一种基于分布式组网的接入拥塞控制方法与流程

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种基于分布式组网的接入拥塞控制方法。

背景技术：

随着4g网络进入规模商用阶段，面未来的第五代移动通信(5g)网络已成为全球研发热点。移动互联网和物联网业务将成为移动通信网络发展的主要驱动力。

作为物联网最主要存在形式，机器与机器通信(machinetomachine,m2m)不同于传统的人与人之间(humantohuman,h2h)的通信，是指利用自动控制及网络通信等技术，在没有人为干预或极少干预的情况下实现机器与机器之间自主数据通信与信息交互的一系列技术或技术组合的总称，它为各种终端设备在系统之间、网络之间以及远程实体之间实时建立通信连接、传输数据提供了一种有效途径；不同的m2m应用需要不同的连接方案，对于需要广域覆盖或移动性需求的服务，现有的无线蜂窝网络可以为其提供连接；3gpp则将通过蜂窝网络进行数据传输的m2m通信称之为机器类通信(machinetypecommunication,mtc)，即学术界和业界熟知的移动m2m通信、蜂窝m2m通信或蜂窝物联网。mtc通信正在快速成为改变移动通信市场的生力军，其应用领域涵盖安全监测、货物跟踪、智能支付、医疗保健、远程监控、消费电子等重要行业，是未来通信系统不可或缺的重要组成部分。

未来的蜂窝物联网中，已为数十亿用户提供服务的移动通信系统还需要额外再容纳数百亿的设备。无论从接入网还是从核心网的角度来看，原有的网络架构及管理控制模式都已无法满足网络的巨连接服务需求。因此，如何大幅提升系统的接入能力成为迫切需要解决的问题。具体而言，面对海量接入需求，蜂窝网络中包括h2h和m2m的终端用户数量与密度将急剧上升，单纯依赖宏基站(macrobasestation,mbs)进行接入会造成网络拥塞和过载，无法满足服务需求。通过接入低功耗的小基站，或者利用其它补充通信方式，可以有效提高系统接入能力、减轻网络拥塞、提高服务质量、提高系统能效。

相比h2h应用，由于需要接入基站的mtc设备的数量很大，m2m应用中随机接入过载引起的数据包碰撞概率增大了很多；海量mtc设备导致的随机接入过载在很大程度上会引起网络系统性能的下降；海量mtc设备同时向基站发起接入请求时，易造成接入网过载及信令拥塞，进而导致mtc设备接入时延增大、分组数据包的丢失甚至服务中断。而且，90％以上的mtc设备是以低移动性少量数据业务为主，按照现有的承载技术，针对每个mtc设备建立承载的方案会使得大量的网络承载资源被mtc类业务所占用，mtc设备频繁地进行请求、建立连接、注销等操作，也会使得epc(evolvedpacketcore)网络产生大量的信令开销，以至于sae(systemarchitectureevolution)网络的高带宽优势无法体现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分布式组网的接入拥塞控制方法，mtc设备之间可以自主通信，建立连接以实现数据的传输汇聚，然后由汇聚了数据的mtc设备发起随机接入请求接入基站；在没有额外消耗基站接入资源的情况下，大大减少了直接跟基站通信的mtc设备的数量，缓解了海量mtc设备同时入网时带来的瞬时突发性接入拥塞。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于分布式组网的接入拥塞控制方法，包括以下步骤：

拥塞控制：事件触发mtc设备发起接入请求，mtc设备进入拥塞控制阶段：首先开始邻居节点发现过程，与邻居节点建立通信连接；通信建立成功后，则确定数据传输的时隙与频率，并进行保存，完成数据的组网和汇集；具体地，所述拥塞控制步骤包括以下子步骤：s01.当事件触发mtc设备的接收请求时，mtc设备等待一段随机长度的时间后打开射频部分；s02.mtc设备选择一个固定的频点，并在随机长度的时间段内进行监听；s03.在监听时间内，判断mtc设备是否接收到其他节点发来的邀请消息；若是，进入步骤s04；若否，进入步骤s05；s04.mtc设备作为受邀节点，与邀请节点建立通信连接，通信建立成功后，确定数据传输的时隙与频率，并进行保存，邀请节点进入组网完成状态，mtc设备返回步骤s02继续进行监听；s05.mtc设备作为邀请节点，广播邀请消息，并与响应的邻居节点建立通信，所有邻居节点均已完成接入过程后，数据汇集结束，进入基站接入步骤。

基站接入：汇集了数据的mtc设备向基站发起随机接入请求，直至接入成功。

其中，所述步骤s04包括以下子步骤：第一步、mtc设备作为受邀节点，在接收到其他节点发来的邀请消息后，等待一段随机长度，广播应答消息，并等待接收来自邀请节点的回复消息；第二步、mtc设备接收到来自邀请节点的回复消息后，选择一个未使用的频点、对通信时隙，发送响应消息，与邀请节点建立通信连接；第三步、邀请节点进入组网完成状态，mtc设备返回步骤s02继续进行监听。

其中，所述步骤s05包括以下子步骤：第一步、mtc设备作为邀请节点，广播邀请消息，并等待接收来自受邀节点的应答消息；第二步、在设定时间内，判断mtc设备是否能够接收到来自受邀节点的应答消息；若是，进入第三步；若否，认为所有邻居节点均已完成接入过程，数据汇集完成，直接进入基站接入步骤；第三步、mtc设备根据时隙分配情况，生成回复消息发送给应答节点，并等待接收应答节点的响应消息；第四步、mtc设备接收到应答节点的响应消息后，与应答节点建立通信连接，并返回步骤s02继续监听。

所述的邀请消息包括邀请节点的id和已经分配信道的邻居节点个数。

所述的应答消息包括邀请节点、受邀节点地址以及受邀节点的时隙分配状态，所述受邀节点的时隙分配状态，是指时隙分配时间表中是否为空。

所述回复消息包括指定的受邀节点、自己下一帧的时间节点，以及邀请节点和受邀节点的时隙分配状态；此外，所述回复消息还包括以下信息：若邀请节点和受邀节点的时隙分配时间表都不为空，则回复信息还包含邀请节点的时隙分配时间表；若邀请节点的时隙分配时间表不为空而受邀节点的时隙分配时间表为空，则回应信息包含信道的分配信息；若邀请节点的时隙分配时间表为空，则回复消息无其他信息。

所述的响应消息包括以下信息：若邀请节点和受邀节点的时隙分配时间表都为空，那么响应消息包含由受邀节点指定的信道；若邀请节点的时隙分配时间表不为空而受邀节点的时隙分配时间表为空，那么响应消息不包含信息；若邀请节点的时隙分配时间表为空而受邀节点的时隙分配时间不为空，那么响应消息包含由受邀节点指定的信道；若邀请节点和受邀节点的时隙分配时间表都不为空，那么响应消息包含根据邀请节点的时隙分配时间表和受邀节点的时隙分配时间表选择信道。

优选地，回应邀请消息的受邀节点只有一个时，该节点即为所述应答节点；回应邀请消息的受邀节点不止一个时，mtc设备从回应邀请消息的受邀节点中，选择应答最先到达或应答信号强度最大的节点，作为所述应答节点。

本发明的有益效果是：本发明中，mtc设备之间可以通过分布式组网的方式进行通信，建立连接以实现数据的传输汇聚，然后由汇聚了数据的mtc设备发起随机接入请求接入基站；在没有额外消耗基站接入资源的情况下，大大减少了直接跟基站通信的mtc设备的数量，缓解了海量mtc设备同时入网时带来的瞬时突发性接入拥塞。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明一个实施例的示意图；

图3为本发明的节点状态转移图；

图4为现有的随机接入方法与本申请中接入拥塞控制方法的时延理论比较示意图；

图5为平均时延仿真结果和理论分析的比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于分布式组网的接入拥塞控制方法，包括以下步骤：

拥塞控制：事件触发mtc设备发起接入请求，mtc设备进入拥塞控制阶段：首先开始邻居节点发现过程，与邻居节点建立通信连接；通信建立成功后，则确定数据传输的时隙与频率，并进行保存，完成数据的组网和汇集；具体地，所述拥塞控制步骤包括以下子步骤：s01.当事件触发mtc设备的接收请求时，mtc设备等待一段随机长度的时间后打开射频部分；s02.mtc设备选择一个固定的频点，并在随机长度的时间段内进行监听；s03.在监听时间内，判断mtc设备是否接收到其他节点发来的邀请消息(type1)；若是，进入步骤s04；若否，进入步骤s05；s04.mtc设备作为受邀节点，与邀请节点建立通信连接，通信建立成功后，确定数据传输的时隙与频率，并进行保存，邀请节点进入组网完成状态，mtc设备返回步骤s02继续进行监听；s05.mtc设备作为邀请节点，广播邀请消息(type1)，并与响应的邻居节点建立通信，所有邻居节点均已完成接入过程后，数据汇集结束，进入基站接入步骤。

基站接入：汇集了数据的mtc设备向基站发起随机接入请求，直至接入成功。

其中，所述步骤s04包括以下子步骤：第一步、mtc设备作为受邀节点，在接收到其他节点发来的邀请消息(type1)后，等待一段随机长度，广播应答消息(type2)，并等待接收来自邀请节点的回复消息(type3)；第二步、mtc设备接收到来自邀请节点的回复消息(type3)后，选择一个未使用的频点、对通信时隙，发送响应消息(type4)，与邀请节点建立通信连接；第三步、邀请节点进入组网完成状态，mtc设备返回步骤s02继续进行监听。

其中，所述步骤s05包括以下子步骤：第一步、mtc设备作为邀请节点，广播邀请消息(type1)，并等待接收来自受邀节点的应答消息(type2)；第二步、在设定时间内，判断mtc设备是否能够接收到来自受邀节点的应答消息(type2)；若是，进入第三步；若否，认为所有邻居节点均已完成接入过程，数据汇集完成，直接进入基站接入步骤；第三步、mtc设备根据时隙分配情况，生成回复消息(type3)发送给应答节点，并等待接收应答节点的响应消息(type4)；第四步、mtc设备接收到应答节点的响应消息(type4)后，与应答节点建立通信连接，并返回步骤s02继续监听。

所述的邀请消息(type1)包括邀请节点的id和已经分配信道的邻居节点个数。

所述的应答消息(type2)包括邀请节点、受邀节点地址以及受邀节点的时隙分配状态，所述受邀节点的时隙分配状态，是指时隙分配时间表中是否为空。

所述回复消息(type3)包括指定的受邀节点、自己下一帧的时间节点，以及邀请节点和受邀节点的时隙分配状态；此外，所述回复消息(type3)还包括以下信息：若邀请节点和受邀节点的时隙分配时间表都不为空，则回复信息还包含邀请节点的时隙分配时间表；若邀请节点的时隙分配时间表不为空而受邀节点的时隙分配时间表为空，则回应信息包含信道的分配信息；若邀请节点的时隙分配时间表为空，则回复消息(type3)无其他信息。

所述的响应消息(type4)包括以下信息：若邀请节点和受邀节点的时隙分配时间表都为空，那么响应消息(type4)包含由受邀节点指定的信道；若邀请节点的时隙分配时间表不为空而受邀节点的时隙分配时间表为空，那么响应消息(type4)不包含信息；若邀请节点的时隙分配时间表为空而受邀节点的时隙分配时间不为空，那么响应消息(type4)包含由受邀节点指定的信道；若邀请节点和受邀节点的时隙分配时间表都不为空，那么响应消息(type4)包含根据邀请节点的时隙分配时间表和受邀节点的时隙分配时间表选择信道。

在本申请的实施例中，回应邀请消息的受邀节点只有一个时，该节点即为所述应答节点；回应邀请消息的受邀节点不止一个时，mtc设备从回应邀请消息的受邀节点中，选择应答最先到达或应答信号强度最大的节点，作为所述应答节点。

如图2所示，在本申请的一个实施例中，假设mtc设备a、b、d需要接入基站，并向基站传输数据；首先，设备a、b、d通过拥塞控制步骤，在设备之间建立通信连接并进行数据聚合。mtc设备有数据需要向基站进行传输时，会触发其接入过程；首先，设备在随机的时间段内打开射频部分，然后在一个固定的频点上监听一个随机长度的时间。在图2中，假设mtc设备b首先打开射频进行监听，b在的监听时间结束后，还未收到其他节点的邀请消息type1，所以主动发出邀请，即广播一个邀请消息type1，而此时，b的邻居节点a和d还处于监听状态，因此，设备a和d在监听结束之前都能够收到设备b发送的type1消息。

设备a和d在收到mtc设备b发送的type1消息后，会等待一段随机的时间，然后广播其应答消息type2；图2中，设备a选择的随机时间短于设备d，因此，设备b首先收到的是设备a发送的type2消息。这里需要说明的是，可以根据需要，设置设备b选择哪个设备发送的type2消息，可以选择最先到达的应答者，也可以选择接收信号强度最大的应答者。

假设当设备b接收到a和d发送的邀请应答消息type2后，选择了最早到达的应答者a，并且立即发送一个type3消息给a；由于是广播消息，此时，设备d也会收到该消息，但type3消息中包含了与设备b建立通信连接的设备信息，所以，设备d会识别到自己与设备b建立通信连接失败，然后回到监听状态。

在设备a收到的type3消息中，将携带设备b的信道分配信息，该信息中包含设备b的下一个帧的起始时间；设备a会根据type3得到一个时间偏移，找出两个共同的空闲时间段作为时隙对，并分配给a和b之间的链路；然后，设备a选择一个随机的频点，将时隙对的位置信息以及选择的频点通过type4发送给设备b；当这些信息成功交换之后，a和b之间就完成了时隙分配和频率选择，可以切换到对应的时隙和频率进行数据传输，完成了数据汇聚。

如图3所示，在本发明中，节点的状态主要可以分为以下六种：空闲、监听、等待确认、组网完成、等待响应、请求接入基站。其中，空闲状态下，节点是处于休眠状态的。当没有事件触发，或者某一次通信过程结束之后，都会进入到该状态。监听状态对应于本发明的步骤s01～s03，当mtc设备有数据需要上传时，传输数据这一事件会触发节点进入监听状态。监听状态下，节点会在随机的时间段内打开射频部分，并且选择一个固定的频点监听一个随机长度的时间。若在监听时间内，节点收到邻居节点发来的邀请消息，则等待一个随机的时间后，广播应答消息。若在监听时间内没有收到其他节点发送的邀请消息，则节点主动发起邀请消息。等待确认和组网完成状态对应于本申请的步骤s04，等待确认状态下，由于在等待接收type3消息时有可能会出现碰撞的情况，即有两个及以上的邻居节点都发送了type3消息，而此碰撞概率取决于邻居节点的数量。因此，只有在正确接收到type3消息后，这对节点间的通信链路才能够建立成功。然后双方节点将按照彼此约定的时隙和频点进行后续的数据传输。通信过程完成后，接收数据的节点回到监听状态，而发送数据的节点进入组网完成状态；等待响应阶段对应于本申请的步骤s05，若节点在选择的监听时间内没有收到邀请消息type1，则会主动发送邀请消息，等待邻居节点的响应。若在一定的时间内收到响应消息，则按照正常的通信流程建立通信连接，传输数据。在收到邻居节点传输的数据之后，又进入监听状态，准备和下一个邻居节点通信。若在一定的时间内，该节点没有收到任何邻居节点的回复消息，则认为其邻居节点均已完成接入过程，此时即进入请求接入基站状态(对应于基站接入步骤)，主动向基站发起接入请求，传输汇聚完成的数据。

在图3所示的节点状态转移图中，各符号代表的含义如下表所示：

图3所示的状态转移图列出了网络中所有可能发生的状态转移过程，设pij表示网络中一个节点从状态si转移到sj的状态转移概率，我们用pij(t)表示pij在t时刻的值，用si(t)表示t时刻处于状态si的节点的数量，用符号si→sj表示节点从si状态转移到sj，则：

si→sj：sj(t+1)＝si(t)×pij(t)

具体到转移过程的每个状态，则有下面的结果：

s1(t+1)＝s0(t)×p01(t)+s2(t)×p21(t)+s4(t)×p41(t)；

s2(t+1)＝s1(t)×p12(t)-s2(t)×p21(t)；

s3(t+1)＝s2(t)×p22(t)；

s4(t+1)＝s1(t)×p14(t)-s4(t)×p41(t)-s4(t)×p45(t)；

s5(t+1)＝s4(t)×p45(t)。

本申请不需要mtc设备进行全网同步，只需要通信的两个mtc设备之间进行同步即可。因此，我们无法确切的知道每个mtc设备发送或接收消息的时刻，在进行理论计算时，只能估计一个平均值来代替。其中，p21(t)和p23(t)表达式中的p表示mtc设备在等待接收type3消息时可能发生碰撞的概率。即可能会有两个及以上的邻居节点都回复了type3消息，但只能选择一个节点进行通信，此碰撞概率取决于邻居节点的数量。

我们主要关注的目标是所有mtc设备成功接入基站的平均时延，因此，我们必须要知道每一时刻向基站发起接入请求的mtc设备的数量，即s5(t)的值。再通过上述计算式求解得到s5(t)后，可以通过对随机接入过程时延分析得到的结果进行计算，最后得到接入的平均时延。

考虑在半径为r的enodeb覆盖范围内，部署k个mtc设备。mtc设备在基站部署范围内均匀分布，每个mtc设备的通信范围为r，计算mtc设备通过随机接入过程接入基站需要的平均时延。部署参数如下表所示：

假设所有mtc设备全部接入基站需要发起i(i＝1，2，...，i)次随机接入请求。ki表示第i次发起随机接入请求的mtc的数量。

在第i次随机接入请求过程中，某个mtc设备发生碰撞的概率为：

mtc设备的平均接入时延为：

在本申请的实施例中，对本申请拥塞控制方法的时延进行了分析，并与传统的随机接入方法的时延进行比较，首先，对以下几个术语作描述。

信道监听时延：当节点在随机的时间段内打开射频后，会在一个固定的频点上对信道进行监听，监听一个随机长度的时间。这里监听的随机长度的时间就认为是信道监听时延，用tm来表示其平均值。

随机等待时延：当节点收到type1消息后，会等待一个随机的时间，然后广播应答消息type2，里等待的随机时间就是随机等待时延，用tw来表示其平均值。

传输时延：传输时延与信道带宽、数据包的长度以及编码机制等因素相关，包括设备间建立通信连接时握手消息的传输和数据包的传输，用ts来表示其平均值。

本发明的技术方案中，设备间数据包的传输数量较少，不会出现排队时延和退避时延。为了简化计算，我们将做进一步的假设，即忽略传播时延和数据处理时延。

拥塞控制方法的时延主要由两部分组成，包括拥塞控制阶段的时延和随机接入(基站接入)过程的时延。首先，我们分析拥塞控制阶段的时延，以图2所示的实施例为例：

开始时，设备a、b、d都处于空闲状态，当有数据需要传输时，触发接入过程。在图2中，设备b首先打开射频进行监听，监听随机长度的时间tm。在监听结束后，b未收到其他节点发送的邀请消息type1，则主动发出邀请，广播邀请消息type1。此时，设备a和d将收到设备b发送的type1消息。当设备a和d在收到type1消息后，会等待一段随机的时间tw，然后广播其应答消息type2。

当b收到邀请应答消息type2后，会立即发送type3消息给a。由于是广播消息，此时，设备d也会收到该消息。当设备d识别到自己与设备b建立通信连接失败，将回到监听状态。设备a会根据type3得到一个时间偏移，找出两个共同的空闲时间段作为时隙对，分配给a和b之间的链路。然后，设备a选择一个随机的频点，将时隙对的位置信息以及选择的频点通过type4发送给设备b。当这些信息成功交换之后，a和b之间就完成了时隙分配和频率选择，可以切换到对应的时隙和频率进行数据传输。则经过四次握手之后，消息传输的平均时延为4×ts。

由上述工作流程可知，某个mtc设备在拥塞控制阶段完成一次数据汇聚过程的平均时延为：

d1＝tm+tw+4×ts

而对于建立通信连接失败的设备来说，当识别到通信连接建立失败并回到监听状态后，可以认为其重新开始拥塞控制阶段。其时延必须包括从开始触发接入过程到最后进入监听状态的时间，这段时间包含在拥塞控制阶段部分。

接下来，我们分析第二阶段随机接入(基站接入)过程部分的时延。当数据汇聚节点在没有邻居节点需要通信的时候，拥塞控制阶段结束，该节点会向基站发起接入请求。所以，只需要知道i时刻基站覆盖范围内同时发起随机接入请求的mtc设备的数量ki即可：

为了验证接入拥塞控制方法的有效性，将现有的随机接入方法与本申请中采用的接入拥塞控制方法进行时延理论比较，得到的结果如图4所示。可以看出，海量mtc设备直接通过现有随机接入方法接入基站时，会经历巨大的接入时延，而且时延的大小会随着mtc设备数量的增加呈指数形式增大。对于某些低时延业务来说，这样的结果是无法接受的。在随机接入开始之前，采用本申请的接入拥塞控制方法，先进行拥塞控制，再随机接入基站，可以极大的减少mtc设备的接入时延。

在得到两种接入方法的理论计算结果后，对传统随机接入以及本申请的拥塞控制方法进行仿真；关注的性能指标为mtc设备成功接入基站所需要的平均接入时延；仿真参数如下表所示：

将仿真得到的平均时延与理论计算结果进行比较，得到的结果如图5所示，根据仿真结果可知，传统随机接入方法的仿真结果跟理论计算结果相吻合。而本申请的拥塞控制方法的仿真结果值高于理论计算结果的，这是由于在理论计算中，认为mtc设备在基站覆盖范围内的分布密度是相等的，而在实际仿真过程中，mtc设备的位置是随机产生的，所以得到的结果会有一定的误差。总体来说，本申请在随机接入之前，先进行拥塞控制，可以有效的降低mtc设备的接入时延。

综上所述，本发明中，mtc设备之间可以通过分布式组网的方式进行通信，建立连接以实现数据的传输汇聚，然后由汇聚了数据的mtc设备发起随机接入请求接入基站；在没有额外消耗基站接入资源的情况下，大大减少了直接跟基站通信的mtc设备的数量，缓解了海量mtc设备同时入网时带来的瞬时突发性接入拥塞。