M2M通信中基于不同时延业务的前导码分配方法与流程

本发明属于机器通信技术领域，特别是一种m2m通信中基于不同时延业务的前导码分配方法。

背景技术：

m2m(machine-to-machine)通信是指设备可以在没有人为干预的情况下通过有线或无线的方式来传输信息。随着物联网时代的到来，3gpp组织提出的m2m通信已经成为物联网通信的基础。全球部署成千上万的m2m设备用于环境感知和机器交互，设备与设备以及设备与基站之间的互连互通共同组建一个庞大的物联网系统。

由于m2m业务巨大的商业价值以及广阔的应用前景，如智能交通、智能电网、地震监测、消费设备、智能家居、公共安全及智能医疗等，m2m通信正吸引越来越多的注意力。不同类型的m2m设备负责的业务各不相同，各类业务对不同性能同样具有不同要求。在某一些紧急场景，如灾害和停电，机器节点需要向m2m服务器报告紧急警报，包括灾害的类型以及灾害的地点。例如，对于部署在林场煤矿的火警传感器而言，当有火灾等危险情况发生时需要及时传送数据，此类传感器对时延要求较高，当有紧急情况的数据需要传输时，需要优先保证高优先级的业务接入基站。

然而现有技术存在的问题是：前导码分配设计方案复杂，并且效果不显著，不能满足对时延敏感的m2m设备的时延要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种m2m通信中基于不同时延业务的前导码分配方法，满足紧急业务的低时延要求，同时保证小区内所有设备的平均时延尽量小一些。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于不同时延业务的前导码分配方法，包括如下步骤：

(10)完成m2m设备分组：将小区以基站为中心划分为k组，所有m2m设备依据其空间位置确定自己所在的分组；

(20)每个分组产生前导码：每个分组根据各自的根索引产生前导码，各组产生的前导码用于该组设备随机接入使用；

(30)m2m设备选择前导码：每个分组中优先级高的设备优先选择前导码，其他低优先级设备主动出让选择优先权；

(40)m2m设备广播所选择的前导码：高优先级设备在选定前导码之后，在所在分组中广播自己选择的前导码，后续设备再选择前导码时避免选择相同的前导码；

(50)完成随机接入基站：m2m设备成功选择前导码之后，继续按照3gpp标准定义的随机接入过程接入基站。

进一步的，所述m2m设备分组的步骤为：

(11)确定小区分组数量：将平均接入时延作为优化目标，建立平均接入时延与分组数量之间的函数关系，从而确定小区分组数量；

(12)确定各组覆盖距离：每个分组以基站所在位置为中心，第一组是圆，其他分组均是圆环，确定各组的覆盖距离，得到最后小区的分组结果；

(13)设备确定所属分组：根据设备至基站距离与各组覆盖距离之间的关系，确定每个设备所属的分组；

进一步的，各分组产生前导码的步骤为：

(21)各组产生zc序列：根据每个分组的根索引号以及给定的序列长度生成zc序列；

(22)各组确定循环移位周期：循环移位周期要大于基站与小区边缘的最大往返时延，循环移位周期与小区半径、zc序列长度以及zc序列区间有具体的公式计算关系，能够确定循环移位周期的大小；

循环移位周期ncs的表达式为：

其中，r是小区半径，τds是最大传播时延，nzc表示zc序列长度，tseq表示zc序列生成前导码的长度区间，ng是额外保护的样本数量；

(23)各组产生前导码：将zc序列循环移位一个循环移位周期产生前导码，每组产生的前导码数量与zc序列长度和每组的循环移位周期大小有关；

zc序列循环移位n产生的前导码序列表示为：

其中ncs表示循环移位周期，nzc表示zc序列长度。

进一步的，所述m2m设备选择前导码的步骤包括：

(31)m2m设备确定可选前导码：每个m2m设备根据本组的前导码以及已经使用的情况确定自己可以选择的前导码；

(32)确定m2m设备的优先级：根据设备传送的数据业务类型的不同，将m2m设备分为不同优先级；

(33)高优先级设备选择前导码：高优先级设备具有优先选择前导码的权利；

(34)判断高优先级设备是否选择完毕：如果当前接入时隙中没有高优先级设备选择前导码，则可继续进行步骤(35)，否则步骤(33)继续进行，直到满足所有高优先级设备的需求；

(35)低优先级设备选择前导码：低优先级设备在剩余可用的前导码中选择前导码。

进一步的，所述m2m设备广播前导码的步骤包括：

(41)高优先级设备广播所选的前导码：高优先级设备选择前导码之后向所在的分组广播该前导码编号，具有同样高优先级的设备也不选择已广播的前导码；

(42)低优先级设备确定可用的前导码：低优先级设备收到广播信息后，更新自己的可使用前导码。

进一步的，所述(50)随机接入的步骤包括：

m2m设备成功选择前导码之后传送给基站所选的前导码；基站将收到的前导码排序并且为这些设备分配资源块，随后基站将前导码编号和分配的资源块回传给m2m设备；设备收到信息后继续向基站传输自身的id号；基站解码该id号后，回传给设备解码后的id号，设备随机接入基站成功。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)满足高优先级业务需求：本发明优先考虑对时延要求高的业务并将其定义为高优先级业务，此类业务可以优先选择前导码从而优先完成随机接入，满足低时延的需求；

(2)降低平均接入时延和接入冲突率：本发明将小区内所有m2m设备分组，各组使用的前导码互不干扰，从而降低各组设备在选择前导码时出现的选择冲突问题，进而最大限度地避免了接入冲突，因此平均接入时延随之降低；

(3)方法巧妙新颖、复杂度低：本发明采用的分组方法以及前导码分配方法较为新颖，并且复杂度不高便与推广到实际工程中使用。

附图说明

图1为本发明针对不同时延要求业务的前导码分配方法的主流程图。

图2为图1中小区设备分组步骤的流程图。

图3为图1中各组生成前导码步骤的流程图。

图4为图1中设备选择前导码步骤的流程图。

图5为图1中设备广播前导码步骤的流程图。

图6为图1中前导码分配结合小区分组的系统模型图。

图7为随机接入过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种m2m通信中基于不同时延业务的前导码分配方法，包括如下步骤：

(10)完成m2m设备分组：将小区以基站为中心划分为k组，所有m2m设备依据其空间位置确定自己所在的分组；

如图2所示，所述(10)小区设备分组步骤包括：

(11)确定小区分组数量：为了满足小区内所有设备的平均接入时延尽量小，将平均接入时延作为优化目标，建立平均接入时延与分组数量之间的函数关系，从而确定小区分组数量；

(12)确定各组覆盖距离：分组方法见附图6，每个分组以基站所在位置为中心，第一组是圆，其他分组均是圆环，确定各组的覆盖距离即可确定最后小区的分组结果。为了使平均接入时延最小，逐一确定各组的覆盖距离；

(13)设备确定所属分组：基于m2m设备的特点，即设备具有低移动性的特点，一般设备位置固定不变，根据设备至基站距离与各组覆盖距离之间的关系，从而确定每个设备所属的分组。

(20)每个分组产生前导码：每个分组根据各自的根索引产生前导码，各组产生的前导码用于该组设备随机接入使用；

如图3所示，所述(20)各组生成前导码步骤具体为：

(21)各组产生zc序列：根据每个分组的根索引号以及给定的序列长度生成zc(zadeoff-chu)序列。由于各个分组的根索引号不同，所以各组产生的前导码互不相同，各组设备相互独立地使用各自前导码，不存在相互竞争的关系；

(22)各组确定循环移位周期：循环移位周期要大于基站与小区边缘的最大往返时延，循环移位周期与小区半径、zc序列长度以及zc序列区间有具体的公式计算关系，可以确定循环移位周期的大小；

循环移位周期ncs的表达式为：

其中，r是小区半径(千米)，τds是最大传播时延(微秒)，nzc表示zc序列长度，tseq表示zc序列生成前导码的长度区间(米)，ng是额外保护的样本数量。由此可知循环移位周期与小区半径、zc序列长度以及zc序列区间的关系。

(23)各组产生前导码：将zc序列循环移位一个循环移位周期可以产生前导码，每组产生的前导码数量与zc序列长度和每组的循环移位周期大小有关。

zc序列循环移位n产生的前导码序列表示为：

其中ncs表示循环移位周期，nzc表示zc序列长度。

(30)m2m设备选择前导码：每个分组中优先级高的设备可以优先选择前导码，其他低优先级设备主动出让选择优先权；

如图4所示，所述(30)设备选择前导码步骤包括：

(31)m2m设备确定可选前导码：每个m2m设备根据本组的前导码以及已经使用的情况确定自己可以选择的前导码；

(32)确定m2m设备的优先级：根据设备传送的数据业务类型的不同，将m2m设备分为不同优先级。紧急类业务要求接入时延尽可能小的视为高优先级，反之为低优先级；

(33)高优先级设备选择前导码：高优先级设备具有优先选择前导码的权利，但是当多个高优先级设备在同一时刻选择同一前导码，结果将导致选择同时选择相同前导码的设备都接入失败，这些设备在选择前导码的过程中存在竞争关系。但是高优先级设备与低优先级设备之间不存在竞争关系，因为高优先级设备先选择，低优先级设备后选择，不会出现同时选择同一个前导码的情况；

(34)判断高优先级设备是否选择完毕：如果当前接入时隙中没有高优先级设备选择前导码，则可继续进行步骤(35)，否则步骤(33)继续进行，直到满足所有高优先级设备的需求；

(35)低优先级设备选择前导码：低优先级设备在剩余可用的前导码中选择前导码。

(40)m2m设备广播所选择的前导码：高优先级设备在选定前导码之后，在所在分组中广播自己选择的前导码，后续设备再选择前导码时避免选择相同的前导码；

如图5所示，所述(40)设备广播前导码步骤包括：

(41)高优先级设备广播所选的前导码：高优先级设备选择前导码之后向所在的分组广播该前导码编号，具有同样高优先级的设备也不选择已广播的前导码，避免发生前导码冲突；

(42)低优先级设备确定可用的前导码：低优先级设备收到广播信息后，更新自己的可使用前导码，避免选择已经广播的前导码。

(50)完成随机接入基站：m2m设备成功选择前导码之后，继续按照3gpp标准定义的随机接入过程接入基站，具体过程详见附图7。

所述(50)后续完成随机接入的步骤包括：

m2m设备成功选择前导码之后传送给基站所选的前导码；基站将收到的前导码排序并且为这些设备分配资源块，随后基站将前导码编号和分配的资源块回传给m2m设备；设备收到信息后继续向基站传输自身的id号；基站解码该id号后，回传给设备解码后的id号，设备随机接入基站成功。

图6所示为前导码分配结合小区分组的系统模型图。图中，g1,g2,...,gk表示k个分组。方形节点表示高优先级设备，圆形节点表示低优先级设备。g1和g2的根索引号r1和r2产生的前导码各不相同。两个分组中各有一个设备均选择前导码p1，但是彼此之间不会产生冲突，因为两分组前中前导码p1不同。

将m2m设备分成k个部分，使用集合g表示小区内所有设备的集合，g＝{g1,g2,...,gk}，并且满足g1∩g2∩...∩gk＝φ，|g1|+|g2|+...+|gk|＝n，其中|g表示集合g中m2m设备的数量，n是小区中所有设备的数量。覆盖距离集合表示为{r1,r2,...,rk}。第一组的m2m设备位于半径为r1的圆形范围内，其它组是落在相应环内的m2m设备，例如，第二组的m2m设备位于覆盖范围是r2的环形范围内。每个分组使用的根索引号各不相同，{r1,r2,...,rk}，从而保证不同组的设备之间选择的前导码互不相同。

本发明不仅可以满足优先级高业务的时延要求，降低m2m设备的平均接入时延，而且可以最大限度地避免前导码选择冲突，降低接入冲突率。