一种窄带物联网中基于动态接入限制的随机接入方法与流程

本发明属于基于蜂窝网络的窄带物联网技术，具体涉及一种窄带物联网的接入方法。
背景技术：
：窄带物联网(narrowbandinternetofthings，nb-iot)，是作为一种面向低功率广域覆盖的物联网业务产生的蜂窝物联网技术。其上下行均只占用180khz工作带宽，部署方式极为灵活，可独立部署、保护带部署及带内部署。窄带物联网可部署在现有的lte及lte-a网络中，基于现有网络设施进行软硬件升级。物联网通信技术有很多种，从传输距离上区分，可分为短距通信技术和广域通信技术。短距通信技术如zigbee、wi-fi、蓝牙等，通信距离仅为几米，典型的应用场景如智能家居等；广域通信技术包括有线技术和无线技术，有线技术如光纤通信，无线通信技术如2g/3g/4g等，可为货物追踪、智慧城市等提供支持。短距通信技术通信距离较短，可通过中继方式实现长距离通信，缺点是可靠性差；广域通信技术可靠性高，安全性高，缺点是成本高；广域通信技术致力于服务通信流量较大的业务，而物联网业务数据包小，占用现有的数据通道极易造成资源浪费。窄带物联网应运而生，为低功耗、广连接、高可靠的业务场景提供技术支持。现有广域物联网业务可由gprs技术及芯片支撑，相比之下，窄带物联网优势在于深度覆盖，终端功耗低、成本低，支持大规模连接。gprs芯片可工作在最大耦合损耗为144db的环境下，而窄带物联网芯片借助窄带及重发方式，覆盖增强20db，可工作在最大耦合损耗为164db的环境下。另外，窄带物联网芯片采用节电技术及增强的不连续接收工作方式，极大降低了功耗，理想情况下5号电池可连续工作10年。窄带物联网支持海量设备连接。上行信道可采用3.75khz子载波间隔，可将180khz划分为48个信道，上行等效功率提升；基站及核心网优化，减小空口信令开销，提升频谱效率，大大提升信道容量。鉴于物联网终端数目庞大，不得不考虑部署成本。现有gprs模组成本较低，而窄带物联网模组成本更低，单组成本低于5美元。实现低成本的关键是窄带系统，基带复杂度低；采用单天线、半双工工作方式，射频成本低；峰均比低，功放效率高，可支持集成功放。深度覆盖是窄带物联网的优势之一，窄带物联网芯片可以工作在最大耦合损耗为164db的恶劣通信环境下。根据不同的最大耦合损耗，可将窄带物联网终端划分为ce0、ce1、ce2三个覆盖等级，分别对应最大耦合损耗为144db、154db和164db的工作环境。实现深度覆盖的技术手段包括：(1)、窄带物联网芯片带宽仅为3.75khz，同样的功率下，极大提升了功率谱密度，增大了信号强度，扩大了通信范围；采用全新的单音跳频的前导方案，可根据不同的覆盖等级设置不同的前导重发次数。最大耦合损耗达到164db的终端，可设置前导最大重发次数为120，有助于提高前导检测成功率。(2)、窄带物联网不同的覆盖等级对应不同的前导资源，不同等级终端应选择对应的前导进行接入。若当前时隙不存在对应ce的前导，继续将接入请求延迟至接下来的有效接入时隙。(3)、根据不同的覆盖等级设置不同的前导重发次数，重发指符号组的重复发送。单音跳频方法中，为降低cp开销，每5个符号添加一个cp，称为一个符号组。单音跳频方法中，单音指上行信道采用3.75khz的子载波，划分180khz为48个子信道；跳频指符号组之间的频率跳变，不同的跳变图案表示不同的前导。选择不同的前导即选择不同的跳频起始子载波窄带物联网自面世以来，备受设备制造商、移动运营商关注，未来或将建成整个城市覆盖一张窄带物联网网，改善当前物联网市场技术纷杂，业务不好协调的现状。技术实现要素：提出一种窄带物联网(窄带物联网)中基于动态接入限制的随机接入方法，目的是提高时延敏感性终端的首次接入成功率，即最大限度降低其接入时延。方法实施步骤为：(1)、将窄带物联网终端按照对时延的敏感性划分为第一类和第二类，其中第一类终端比第二类要求更低的时延；(2)、设置所有终端均产生一个接入参数p，其中第一类终端的接入参数恒为0，记作p1，第二类终端的接入参数在(0,1)内随机生成，记作p2；(3)、根据现有可用的前导资源，估算单次最大可处理的接入请求数m。所有终端随机接入基站，基站根据当前请求接入的终端数n动态广播一个接入概率因子δ。若某终端接入参数p<δ，则允许该终端接入；若某终端接入参数p≥δ，则该终端接入请求被延迟；(4)、允许接入的终端采用竞争式接入方法，随机选择前导并发送给基站。若多个终端选择同一个前导，基站认定这些终端接入失败，失败终端可在下个接入时隙重新请求接入；若基站检测到某前导仅被一个终端选择，则认为该终端接入成功，并向该终端回馈一个定时调整及分配的上行数据信道资源消息。其中，窄带物联网终端采用专用的窄带物联网芯片模组，终端与基站间采用窄带物联网技术通信。步骤(1)中，第一类终端、第二类终端的划分依据是对时延的不同要求范围。假设时延阈值为γ，若终端要求最大时延低于γ，将其划分为第一类终端；若终端要求时延可超过γ，将其划分为第二类终端。步骤(2)中，每个终端均产生一个接入参数，该接入参数的作用是与基站广播的接入概率因子作比较，只有接入参数小于接入概率因子的终端才允许被接入，从而限制终端的接入量，降低接入冲突。第一类终端的接入参数提前设定，即根据时延阈值划分终端类别之后，第一类终端的接入参数就设置为0。第二类终端的接入参数是独立随机产生的，即各个终端发起接入请求的同时产生一个(0,1)间的随机接入参数，并且各个终端随机数的产生相互独立，互不影响。步骤(3)中，m是现有前导资源下单次最大可处理的接入请求数。假设前导个数为k，第一类、第二类终端总接入请求数为m。采用竞争式接入方法，m个终端随机从k个前导中选择m个发送给基站。假设某终端选定了某个前导，则其他m-1个终端不会选择该前导的概率为各终端对前导的选择等概且相互独立。根据概率统计原则，m个终端首次接入成功的个数为若则m个终端几乎全部接入成功。定义m为现有前导资源下单次最大可处理的接入请求数：m＝max{<m>}，当其中<m>表示m四舍五入取整，max{}表示取最大值。满足的m值不止一个，而是一个数值集合，这里m取满足约束条件的m的最大值，约束条件小于0.1保证此时m个终端以大概率全部接入成功。步骤(3)中，接入概率因子δ随第一类、第二类终端的当前接入数动态改变。记当前接入请求总数为n，其中第一类终端接入请求数为n1，可用前导数为k，当前资源下单次最大可处理的请求数为m。定义δ的计算公式为：基站动态广播一个接入概率因子δ，以限定允许接入的终端个数。设置第一类终端p1≡0，所以p1<δ恒成立，保证第一类终端首次接入均被允许。若δ＝0.4，第二类终端随机产生的p2小于δ的平均概率约为0.4，即约40％的第二类终端允许被接入，且与第一类终端共同采取竞争式接入方法。若某终端接入参数p≥δ，则该终端接入请求在当前时隙不被允许，即该终端接入请求被延迟。请求被延迟的终端可以在下一个时隙重新发送接入请求，但每个终端都设置有最大的接入重发次数mreattempt，当某个终端重发接入请求的次数超过mreattempt，宣告此次接入失败。终端需退避一段时间后，重新发起新的接入请求。步骤(4)中，允许接入的终端采用竞争式接入方法进行接入处理。竞争式接入方法指的是，允许接入的各个终端，竞争有限的k个前导，独立、随机从k个前导中选择一个发送给基站。只有所有终端各自选择不同的前导，才能保证所有终端接入成功。基站成功检测到某个前导后，向选择该前导的终端发送包括前导序号、定时调整及上行数据信道资源分配的消息，终端识别前导序号，并利用基站提供的上行数据信道发送数据信息。终端各自采用基站分配的信道发送数据信息，不存在信道资源冲突问题。δ的计算方法已由前面所述公式定义。k为前导个数，是一个定值，现有前导资源下单次最大可处理的接入请求数m仅与k有关，即m也为定值。δ根据总接入数n与第一类终端接入数n1动态变化：(a)、若总接入数不超过当前前导资源下单次最大可处理的接入请求数m，设置δ＝1，所有终端都被允许接入；(b)、若总接入数超过当前前导资源下单次最大可处理的接入请求数m，并且第一类终端请求数小于m，则δ取决于总接入数n、第一类终端接入数n1、当前单次最大可处理的接入请求数m；(c)、若总接入数超过当前前导资源下单次最大可处理的接入请求书m，并且第一类终端接入请求数也超过m，则所有第二类终端的请求都被限制，仅允许第一类终端接入，δ＝0.01可以有效限制第二类终端的请求。有益效果本发明提出的基于动态接入限制的随机接入方法，通过设置不同的接入参数，优先保证时延敏感性终端接入，有效提高了时延敏感性终端的首次接入成功率，最大限度降低其接入时延，保证其满足时延要求。附图说明图1为本发明所述的接入方法流程图。图2为接入方法中动态接入等级限制部分的具体工作模式。图3为不采用动态接入限制方法和采用动态接入限制方法的第一类终端最大接入时延。图4为不采用动态接入限制方法和采用动态接入限制方法的第二类终端最大接入时延。具体实施方式下面结合附图，对本发明作更进一步的说明。提出一种窄带物联网(窄带物联网)中基于动态接入限制的随机接入方法，目的是提高时延敏感性终端的首次接入成功率，即最大限度降低其接入时延。方法实施步骤为：(1)、将窄带物联网终端按照对时延的敏感性划分为第一类和第二类，其中第一类终端比第二类要求更低的时延；(2)、设置所有终端均产生一个接入参数p。设置第一类终端的接入参数恒为0，记作p1；第二类终端的接入参数在(0,1)内随机生成，记作p2；(3)、根据现有可用的前导资源，估算单次最大可处理的接入请求数m。所有终端随机接入基站，基站根据当前请求接入的终端数n动态广播一个接入概率因子δ。若某终端接入参数p<δ，则允许该终端接入；若某终端接入参数p≥δ，则该终端接入请求被延迟；(4)、允许接入的终端，采用竞争式接入方法，随机选择前导并发送给基站。若多个终端选择同一个前导，基站认定这些终端接入失败，失败终端可在下个接入时隙重新请求接入；若基站检测到某前导仅被一个终端选择，则认为该终端接入成功，并向该终端回馈一个定时调整及分配的上行数据信道资源消息。具体工作步骤可参考流程图图1、图2。其中，窄带物联网终端采用专用的窄带物联网芯片模组，终端与基站间采用窄带物联网技术通信。步骤(1)中，第一类终端、第二类终端的划分依据是对时延的不同要求范围。假设时延阈值为γ，若终端要求最大时延低于γ，将其划分为第一类终端；若终端要求时延可超过γ，将其划分为第二类终端。步骤(2)中，每个终端均产生一个接入参数，该接入参数的作用是与基站广播的接入概率因子作比较，只有接入参数小于接入概率因子的终端才允许被接入，从而限制终端的接入量，降低接入冲突。第一类终端的接入参数提前设定，即根据时延阈值划分终端类别之后，第一类终端的接入参数就设置为0。第二类终端的接入参数是独立随机产生的，即各个终端发起接入请求的同时产生一个(0,1)间的随机接入参数，并且各个终端随机数的产生相互独立，互不影响。步骤(3)中，m是现有前导资源下单次最大可处理的接入请求数。假设前导个数为k，第一类、第二类终端总接入请求数为m。采用竞争式接入方法，m个终端随机从k个前导中选择m个发送给基站。假设某终端选定了某个前导，则其他m-1个终端不会选择该前导的概率为各终端对前导的选择等概且相互独立。根据概率统计原则，m个终端首次接入成功的个数为若则m个终端几乎全部接入成功。定义m为现有前导资源下单次最大可处理的接入请求数：m＝max{<m>}，当其中<m>表示m四舍五入取整，max{}表示取最大值。满足的m值不止一个，而是一个数值集合，这里m取满足约束条件的m的最大值，约束条件小于0.1保证此时m个终端以大概率全部接入成功。步骤(3)中，接入概率因子δ随第一类、第二类终端的当前接入数动态改变。记当前接入请求总数为n，其中第一类终端接入请求数为n1，可用前导数为k，当前资源下单次最大可处理的请求数为m。定义δ的计算公式为：基站动态广播一个接入概率因子δ，以限定允许接入的终端个数。设置第一类终端p1≡0，所以p1<δ恒成立，保证第一类终端首次接入均被允许。若δ＝0.4，第二类终端随机产生的p2小于δ的平均概率约为0.4，即约40％的第二类终端允许被接入，且与第一类终端共同采取竞争式接入方法。若某终端接入参数p≥δ，则该终端接入请求在当前时隙不被允许，即该终端接入请求被延迟。请求被延迟的终端可以在下一个时隙重新发送接入请求，但每个终端都设置有最大的接入重发次数mreattempt，当某个终端重发接入请求的次数超过mreattempt，宣告此次接入失败。终端需退避一段时间后，重新发起新的接入请求。步骤(4)中，允许接入的终端采用竞争式接入方法进行接入处理。竞争式接入方法指的是，允许接入的各个终端，竞争有限的k个前导，独立、随机从k个前导中选择一个发送给基站。只有所有终端各自选择不同的前导，才能保证所有终端接入成功。基站成功检测到某个前导后，向选择该前导的终端发送包括前导序号、定时调整及上行数据信道资源分配的消息，终端识别前导序号，并利用基站提供的上行数据信道发送数据信息。终端各自采用基站分配的信道发送数据信息，不存在信道资源冲突问题。δ的计算方法已由前面所述公式定义。k为前导个数，是一个定值，现有前导资源下单次最大可处理的接入请求数m仅与k有关，即m也为定值。δ根据总接入数n与第一类终端接入数n1动态变化，其特征在于：(a)、若总接入数不超过当前前导资源下单次最大可处理的接入请求数m，设置δ＝1，所有终端都被允许接入；(b)、若总接入数超过当前前导资源下单次最大可处理的接入请求数m，并且第一类终端请求数小于m，则δ取决于总接入数n、第一类终端接入数n1、当前单次最大可处理的接入请求数m；(c)、若总接入数超过当前前导资源下单次最大可处理的接入请求书m，并且第一类终端接入请求数也超过m，则所有第二类终端的请求都被限制，仅允许第一类终端接入，δ＝0.01可以有效限制第二类终端的请求。因不同覆盖等级的终端采用不同的前导，为便于分析，以ce2终端为例。建模参数如表1所示，终端接入过程服从beta分布。表1建模参数nb-iot终端个数/cell50000平均接入请求数/天15ce2可用前导个数48a类终端占比20％b类终端占比80％nprach周期(s)0.96nprach时隙(s)0.24beta(α，β)α＝3，β＝4，t＝500经分析，本次发明的窄带物联网中基于动态接入限制的随机接入方法，相较于未采用本方法的传统接入方案，有效降低了第一类终端最大接入时延，代价是一定程度上牺牲了第二类的接入时延。具体结果如图3、图4所示。以上所述仅是本发明的优选实施方法，应当指出：对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12