)
剛
其中M(t)是在接入窗口 t中使用的测距信道的总数量，其中N(t)是接入窗口 t中的可用测距信道的总数量，其中α是与一些其他长期接入统计方面(例如，成功的前同步码检测的能力)有关的权重系数。在一个示例中，M(t)可由接入资源计数器204确定，而N(t)由接入代码计数器206确定,其结果可馈送给接入加载估计器208来确定λ (t) ο
[0031]除了接入加载估计度量λ (t)之外，平均接入加载估计度量Xavg可以表达为:
= memj(Mt)) ? € f/0 + + Tj (2)
为了帮助适当选择初始补偿窗口大小，对于不同的接入加载条件，补偿窗口调整器可采用模拟来跟踪补偿窗口大小对成功接入率的影响。图4描绘对于一系列不同的补偿窗口大小作为Xavg的函数(在图中也称作“测距信道加载”)的成功接入率的计算的结果。特别地，对于从S=I直至S =1024的八个不同的补偿窗口大小图示八个不同的曲线。在一些情况下，这些曲线在扩展多至大约1.1的Aavg的范围内标绘。如在图4中示出的，对于低接入加载条件(其中Aavg在大约0.1以下)，成功接入率接近I (%100)并且对补偿窗口大小不敏感。也就是说，当接入加载条件足够低时，因为甚至在补偿窗口的低值处成功接入率也非常高，所以增加补偿窗口的大小不是必需的。因此，当例如无线电网络106等网络在这样的低接入加载条件下运行时，使接入无线电网络106的M2M装置的初始补偿窗口的大小最小化是期望的。
[0032]另一方面，当λ avg的值增加(特别地在大约0.1-0.2以上)时，存在两个显著影响。第一个影响是成功接入率在所有补偿窗口大小处减小。第二个影响是对于给定的Xavg的值，在补偿窗口的大小减小时，成功接入率中的减小更显著。这对于在S=16至S=256的范围内的补偿窗口大小特别明显。对于在1-8的范围内的初始补偿窗口大小，作为Xavg的函数的成功接入率的行为示出大约0.2与0.5的λ avg值之间的明显减小，使得在位于0.5以上的λ avg值处，成功接入的概率小于0.2。成功接入率行为也没有随着S=I与S=8之间的范围的补偿窗口大小而大大改变。在S=16或更大的值处，成功接入率随Xavg的减小变得更不迅速。例如，当S小于或等于8时，与前面提到的小于0.2的值相比，在0.5的Xavg值处，成功接入率仍是大约0.5。此外，当补偿窗口增加到S=256时，在0.5的Xavg值处，成功接入率增加到大约0.85。因此，在相对更高的接入加载条件下(例如当Xavg具有大约0.2以上的值时)，成功接入率对初始补偿窗口大小敏感，这是显而易见的。
[0033]鉴于上文的结果，根据本实施例，基站可采用多个操作来估计接入加载条件，并且基于期望的操作水平(例如移动装置(例如M2M装置)的期望成功接入率)来调整初始补偿窗口大小。[0034]图5描绘与本实施例一致的用于动态调整随机接入资源的示范性操作。特别地，示出各种操作，其可由基站500和通过无线连接而耦合到基站500的移动台(MS)/M2M装置502执行。这些操作示出为一系列接入期T-1至T+1的时间的函数。在第一操作504中，基站可将随机接入资源配置广播到广播范围内的MS/M2M装置。随机接入资源配置可包括例如基于在紧挨着的前面的接入期T-1中执行的测量和计算的随机接入代码集和初始补偿窗口大小。例如，补偿窗口大小可基于从之前的接入期T-1中的测量计算的之前的接入加载估计而广播到MS/M2M 502。
[0035]随后，如由操作506图示的，基站可对当前接入窗口的总随机接入资源Nw(t)计数。如由操作508表示的，MS/M2M装置502可生成随机接入前同步码代码，其可通过可用的随机接入信道传送到基站500。与本实施例一致，操作508可由多个MS/M2M装置重复。在后续操作510中，基站500可对当前接入窗口中正由移动台或M2M装置使用的总随机接入信道Mw(t)计数，其可至少部分基于在操作508中传送随机接入前同步码代码的所有信道。
[0036]在操作512中，基站500然后可计算当前随机接入加载；
【权利要求】
1.一种仪器，包括: 处理器电路；以及 自适应接入模块，所述自适应接入模块在所述处理器电路上可操作以基于来自与无线电网络通信的多个机器到机器(M2M)装置的随机接入负载的接入加载估计而自适应调整在接入期期间用于到无线电网络的接入信令的补偿窗口大小，所述补偿窗口大小包括当来自两个或更多M2M装置的通信之间出现冲突时用于由所述两个或更多M2M装置的传送的重试的等待时间。
2.如权利要求1所述的仪器，所述自适应接入模块可操作以调度一个或多个寻呼广告消息的广播到M2M装置的组以供在接入所述无线电网络中使用，所述一个或多个寻呼广告消息包括具有初始补偿窗口大小值的初始测距补偿起始字段。
3.如权利要求1所述的仪器，所述自适应接入模块可操作以在接入加载估计增大时增大所述补偿窗口大小，并且在接入加载估计减小时减小所述补偿窗口大小。
4.如权利要求1所述的仪器，所述自适应接入模块在所述处理器电路上可操作以根据以下来确定接入加载λ (t):
5.如权利要求4所述的仪器， 所述自适应接入模块在所述处理器电路上可操作以基于在所述接入窗口 t期间通过空中接口接收的随机接入代码来测量M(t)。
6.如权利要求4所述的仪器， 所述自适应接入模块在所述处理器电路上可操作以通过对所述接入窗口 t中可用的随机接入资源计数来测量N (t)。
7.如权利要求4所述的仪器， 所述自适应接入模块在所述处理器电路上可操作以根据以下来确定平均接入加载估
8.如权利要求1所述的仪器，所述自适应接入模块在所述处理器电路上可操作以对于一个或多个初始补偿窗口大小基于目标接入成功率rtawt和作为接入加载λ (t)的函数的预期接入成功率r来调整初始补偿窗口大小。
9.如权利要求1所述的仪器，所述自适应接入模块在所述处理器电路上可操作以: 确定时期T-1中的平均接入加载Xavg (T-1)； 设置对于时期T的rtoge;t ； 对于初始补偿窗口的多个值中的每个值计算作为λ (t)的函数的r; 对于初始补偿窗口的一个或多个值确定在Xavg (T-1)的r的值；以及 基于r与rtmge;t的比较来选择初始补偿窗口大小。
10.如权利要求1所述的仪器，包括高功率天线用于将所述初始补偿窗口大小广播到所述无线电网络。
11.至少一个计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使系统: 调度随机接入资源的广播来接入无线电网络； 处理从一个或多个装置接收的初始测距通信；以及 自适应调整在接入期期间到所述无线电网络的接入信令的初始补偿窗口大小，所述补偿窗口大小包括当在来自两个或更多机器到机器(M2M)装置的通信之间出现冲突时用于由所述两个或更多M2M装置的传送的重试的等待时间。
12.如权利要求11所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统处理来自多个M2M装置的测距操作的结果。
13.如权利要求11所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统基于当前接入期的接入加载估计来广播新的初始补偿窗口大小。
14.如权利要求11所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统根据以下来确定接入加载λ (t):
15.如权利要求14所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统基于在所述接入窗口 t中通过空中接口接收的随机接入代码来测量M(t)。
16.如权利要求14所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统:通过对所述接入窗口 t中可用的随机接入资源计数来测量N(t)。
17.如权利要求14所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统根据以下来确定平均接入加载估计Xavg:
18.如权利要求11所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统对于一个或多个初始补偿窗口大小基于目标接入成功率rtawt和作为接入加载λ (t)的函数的预期接入成功率r来调整初始补偿窗口大小。
19.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在被执行时促使所述系统: 确定时期T-1中的平均接入加载Xavg (T-1)； 设置对于时期T的rtoge;t ； 对于初始补偿窗口的多个值中的每个值计算作为λ (t)的函数的r; 对于初始补偿窗口的一个或多个值确定在λ avg (T-1)处的r的值；以及 基于r与rtmge;t的比较来选择初始补偿窗口大小。
20.—种方法,其包括: 调度在第一时期上用于无线电网络的随机接入资源的广播；从一个或多个接入装置接收随机接入信息；以及 基于接收的随机接入信息自适应调整在第二时期期间到所述无线电网络的接入信令的初始补偿窗口大小，所述初始补偿窗口大小包括当在来自两个或更多接入装置的通信之间出现冲突时用于由所述两个或更多接入装置的传送的重试的等待时间。
21.如权利要求20所述的方法，包括处理机器到机器(M2M)和或移动台(MS)装置的测距操作的结果。
22.如权利要求20所述的方法，包括基于当前接入期的接入加载估计来广播新的初始补偿窗口大小。
23.如权利要求20所述的方法，包括根据以下来确定接入加载λ(t):
24.如权利要求23所述的方法，包括基于在所述随机接入信息中接收的随机接入代码来测量M (t)。
25.如权利要求23所 述的方法，包括通过对所述接入窗口t中可用的随机接入资源计数来测量N (t)。
26.如权利要求23所述的方法，包括根据以下来确定平均接入加载估计Xavg:
27.如权利要求20所述的方法，包括对于一个或多个初始补偿窗口大小基于目标接入成功率rtawt和作为接入加载λ (t)的函数的预期接入成功率r来调整初始补偿窗口大小。
28.如权利要求20所述的方法，包括: 确定时期T-1中的平均接入加载Xavg (T-1)； 设置对于时期T的rtoge;t ； 确定对于初始补偿窗口的多个值中的每个值呈现作为λ (t)的函数的r的曲线的集合； 基于曲线的所述集合与Xavg (T-1)以及与rtogrt的比较来选择所述初始补偿窗口大小。
29.—种仪器,包括: 用于调度随机接入资源的广播来接入无线电网络的设备； 用于处理从一个或多个装置接收的初始测距通信的设备；以及用于自适应调整在接入期期间到所述无线电网络的接入信令的初始补偿窗口大小的设备，所述补偿窗口大小包括当在来自两个或更多机器到机器(M2M)装置的通信之间出现冲突时用于由所述两个或更多M2M装置的传送的重试的等待时间。
30.如权利要求29所述的仪器，包括用于处理来自多个M2M装置的测距操作的结果的设备。
31.如权利要求29所述的仪器，包括用于基于当前接入期的接入加载估计来广播新的初始补偿窗口大小的设备。
32.如权利要求29所述的仪器，包括用于调度一个或多个寻呼广告消息到M2M装置的组的广播以供在接入所述无线电网络中使用的设备，所述一个或多个寻呼广告消息包括具有初始补偿 窗口大小值的初始测距补偿起始字段，所述初始补偿窗口大小值包括4比特的值。
【文档编号】H04W74/08GK103828469SQ201180073889
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2011年12月27日 优先权日:2011年9月12日
【发明者】R.黃, H.李, S.莫汉蒂 申请人:英特尔公司