一种窄带物联网的随机接入方法及装置与流程

本发明涉及物联网技术领域，特别是指一种窄带物联网的随机接入方法及装置。

背景技术：

窄带物联网(narrowbandinternetofthings，nb-iot)是3gpp定义的新一代蜂窝式物联网接入技术，用于低功耗的广域覆盖服务。由于其具有覆盖范围广、连接大、延迟敏感度低和功耗低的特点，在诸多物联网应用中具有广阔的应用前景。窄带物联网由于其窄带特性，终端在发起随机接入请求时可用的前导码资源非常有限，在智慧家庭、智能停车和共享单车等多服务类型共存的复杂业务场景中，随机接入过程中紧缺的前导码资源势必会导致激烈的前导碰撞，从而影响到网络吞吐量和系统时延等服务质量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种窄带物联网的随机接入方法及装置，能够提高随机接入前导码的利用率，提高服务质量。

基于上述目的，本发明提供了一种窄带物联网的随机接入方法，包括：

获取基站的位置信息，获取所有终端的位置信息和数据包上报周期；

根据所述基站的位置信息和所有终端的位置信息，确定所有终端到基站的距离，根据所述所有终端到基站的距离及所述数据包上报周期，构建特征值集合；

根据所述特征值集合对所有终端进行分簇；

根据每个簇到所述基站的距离，对所有簇进行分组；

对每个组内的簇分配相应的前导码集合。

可选的，设置分组距离阈值，判断所述簇到基站的距离与所述分组距离阈值的关系，根据判断结果，将簇划分入对应的组内。

可选的，对每个组内的簇分配相应的前导码集合的方法是，若组内仅有一个簇，则为该组分配的前导码集合为竞争类型随机接入前导码资源的全集。

可选的，对每个组内的簇分配相应的前导码集合的方法是，若组内包括多个簇，则：

计算同一组内各个簇之间的随机接入强度比例；

根据所述随机接入强度比例，为每个簇分配前导码集合。

可选的，根据所述随机接入强度比例，若存在比值小于1的簇，为该簇分配一个前导码，之后，对于组内剩余的簇，按照剩余的簇的随机接入强度比例，分配剩余的前导码资源。

可选的，所述方法还包括：终端从所属簇分配的所述前导码集合中随机选取一个前导码，进行随机接入请求。

本发明实施例还提供一种窄带物联网的随机接入装置，包括：

获取模块，用于获取基站的位置信息，获取所有终端的位置信息和数据包上报周期；

构建模块，用于所述基站的位置信息和所有终端的位置信息，确定所有终端到基站的距离，根据所述所有终端到基站的距离及所述数据包上报周期，构建特征值集合；

分簇模块，用于根据所述特征值集合对所有终端进行分簇；

分组模块，用于根据每个簇到所述基站的距离，对所有簇进行分组；

分配模块，用于对每个组内的簇分配相应的前导码集合。

可选的，所述分组模块，用于设置分组距离阈值，判断所述簇到基站的距离与所述分组距离阈值的关系，根据判断结果，将簇划分入对应的组内。

可选的，所述分配模块，用于判断组内簇的个数，若组内仅有一个簇，则为该组分配的前导码集合为竞争类型随机接入前导码资源的全集；若组内包括多个簇，则计算同一组内各个簇之间的随机接入强度比例，根据所述随机接入强度比例，为每个簇分配所述前导码集合。

可选的，根据所述随机接入强度比例，若存在比值小于1的簇，为该簇分配一个前导码，之后，对于组内剩余的簇，按照剩余的簇的随机接入强度比例，分配剩余的前导码资源。

从上面所述可以看出，本发明提供的窄带物联网的随机接入方法及装置，基站的位置信息和所有终端的位置信息，确定所有终端到基站的距离，根据所有终端到基站的距离及所述数据包上报周期，构建特征值集合；根据特征值集合对所有终端进行分簇；根据每个簇到基站的距离，对所有簇进行分组；对每个组内的簇分配相应的前导码集合。本发明的方法及装置，不同组内的终端可使用相同的前导码向基站发送随机接入请求，而不会发送前导碰撞，能够提高前导利用率，有效解决复杂业务场景中前导碰撞引起的网络吞吐量和系统时延等qos指标下降的问题，提高服务质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程示意图；

图2为本发明实施例的装置结构框图；

图3为本发明实施例的组划分拓扑示意图；

图4为窄带物联网的基准与终端的系统拓扑示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

图1为本发明实施例的方法流程示意图。如图所示，本发明实施例提供的窄带物联网的随机接入方法，包括：

s10：获取基站的位置信息，获取所有终端的位置信息和数据包上报周期；

本发明的方法尤其适用于复杂业务场景。复杂业务场景指包含多种服务类型终端的窄带物联网，例如一个基站同时接收来自智慧家庭、智慧酒店以及共享单车等服务的数据，不同服务类型的终端的数据包上报周期、数据包长度以及位置分布都有所区别。

在复杂业务场景中，确定窄带物联网的基站的位置信息，统计窄带物联网覆盖范围之内，所有终端的位置信息，统计各个终端向基站发送数据包的上报周期。

从基站获取所有终端的位置信息和数据包上报周期。具体是：终端初始接入基站时，需要发送注册信息，注册信息包括业务类型、数据包上报周期，终端在附着过程中向基站发送所属业务类型及当前的位置信息。由此，可从基站获取所有终端的业务类型、数据包上报周期及位置信息。所述位置信息为经度、纬度数据。

s11：根据所有终端到基站的距离及数据包上报周期，构建特征值集合；

根据基站的位置信息和各终端的位置信息，确定各终端到基站的距离，根据各终端到基站的距离、各终端向基站发送数据包的上报周期，构建特征值集合，特征值集合的每个数据元素为{li，ti}，li为终端i到基站的距离数据，ti为终端i的数据包上报周期数据。

为便于后续计算，可根据特征值集合构建二维特征值矩阵，或是特征值向量等数据形式。

其中，终端到基站的距离按照公式(1)计算：

其中，mlata和mlate分别为终端a和基站e的经度，若为东经取正值，若为西经取负值；mlona和mlone分别为终端a和基站e的纬度，若为北纬则取90-纬度值，若为南纬则取90+纬度值；r表示地球半径。终端a与基站e之间的距离为d。

s12：根据特征值集合，对所有终端进行分簇；

本发明实施例中，分簇方法可采用k-means算法。具体是，首先从特征值集合中随机选取k个样本作为聚类质心，计算剩余的待分配样本到每个聚类质心的距离，根据待分配样本到聚类质心的距离，将待分配样本分配到距离其最近的聚类质心所属簇内，分配之后，判断该簇的中心点是否发生变化，若发生变化，则更新簇的聚类质心，否则聚类过程结束，所有样本分配完成，得到k个簇，得到每个簇内的终端数量、位于每个簇的中心点对应的终端的数据包上报周期、每个簇的中心点对应的终端到基站的距离等信息。

其中，待分配样本到聚类质心的距离的计算公式为：

其中，d(xi,yi)为终端xi和终端yi之间的欧氏距离，di、dj分别为终端xi、终端yi到基站的距离，ti、tj分别为终端xi、终端yi的数据包上报周期，终端xi为待分配样本，终端yi为聚类质心。

于一具体实施例中，可根据经验值设置k的取值为6，即将所有终端划分为6个簇。然而，本发明不对簇的数量进行限定，在实际应用过程中，可根据实际情况对k的取值进行调整。

s13：根据每个簇到基站的距离，对所有簇进行分组；

本发明实施例中，将簇的中心点对应的终端的数据包上报周期作为所属簇的平均数据包上报周期，将簇的中心点对应的终端到基站的距离作为所属簇到基站的距离。

设置分组距离阈值，判断所述簇到基站的距离与所述分组距离阈值的关系，根据判断结果，将簇划分入对应的组内。具体是，设置分组距离阈值，将簇到基站的距离小于等于第一距离阈值(例如0.2千米)的簇划分为第一组，将簇到基站的距离大于第一距离阈值小于等于第二距离阈值的簇划分为第二组，以此类推，将簇划分入相应的组内。由于窄带物联网的随机接入前导码总数为48，所以每个组内的簇的数量大于等于1，小于等于48，以使同一组内的所有簇内的终端均可分配到前导码。

图4为窄带物联网的基准与终端的系统拓扑示意图。如图4所示，根据位置区域(trackingarea，ta)更新流程，两个终端同时向基站发送包含相同的前导码的随机接入请求，只要两个终端之间的距离足够远，则即使前导码相同，基站也能够区分开这两个随机接入请求，而不会发生前导碰撞。具体的，如图4所示，对于终端1(node1)和终端2(node2)，二者的距离d1大于一定的距离阈值，终端1和终端2同一时刻向基站发送包含相同前导码rapid1的随机接入请求，由于二者的距离d1大于分组距离阈值中的最大距离阈值，所以二者的随机接入请求到达基站的时间差足够大，基站能够判别生成并返回两个随机接入响应rar1和rar2；对于终端3(node3)和终端4(node4)，二者的距离d2小于距离阈值(例如小于第一距离阈值)，终端3和终端4之间的距离小于距离阈值，若同一时刻向基站发送包含相同前导码rapid2的随机接入请求，两随机接入请求到达基站的时间差较小，基站无法判别出是两个随机接入请求，所以仅生成一个随机接入响应rar3。

其中，随机接入响应包含接收到的前导码、上行资源data以及ta值，终端利用ta值进行ta更新流程。由于终端1到基站的距离与终端2到基站的距离相差较大，基站为终端1和终端2分配的ta值不同，终端1和终端2可根据随机接入响应中的ta值判断是否为发送给自己的数据包，并对发送给自己的数据包进行解码等后续处理。由此，根据到基站的距离对簇进行分组，即使不同组内的多个终端向基站发送相同的前导码，也不会发生前导碰撞，提高了前导码的使用率。

s14：对每个组内的簇分配相应的前导码集合；

为每个组分配前导码集合，每个组包括至少一个簇，前导码资源为48个相异的随机接入前导码。如果组内仅有一个簇，则为该组分配的前导码集合为竞争类型随机接入前导码资源的全集，本发明实施例中默认使用前导下标为1-48的前导码。

若组内包括两个及以上的簇，则按照以下方法分配前导码集合：

s141：计算同一组内各个簇之间的随机接入强度比例；

随机接入强度是一个簇在单位时间内发起的随机接入次数的度量。随机接入强度越大，表示这个簇内的终端发起随机接入越频繁。随机接入强度较大的业务对前导码资源的需求更大。上述k个簇所包含的终端个数以及各终端的数据包上报周期不同，k个簇的随机接入强度也不同。本发明实施例中，利用era-crpa算法，按照组内各个簇之间的随机接入强度比例分别为各个簇分配前导码集合，能够合理利用有限的前导码资源。

计算第k个簇的随机接入强度的公式为：

其中，nk表示第k个簇的终端总数，ti指第i个随机接入机会，本发明实施例中，假设fk(t)服从0-tk的均匀分布，tk为第k个簇的终端的平均数据包上报周期，这里tk为簇的中心点的终端的数据包上报周期，得到fk(t)＝1/tk，则第k个簇每个随机接入机会的随机接入强度为：

按照公式(4)计算同一组内各个簇的随机接入强度，然后计算各个簇之间的随机接入强度比例。计算随机接入强度比例时，最大随机接入强度的比值不得大于或者等于48。例如，某一组内包含第一、第二、第三共三个簇，按照公式(4)计算得到三个簇的随机接入强度分别为0.379、0.034和4.9760，则第一簇、第二簇、第三簇的随机接入强度比例为126:1:1659，由于最大比值1659大于48，所以需将随机接入强度比例126:1:1659化简为1:0.008:13。

s142：根据计算得到的随机接入强度比例，为每个簇分配前导码集合；

具体包括：

根据随机接入强度比例中的各比值，判断是否存在比值小于1的簇，若存在，则为比值小于1的簇分配1个前导码。这是因为，每个簇内的终端即使其数据包上报周期很小，但总会发起随机接入请求，一定存在前导码资源需求，所以，为保证业务需求，为每个簇分配的前导码数量不能少于1。因此，对于随机接入强度比值小于1的簇分配1个前导码。

对比值小于1的簇分配1前导码之后，对于组内剩余的簇，按照随机接入强度比例分配剩余的前导码资源。

对于以上实施例，第一簇、第二簇、第三簇的随机接入强度比例为1:0.008:13，其中，第二簇的比值为0.008,其小于1，所以为第二簇分配1个前导码，比如分配下标为1的前导码。之后，前导码资源剩余47个前导码，第一簇与第三簇按照二者的随机接入强度比例1:13，分配47个前导码，可得，第一簇分配3个前导码，比如分配下标为2-4的前导码集合，第三簇分配44个前导码，比如分配下标为5-48的前导码集合。

根据随机接入强度比例中的各比值，判断不存在比值小于1的簇，则按照随机接入强度比例分配前导码资源。

这样，按照上述方法对每个组内的所有簇分配相应的前导码集合，各个组的前导码资源均为数量为48的前导码。由于不同组内的簇到基站的距离不同，根据ta更新流程，即使不同组内的终端向基站发送了相同的前导码，基站也可区分出不同的终端，不会发生前导碰撞，使得相同的前导码资源可以在每个组重用，提高前导码资源的使用率，从而提高服务质量。

s15：终端在所属簇所分配的前导码集合中随机选取前导码用于发起随机接入请求。

终端向基站发送随机接入请求时，从分配给所属簇的前导码集合中随机选取一个前导码即可。对于以上实施例，对于第一簇内的终端，可从下标为2-4的前导码集合中随机选取一个前导码，对于第二簇内的终端，可选取下标为1的前导码，对于第三簇内的终端，可从下标为5-48的前导码集合中随机选取一个前导码。

图2为本发明实施例的装置结构框图。如图所示，本发明实施例提供的窄带物联网的随机接入装置，包括：

获取模块，用于获取基站的位置信息，获取所有终端的位置信息和数据包上报周期；

从基站获取所有终端的位置信息和数据包上报周期。具体是：终端初始接入基站时，需要发送注册信息，注册信息包括业务类型、数据包上报周期，终端在附着过程中向基站发送所属业务类型及当前的位置信息。由此，可从基站获取所有终端的业务类型、数据包上报周期及位置信息。所述位置信息为经度、纬度数据。

构建模块，用于根据所有终端到基站的距离及数据包上报周期，构建特征值集合；

所述构建模块用于根据基站的位置信息和各终端的位置信息，确定各终端到基站的距离，根据各终端到基站的距离、各终端向基站发送数据包的上报周期，构建特征值集合，特征值集合的每个数据元素为{li，ti}，li为终端i到基站的距离数据，ti为终端i的数据包上报周期数据。

为便于后续计算，可根据特征值集合构建二维特征值矩阵，或是特征值向量等数据形式。其中，终端到基站的距离按照公式(1)计算。

分簇模块，用于根据特征值结合对所有终端进行分簇；

本发明实施例中，分簇方法可采用k-means算法。具体是，首先从特征值集合中随机选取k个样本作为聚类质心，计算剩余的待分配样本到每个聚类质心的距离，根据待分配样本到聚类质心的距离，将待分配样本分配到距离其最近的聚类质心所属簇内，分配之后，判断该簇的中心点是否发生变化，若发生变化，则更新簇的聚类质心，否则聚类过程结束，所有样本分配完成，得到k个簇，得到每个簇内的终端数量、位于每个簇的中心点对应的终端的数据包上报周期、每个簇的中心点对应的终端到基站的距离等信息。

其中，待分配样本到聚类质心的距离可按公式(2)计算。

分组模块，用于根据每个簇到基站的距离，对所有簇进行分组；

本发明实施例中，将簇的中心点对应的终端的数据包上报周期作为所属簇的平均数据包上报周期，将簇的中心点对应的终端到基站的距离作为所属簇到基站的距离。

所述分组模块用于设置分组距离阈值，判断所述簇到基站的距离与所述分组距离阈值的关系，根据判断结果，将簇划分入对应的组内。具体是，设置分组距离阈值，将簇到基站的距离小于等于第一距离阈值(例如0.2千米)的簇划分为第一组，将簇到基站的距离大于第一距离阈值小于等于第二距离阈值的簇划分为第二组，以此类推。由于窄带物联网的随机接入前导码总数为48，所以每个组内的簇的数量大于等于1，小于等于48，以使同一组内的所有簇内的终端均可分配到前导码。

分配模块，用于对每个组内的簇分配相应的前导码集合。

为每个组分配前导码集合，每个组包括至少一个簇，前导码资源为48个相异的随机接入前导码。所述分配模块首先判断组内簇的个数，如果组内仅有一个簇，则为该组分配的前导码集合为竞争类型随机接入前导码资源的全集，本发明实施例中默认使用前导下标为1-48的前导码。如果组内包括两个及以上的簇，则按照以下方法分配前导码集合：

计算同一组内各个簇之间的随机接入强度比例；

根据计算得到的随机接入强度比例，为每个簇分配前导码集合。

具体包括：

根据随机接入强度比例中的各比值，判断是否存在比值小于1的簇，若存在，则为比值小于1的簇分配1个前导码。对比值小于1的簇分配1前导码之后，对于组内剩余的簇，按照随机接入强度比例分配剩余的前导码资源。

根据随机接入强度比例中的各比值，判断不存在比值小于1的簇，则按照随机接入强度比例分配前导码资源。

这样，按照上述方法对每个组内的所有簇分配相应的前导码集合，各个组的前导码资源均为数量为48的前导码。由于不同组内的簇到基站的距离不同，根据ta更新流程，即使不同组内的终端向基站发送了相同的前导码，基站也可区分出不同的终端，不会发生前导碰撞，使得相同的前导码资源可以在每个组重用，提高前导码资源的使用率，从而提高服务质量。

其中，计算簇的随机接入强度的公式为公式(4)。

所述随机接入装置还包括：

选取模块，用于终端发送随机接入请求时，在所属簇所分配的前导码集合中随机选取前导码。

终端向基站发送随机接入请求时，从分配给所属簇的前导码集合中随机选取一个前导码即可。对于以上实施例，对于第一簇内的终端，可从下标为2-4的前导码集合中随机选取一个前导码，对于第二簇内的终端，可选取下标为1的前导码，对于第三簇内的终端，可从下标为5-48的前导码集合中随机选取一个前导码。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。