一种基于lte的巨量m2m通信分组接入方法

一种基于lte的巨量m2m通信分组接入方法
【专利摘要】一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法简称本方法，为：1)基站对M2M通信设备分组；2)分组后每一簇头与基站同时设定再分组时间并启动再分组定时器；3)基站覆盖范围内的M2M通信设备通过非蜂窝无线网络与设备组成员及簇头组网；4)分组后所有设备组成员发送业务数据及控制信息至该组成员所在设备组的簇头：5)每一个簇头将收集的4)中所在设备组组成员发送至簇头的业务数据及控制信息发送至基站；6)基站及簇头判断2)中启动的再分组定时器是否到时并跳至4)或1)。本发明能适应不同M2M通信设备密度，还可通过设定分组簇头及再分组时间减小LTE随机接入网负担、加快分组速度；从而大幅减小核心网信令拥塞及资源浪费。
【专利说明】
一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，属于无线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着物联网的推行，5G技术趋于成熟，M2M(Machine-t〇-Machine)通信得以迅速发 展。M2M通信能够提供设备与设备之间的网络连接而无需人的参与，使得自动化的应用成为 可能。M2M通信应用范围极广，涉及到各个行业，也是物联网、智慧城市的支撑。M2M应用可分 为电子健康(e-Health)，智能环境，智能传输，安保和公共安全以及其他未来新型应用等四 类;M2M应用的普及可提高人们在家，生活，旅行等等的生活质量，受到广大的消费者的青 睐，具有潜在的市场。
[0003] 巨量用户是M2M通信应用最典型的特点，也是制约其发展的主要难点。如此多的 M2M通信设备基于LTE(Long Term Evolution)通信不仅带来随机接入网（RAN,Random Access Network)的过载现象，还将导致核心网（CN，Core Network)的信令拥塞。随机接入 过程是M2M通信设备接入网络的第一步，涉及了两个上行信道和两个下行信道，即物理随机 接入信道（PRACH，Physical Random Access Channel)、物理上行共享信道（PUSCH， Physical Uplink Share Channel)、物理下行共享信道（PDSCH，Physical Downlink Share Channel)以及物理下行控制信道(PDCCH, Physical Downlink Control Channel)。当如此 多的M2M通信设备同时接入LTE时，LTE随机接入资源受限。FDD-LTE模式下，PRACH每秒最多 可提供的机会数为54000(PRACH的密度配置为每帧10个，且10个前导序列(preamble)预留 给非竞争接入），这个数值远远低于M2M通信系统的需求，因此M2M通信接入过程碰撞概率高 成功率低，而当M2M设备尝试重复接入时，将产生连续性碰撞。接入成功率低将引起数据包 丢失，额外的能耗开销，无线资源浪费，无法容忍的时延等问题。此外，巨量M2M通信设备与 EPC(Evolved Packet Core)的信息交互，也将引起核心网的信令拥塞。为此，巨量M2M通信 在LTE系统中的拥塞现象已成为研究热点，并有许多拥塞解决办法。
[0004] 申请号= 201010175853.0,发明名称:机器类型通讯的接入控制方法和设备及通信 系统的专利，揭示了利用接入控制信息控制机器类通信设备接入的方法，但采用该方法将 带来额外的信令交互，在接入设备多时甚至会造成信令过载。申请号= 201110117063.1，发 明名称:控制终端接入的方法及系统、移动管理单元的专利，阐述了一种接入方法，该方法 为每一个设备设置了时间控制特性信息，然而该时间控制特性信息的设置缺乏实时性，且 时间特性控制信息的获取和反馈时延较大不适用于机器类通信设备警报信息的发送。3GPP TR 37.868提出了 ACB机制、EAB机制及时隙接入机制以解决基于LTE的巨量M2M通信系统接 入过载问题，其中：ACB机制和EAB机制均需要对MTC设备分类，每个设备发起接入前根据基 站广播的接入类别禁止信息判断自己是否被禁止接入以及退避时间，ACB机制中接入类别 禁止因子过高会引入较大时延和高网络负载，过小会引起资源碰撞，然而接入类别禁止因 子的设计复杂度高。
[0005] IEEE Transactions on Wireless Communication，vol?11"Cooperative Access Class Barring for Machine-to-Machine Communications"给出了一种协作接入类别禁 止因子的计算方法，然而多个基站联合设计接入类别禁止因子不但会增加计算复杂度还会 带来不可忽略的信令开销。EAB机制缺少启动时间及接入禁止因子的设计方法，时隙接入机 制资源利用率低甚至带来不可容忍的时延，因此分组接入机制更优。IEEE BlackSeaCom "Random Access Design for Clustered Wireless Machine to Machine Networks"揭不 了在分组接入中接入资源全复用的可行性，然而文章所提的分组接入机制中组成员依然采 用LTE基于竞争的随机接入过程连接簇头，不可避免的引入错误警报问题，在M2M设备数在 2.5万/宏小区时成功率已经低于20%，并且如其他分组接入的文献一样未给出M2M通信设 备分组的具体办法。对现有典型的分簇机制，K-Means算法需要已知总的M2M设备数并固定 簇的个数，限制了分组接入机制的灵活性，忽略了 M2M设备随机分布和低移动性。
[0006] 上述已有的巨量M2M通信接入控制技术虽然能控制M2M通信设备的接入时间，减小 接入碰撞概率，但是在M2M设备数巨大时，接入时间控制信息设置所需信息的上传及接入时 间控制信息的获取和下发需要大量信令交互，依然存在信令过载问题;在特殊情形下，发送 警报信息的M2M通信设备或高优先级设备采用与普通设备相同的接入流程会有不可容忍的 时延。本发明的目的旨在克服LTE接入资源受限导致的接入碰撞率高、成功率低，信令过载， 无线资源浪费技术问题，提出一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法。
[0007] 分组接入机制中，只有组头直接与基站进行通信，结合巨量M2M通信业务低移动 性、小数据包、周期性等特点，通过合理设计分组接入机制能够同时减轻LTE随机接入网及 核心网的拥塞现象，并且分组接入机制可减小M2M通信设备的能耗开销。而分组接入机制的 优异性在很大程度上取决于一个好的分组方式，因此在本发明提出的一种基于LTE的巨量 M2M通信分组接入方法中给出了符合巨量M2M特性的分组过程。分组接入机制对簇头的要求 较高，例如具有足够大容量的存储器和好的信道状态，分组后的M2M通信系统若有合理的拓 扑结构将利于组内通信。
[0008] 本发明致力于提出一种分组接入方法，使得对巨量M2M通信设备分组合理，在获得 合理网络拓扑结构的同时进一步减小基于LTE系统的巨量M2M通信设备接入过程中的碰撞 概率、提高接入成功率、减轻随机接入网和核心网的拥塞现象。

【发明内容】

[0009] 本发明的目的是克服现有技术的信令开销过大、接入碰撞率较高以及接入成功率 较低的技术现状，提出了一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法。
[0010] 一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，也称为本方法，适用于具有一般M2M通 信业务特点的巨量用户特性的M2M通信系统，称为本系统；
[0011] 本系统包含基站、M2M通信设备服务器、信道以及基站覆盖范围内的所有M2M通信 设备；
[0012] 其中，基站中包含再分组定时器，记为再分组定时器A;每一个M2M通信设备均包含 存储器和再分组定时器，记为再分组定时器m;其中，下标i代表第i个M2M通信设备；
[0013] M2M通信设备服务器管理所有M2M通信设备并和基站通信;M2M通信设备服务器发 送命令给基站，所述的M2M通信设备服务器发送给基站的命令包含两种，即预先设定簇头命 令和跳转命令，所述的预先设定簇头命令指示基站需要根据M2M通信设备的存储器状态或 信道状态预先设定簇头，且预先设定簇头命令中包含了一个或多个被选作预先设定簇头的 M2M通信设备的编号，记为j，表示第j个M2M通信设备；所述的跳转命令指示基站无需根据 M2M通信设备的存储器状态或信道状态预先设定簇头；
[0014] 一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，具体步骤如下：
[0015] 步骤1，基站对M2M通信设备分组，具体为：
[0016]基站通过M2M通信设备的相似度信息对基站覆盖范围内的所有M2M通信设备进行 分组，并将分组结果发送至所有M2M通信设备，具体为：
[0017]步骤1.1，基站覆盖范围内的所有M2M通信设备发起随机接入，并将各自的位置信 息及分组所需信息发送至基站；
[0018] 其中，基站覆盖范围内的所有M2M通信设备集合，记为V;所有M2M通信设备上报基 站的分组所需信息内容应保持一致且分组所需信息可以是优先级以及存储器状态为主的 信息，也可以为空；
[0019] 步骤1.2，基站接收步骤1.1输出的所有M2M通信设备的位置信息及分组所需信息； [0020]步骤1.3，基站根据步骤1.2接收的所有M2M通信设备的位置信息及分组所需信息 进行分组，具体为：
[0021] 步骤1.31基站判断接收到的所有M2M通信设备上报的分组所需信息中是否包含了 优先级信息，并进行相应操作：
[0022] 其中，所述的优先级信息包含高优先级和低优先级；
[0023] 1.311若包含优先级信息，则根据M2M通信设备上报的优先级信息，将高优先级的 设备各自独立成组，记高优先级的M2M通信设备集合为C，跳至步骤1.32;
[0024] 1.312若未包含优先级信息，设置集合C为空集，跳至步骤1.32;
[0025] 步骤1.32计算剩余M2M通信设备的相似度信息；
[0026]其中，所述的剩余M2M通信设备，即包含于集合V中但不在集合C中的M2M通信设备， 记其数量为N，所述的相似度信息，记为S(i，k)，i，kG [ 1，N]，i和k代表第i个和第k个M2M通 信设备;所述相似度信息S(i，k)为负值，为负欧氏距离，其计算方法为公式(1):
[0027] S(i,k)=-| |xi-xk| |2 (1);
[0028] 其中，xi和xk分别代表第i个和第k个M2M通信设备的位置；
[0029] 步骤1.33计算步骤1.32输出的相似度信息的中值，具体为：
[0030] 步骤1.331将5(1，1〇4少￡[1，幻转化成一维数组乂(」），具体为：
[0031] x(j)=S(i，k)，j = (i-l)*N+k，i，kG[l，N] (2)；
[0032]步骤1.332将X( j)从小到大排序得到X'（ j);
[0033]步骤1.333判断N的奇偶性，并进行相应操作：
[0034] 1.333a若N为奇数，则相似度信息的中值可以通过公式(3)计算
⑶，
[0037] 1.333b若N为偶数，则相似度信息的中值可以通过公式(4)计算：
(%
[0039] 其中，1 ? 333a和 1 ? 333b中的median_s为相似度信息S(i，k)，i，kG [ 1，N]的中值；
[0040] 步骤1.34基站根据步骤1.33计算出的相似度信息的中值更新部分相似度信息，具 体通过公式(5)更新：
[0041] S( i，i) =median_s，i G [ 1，N] (5);
[0042]步骤1.35基站接收M2M通信设备服务器发来的命令，并根据接收到的命令进行相 应操作，分为如下两种情况：
[0043] 若基站收到的是预先设定簇头命令，则基站需要预先设定簇头;若基站收到的是 跳转命令，则基站无需预先设定簇头;具体为：
[0044] 1.351若基站收到的是预先设定簇头命令，则基站需要根据M2M通信设备存储器状 态或信道状态预先设定簇头，具体为：
[0045]读取预先设定簇头命令中被选作预先设定簇头的M2M通信设备的编号j，j表示第j 个M2M通信设备，按公式(6)改变步骤1.34输出的相似度信息S( j，j):
[0046] S(j，j) = (l_a) ? median_s，aG(〇，1) (6)；
[0047]其中，所述的簇头是指M2M通信设备分组后负责收集设备组内M2M通信设备的控制 信息及业务数据并负责与基站通信的M2M通信设备，设备组指分组后具有相同簇头的一个 或多个M2M通信设备的集合;公式(6)中的a代表簇头因子，其取值范围为〇到1，但是不包括〇 和1的实数，优选的a值为0.5，跳至步骤1.36;
[0048] 1.352若基站收到的是跳转命令，则基站无需根据M2M通信设备存储器状态或信道 状态预先设定簇头，跳至步骤1.36;
[0049]步骤1.36基站初始化M2M通信设备的倾向程度和可靠程度，具体为：
[0050]基站初始化M2M通信设备的倾向程度和可靠程度为： I(i.k) = S(iJ.)-max {S(/.A')|, i.k eLl.NJ；
[0051 ] { 1 (7) T{i.k) = (), /.A gLI.NJ
[0052] 其中，I (i，k)为倾向程度，表示M2M通信设备i选择M2M通信设备k作为M2M通信设备 i的簇头的倾向程度;T( i，k)为可靠程度，表示M2M通信设备k认为M2M通信设备i选择M2M通 信设备k作为簇头的可靠程度;公式(7)中表示固定i遍历k'找到的相似度信息 的最大值，k'的取值范围为1到N内不包含k的整数；
[0053]步骤1.37迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组，具体为：
[0054]其中，所述迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组操作共执行S次，S 的取值范围为10到100之间的整数;每次执行迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度 及分组操作包含步骤1.371和步骤1.372，具体为：
[0055]步骤1.371基站更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度，具体为： rnn \l(Lk) = /3-l^(Lk) + {\-P)-!!!m(Lk), /,Aen，Nl；
[0056] ，： （8 ! 7 (/,k) = j3- 7：n;(/, A) 4-(I -/?) -(/, A), /, A e [1, N1 _
[0057]其中，P是抗抖动因子;Iiast(i，k)和Tiast(i，k)为上次更新的M2M通信设备的倾向程 度和可靠程度，若为首次迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度，Iiast(i，k)和Tiast (i，k)，i，ke [1，N]的元素均为0;Inew(i，k)和Tnew(i，k)由公式(9)计算得出： = ) + 5(//c )ij\k e[KN]; r _ ( a .
[0058] ' Tth,v (i\ k) = min < 0,1(k. k } -r ^ max |〇, /(/, k)| ^ k I L/\k e [ K N]; (9) l Z 4 J Tlicu ij\ k) ：= ^ max |〇, I(/, k )|, l=k 11 k e [1, N] 、 i^k
[0059] 其中，公式(9)中的Tyh(/，/〇 + S(/U')j表示固定i遍历k'找到的T(i，k'）与S(i， k'）和的最大值，k'的取值范围为1到N内不包含k的整数;公式(9)中的表 i 宅{ijc\ 示固定k遍历i'找到所有数值大于0的I(i'，k)并求和，i'的取值范围为1到N内不包含i和k 的整数；公式（9)中的:min<j〇，/〇,幻 + Z max{〇，/(i>)||?表示取 〇 和"Kl+.S
[ Uim J 崎別 之中的较小值；
[0060] 其中，公式（9)中的Imaxp，7" 表示固定k遍历i'找到所有数值大于0的I i (i'，k)并求和，i'的取值范围为1到N内不包含k的整数；
[0061 ]步骤1.372根据步骤1.371中所得结果进行分组，具体为：
[0062] 记步骤1.32中所述的剩余M2M通信设备，即在集合V且不在集合C内的设备，其集合 为剩余设备集;对每一个剩余设备集中的M2M通信设备i，遍历k'找到设备k'使取 到最大值，则设备k'为设备i所属设备组的簇头，k'的范围为1到N之间的整数：
[0063] mit(i,k,) = I(i,k,)+T(i,k,) (10)
[0064] 步骤1.4，基站存储步骤1.3的分组结果，并将分组结果发送至基站覆盖范围内的 所有M2M通信设备；
[0065]所述的基站发送至所有M2M通信设备的分组结果只包含该M2M通信设备所在设备 组的组成员及簇头相关信息，不包含除本设备组的其余M2M通信设备的分组结果；
[0066]所述的组成员指设备组中除簇头外的M2M通信设备的集合；
[0067]步骤1.5,所有M2M通信设备接收并存储基站下发的分组结果，并断开与基站的连 接；
[0068] 步骤2,分组后的每一个簇头与基站同时设定再分组时间并启动再分组定时器；
[0069] 其中，所述的再分组时间，即重新分组时刻，记为T，所述的再分组时间，优选的可 设定为蜂窝网业务量少的凌晨；
[0070] T的范围是00:00am 到06:00am;
[0071]步骤3,基站覆盖范围内的每一个M2M通信设备通过非蜂窝无线网络与该M2M通信 设备所在设备组的组成员及簇头组网；
[0072]其中，非蜂窝无线网络主要包括Wi-Fi、蓝牙；
[0073]步骤4,分组后的所有设备组的每一个组成员发送业务数据及控制信息至该组成 员所在设备组的簇头：
[0074] 步骤5,每一个簇头将收集到的步骤4中所在设备组的组成员发送至簇头的业务数 据及控制信息发送至基站；
[0075] 步骤6,基站及每一个簇头判断步骤2中启动的簇头与基站的再分组定时器是否到 时，并决定跳至步骤1还是步骤4,具体为：
[0076] 6.1若再分组定时器时间已到，则需进行重新分组，转至步骤1;
[0077] 6.2若再分组定时器时间未到，则跳至步骤4;
[0078] 至此，从步骤1到步骤6,完成了一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法。
[0079]有益效果
[0080] 一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，对比现有的巨量M2M通信分组及接入 方法，具有如下有益效果：
[0081] 1.本发明根据位置信息以及优先级为主的信息对M2M通信设备分组，能够适应不 同的M2M通信设备密度，并得到合理的网络拓扑；
[0082] 2.本发明根据M2M通信设备以存储器状态以及信道状态为主的信息预先设定分组 簇头；
[0083] 3.本发明再分组时间可设定为蜂窝网业务量少的凌晨，以减小蜂窝网的负担、加 快分组速度；
[0084] 4.采用本发明所提分组接入方法能够大幅减小接入碰撞概率，有效提高接入成功 率，并大幅减小核心网的信令拥塞，进而减小因碰撞而产生的资源浪费。
【附图说明】
[0085]图1为本发明一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法的流程图；
[0086] 图2为本发明实施例1中对于随机分布在100m*100m范围内的25个M2M通信设备在 无高优先级M2M通信设备且不需预先设定簇头情况下，实施本发明所提方法的分组结果；
[0087] 图3为本发明实施例2中对于随机分布在100m*100m范围内的50个M2M通信设备在 无高优先级M2M通信设备且不需预先设定簇头情况下，实施本发明所提方法的分组结果；
[0088] 图4为本发明实施例3中对于随机分布在100m*100m范围内的400个M2M通信设备在 无高优先级M2M通信设备且不需预先设定簇头情况下，实施本发明所提方法的分组结果；
[0089] 图5为本发明实施例4中对于随机分布在100m*100m范围内的25个M2M通信设备在 有2个高优先级M2M通信设备且有2个预设定簇头情况下，实施本发明所提方法的分组结果， 其中，图5中实心方块表示高优先级M2M通信设备，图5中实心圆表示被选作预先设定簇头的 M2M通信设备。
[0090] 图1是本发明的流程图，由图1可以看出，本发明包括六个步骤对应说明书主体的 步骤1至步骤6，步骤1为基站对M2M通信设备分组，包含步骤1.1至步骤1.5，内容较多，因此 为使流程图简洁清晰，在图1中步骤1处设置了入口 P1和出口 P2。
[0091] 从图1中的入口P1可以看出，P1与步骤1.1相连，步骤1.5与步骤1的出口P2相连;图 1中步骤1.3又包含七个步骤，分别与说明书主体中的步骤1.31至步骤1.37对应。
【具体实施方式】
[0092]为使本发明的目标，技术方案及优点更加清楚明确，下面将结合附图对本发明的 实施例进行详细的描述。
[0093] 实施例1
[0094] 本实施例具体阐述25个M2M通信设备随机分布在100m*100m的范围内，并且此25个 M2M通信设备中没有高优先级的设备，M2M设备服务器命令不需要预先设定簇头情况下，应 用本发明所提方法的实施过程。
[0095]本实施例的实施步骤与说明书主体中的步骤1至步骤6相同；
[0096]其中，步骤1.32按公式（1)计算相似度信息；步骤1.35中的簇头因子a = 0.5;步骤 1.37中迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组操作共执行S次，S值为30;步骤 1.37中的抗抖动因子0 = 0.5。
[0097]图2为本实施例1的分组结果，图2中的横轴纵轴表示M2M设备的二维位置坐标轴， 空心圆圈表示M2M通信设备，连接两个空心圆圈的箭头表示分组结果，箭头终点为箭头起点 的M2M通信设备所在设备组的簇头。
[0098]由图2可以看出，此时每平方千米范围内有2500个M2M通信设备，即M2M通信设备的 密度较小。因此，在本实施例涉及的场景下:25个M2M通信设备随机分布于100m*100m的范围 内，没有高优先级以及不需预先设定簇头，采用本发明后，能够根据M2M通信设备的位置信 息有效分组，并且分组后的网络拓扑合理。
[0099] 实施例2
[0100] 本实施例具体阐述50个M2M通信设备随机分布在100m*100m的范围内，并且此50个 M2M通信设备中没有高优先级的设备，M2M设备服务器命令不需要预先设定簇头情况下，应 用本发明所提方法的实施过程。
[0101]本实施例的实施步骤与说明书主体中的步骤1至步骤6相同；
[0102]其中，步骤1.32按公式（1)计算相似度信息；步骤1.35中的簇头因子a = 0.5;步骤 1.37中迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组操作共执行S次，S值为30;步骤 1.37中的抗抖动因子0 = 0.5。
[0103]图3为本实施例2的分组结果，图3中的横轴纵轴表示M2M设备的二维位置坐标轴， 空心圆圈表示M2M通信设备，连接两个空心圆圈的箭头表示分组结果，箭头终点为箭头起点 的M2M通信设备所在设备组的簇头。
[0104]由图3可以看出，此时每平方千米范围内有5000个M2M通信设备，即M2M通信设备的 密度适中。因此，在本实施例涉及的场景下:50个M2M通信设备随机分布于100m*100m的范围 内，没有高优先级以及不需预先设定簇头，采用本发明后，能够根据M2M通信设备的位置信 息有效分组，并且分组后的网络拓扑合理。
[0105] 实施例3
[0106] 本实施例具体阐述400个M2M通信设备随机分布在100m*100m的范围内，并且此400 个M2M通信设备中没有高优先级的设备，M2M设备服务器命令不需要预先设定簇头情况下， 应用本发明所提方法的实施过程。
[0107]本实施例的实施步骤与说明书主体中的步骤1至步骤6相同；
[0108]其中，步骤1.32按公式（1)计算相似度信息；步骤1.35中的簇头因子a = 0.5;步骤 1.37中迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组操作共执行S次，S值为30;步骤 1.37中的抗抖动因子0 = 0.5。
[0109]图4为本实施例3的分组结果，图4中的横轴纵轴表示M2M设备的二维位置坐标轴， 空心圆圈表示M2M通信设备，连接两个空心圆圈的箭头表示分组结果，箭头终点为箭头起点 的M2M通信设备所在设备组的簇头。
[0110]由图4可以看出，此时每平方千米范围内有40000个M2M通信设备，即M2M通信设备 的密度较大。因此，在本实施例涉及的场景下:400个M2M通信设备随机分布于100m*100m的 范围内，没有高优先级以及不需预先设定簇头，采用本发明后，能够根据M2M通信设备的位 置信息有效分组，并且分组后的网络拓扑合理。
[0111] 从图4的分组结果可知，采用本发明提出的一种基于LTE的巨量M2M通信分组方法 后，400个M2M通信设备分成18个组，并选出了18个簇头，本实施例中只有18个簇头会各自将 收集到的M2M通信设备发送至簇头的业务数据及控制信息发送至基站，也就是说接入用户 数从原来的400减小为18,仅4.5 %的M2M通信设备直接与基站通信参与LTE的随机接入过 程，大幅减小LTE接入资源的需求量，减小碰撞概率，提升接入成功概率，并大幅减小核心网 的信令拥塞，进而减小因碰撞而产生的资源浪费。
[0112] 通过实施例1、实施例2及实施例3,可见本发明能够适应不同密度的M2M通信设备 分组，并且分组后的网络拓扑合理。
[0113] 实施例4
[0114] 本实施例具体阐述25个M2M通信设备随机分布在100m*100m的范围内，并且此25个 M2M通信设备中有2个高优先级的设备，M2M通信设备服务器命令需要预先设定2个簇头，即 有2个存储器状态较好或信道状态较好的低优先级设备被M2M通信设备服务器选作预先设 定簇头情况下，应用本发明所提方法的实施过程。
[0115] 本实施例的实施步骤与说明书主体中的步骤1至步骤6相同；
[0116]其中，步骤1.32按公式（1)计算相似度信息；步骤1.35中的簇头因子a = 0.5;步骤 1.37中迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组操作共执行S次，S值为30;步骤 1.37中的抗抖动因子0 = 0.5。
[0117] 图5为本实施例4的分组结果，图5中的横轴纵轴表示M2M设备的二维位置坐标轴， 空心圆圈表示M2M通信设备，连接两个空心圆圈的箭头或连接空心圆与实心圆的箭头表示 分组结果，箭头终点为箭头起点表示的M2M通信设备所在设备组的簇头，图5中实心方块表 示高优先级M2M通信设备，实心圆表示根据M2M通信设备服务器命令预先设定的簇头。
[0118] 由图5可以看出，采用本发明所提方法能够使高优先级M2M通信设备各自独立成 组，满足高优先级M2M通信设备的业务需求，能够根据M2M通信设备的信道状态或存储器状 态灵活的预先设定簇头，得到更好的网络性能。
[0119] 上述实施例以本发明的技术方案为指导进行实际的实践核验，同时给出了详细的 实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围并不只限于如上的实施例。
[0120] 即：上述的具体描述，对发明的目的、技术方案和优点益处都进行了进一步的详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征在于： 也称为本方法，适用于具有一般M2M通信业务特点的巨量用户特性的M2M通信系统，称 为本系统； 本系统包含基站、M2M通信设备服务器、信道以及基站覆盖范围内的所有M2M通信设备； 其中，基站中包含再分组定时器，记为再分组定时器A;每一个M2M通信设备均包含存储 器和再分组定时器，记为再分组定时器 Bl;其中，下标i代表第i个M2M通信设备； M2M通信设备服务器管理所有M2M通信设备并和基站通信;M2M通信设备服务器发送命 令给基站，所述的M2M通信设备服务器发送给基站的命令包含两种，即预先设定簇头命令和 跳转命令，所述的预先设定簇头命令指示基站需要根据M2M通信设备的存储器状态或信道 状态预先设定簇头，且预先设定簇头命令中包含了一个或多个被选作预先设定簇头的M2M 通信设备的编号，记为j，表示第j个M2M通信设备;所述的跳转命令指示基站无需根据M2M通 信设备的存储器状态或信道状态预先设定簇头。2. 如权利要求1所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，具体步骤如下： 步骤1，基站对M2M通信设备分组； 步骤2,分组后的每一个簇头与基站同时设定再分组时间并启动再分组定时器； 步骤3，基站覆盖范围内的每一个M2M通信设备通过非蜂窝无线网络与该M2M通信设备 所在设备组的组成员及簇头组网； 步骤4,分组后的所有设备组的每一个组成员发送业务数据及控制信息至该组成员所 在设备组的簇头： 步骤5,每一个簇头将收集到的步骤4中所在设备组的组成员发送至簇头的业务数据及 控制信息发送至基站： 步骤6,基站及每一个簇头判断步骤2中启动的簇头与基站的再分组定时器是否到时， 并决定跳至步骤1还是步骤4; 至此，从步骤1到步骤6,完成了一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法。3. 如权利要求1所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 步骤1，具体为： 基站通过M2M通信设备的相似度信息对基站覆盖范围内的所有M2M通信设备进行分组， 并将分组结果发送至所有M2M通信设备，具体为： 步骤1.1，基站覆盖范围内的所有M2M通信设备发起随机接入，并将各自的位置信息及 分组所需信息发送至基站； 步骤1.2，基站接收步骤1.1输出的所有M2M通信设备的位置信息及分组所需信息； 步骤1.3，基站根据步骤1.2接收的所有M2M通信设备的位置信息及分组所需信息进行 分组； 步骤1.4，基站存储步骤1.3的分组结果，并将分组结果发送至基站覆盖范围内的所有 M2M通信设备； 步骤1.5,所有M2M通信设备接收并存储基站下发的分组结果，并断开与基站的连接。4. 如权利要求3所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 步骤1.1中，基站覆盖范围内的所有M2M通信设备集合，记为V;所有M2M通信设备上报基 站的分组所需信息内容应保持一致且分组所需信息可以是优先级以及存储器状态为主的 信息，也可以为空。5.如权利要求3所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 步骤1.3,具体为： 步骤1.31基站判断接收到的所有M2M通信设备上报的分组所需信息中是否包含了优先 级信息，并进行相应操作： 其中，所述的优先级信息包含高优先级和低优先级； 1.311若包含优先级信息，则根据M2M通信设备上报的优先级信息，将高优先级的设备 各自独立成组，记高优先级的M2M通信设备集合为C，跳至步骤1.32; 1.312若未包含优先级信息，设置集合C为空集，跳至步骤1.32; 步骤1.32计算剩余M2M通信设备的相似度信息； 其中，所述的剩余M2M通信设备，即包含于集合V中但不在集合C中的M2M通信设备，记其 数量为N，所述的相似度信息，记为3(1，1〇，1氺￡[1，幻，1和1^代表第1个和第1^个121通信设 备;所述相似度信息S(i，k)为负值，为负欧氏距离，其计算方法为公式(1): S(i,k)=-| |xi-xk| I2 (1); 其中，Xi和Xk分别代表第i个和第k个M2M通信设备的位置； 步骤1.33计算步骤1.32输出的相似度信息的中值，具体为： 步骤1.331将S(i，k)，i，ke [ 1，N]转化成一维数组X(j)，具体为： X( j) = S(i，k)，j = (i-l)*N+k，i，ke [1，N] (2)； 步骤1.332将X( j)从小到大排序得到X'（ j); 步骤1.333判断N的奇偶性，并进行相应操作： 1.333a若N为奇数，则相似度信息的中值可以通过公式(3)计算,-, (3),其中，公式(3)。 表示对#向上取整； ,, 2 1.333b若N为偶数，则相似度信息的中值可以通过公式(4)计算：(4)； 其中，1 · 333a和1 · 333b中的median_s为相似度信息S( i，k)，i，ke [ 1，N]的中值； 步骤1.34基站根据步骤1.33计算出的相似度信息的中值更新部分相似度信息，具体通 过公式(5)更新： S(i , i) =median_s, i ε [ 1 ,Ν] (5); 步骤1.35基站接收Μ2Μ通信设备服务器发来的命令，并根据接收到的命令进行相应操 作，分为如下两种情况： 若基站收到的是预先设定簇头命令，则基站需要预先设定簇头;若基站收到的是跳转 命令，则基站无需预先设定簇头;具体为： 1.351若基站收到的是预先设定簇头命令，则基站需要根据Μ2Μ通信设备存储器状态或 信道状态预先设定簇头，具体为： 读取预先设定簇头命令中被选作预先设定簇头的M2M通信设备的编号j，j表示第j个 M2M通信设备，按公式(6)改变步骤1.34输出的相似度信息S( j，j): S(j,j) = (l-a) · median_s,ae (0,1) (6)； 其中，所述的簇头是指M2M通信设备分组后负责收集设备组内M2M通信设备的控制信息 及业务数据并负责与基站通信的M2M通信设备，设备组指分组后具有相同簇头的一个或多 个M2M通信设备的集合;公式(6)中的a代表簇头因子，其取值范围为〇到1，但是不包括〇和1 的实数，优选的a值为0.5，跳至步骤1.36; 1.352若基站收到的是跳转命令，则基站无需根据M2M通信设备存储器状态或信道状态 预先设定簇头，跳至步骤1.36; 步骤1.36基站初始化M2M通信设备的倾向程度和可靠程度，具体为： 基站初始化M2M通信设备的倾向程度和可靠程度为：(7) 其中，I (i，k)为倾向程度，表示M2M通信设备i选择M2M通信设备k作为M2M通信设备i的 簇头的倾向程度;T(i，k)为可靠程度，表示M2M通信设备k认为M2M通信设备i选择M2M通信设 备k作为簇头的可靠程度;公式(7)中表示固定i遍历k'找到的相似度信息的最 大值，k'的取值范围为1到N内不包含k的整数； 步骤1.37迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组，具体为： 其中，所述迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分组操作共执行S次，S的取 值范围为10到100之间的整数;每次执行迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度及分 组操作包含步骤1.371和步骤1.372，具体为： 步骤1.371基站更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度，具体为：(8、 其中，β是抗抖动因子;Iiast(i，k)和Tiast(i，k)为上次更新的M2M通信设备的倾向程度和 可靠程度，若为首次迭代更新M2M通信设备的倾向程度和可靠程度，Iiast(i，k)和Tiast(i，k)， i，ke [ 1，N]的元素均为0; Inew(i，k)和Tnew(i，k)由公式(9)计算得出：其中，公式(9)中的|'^{7'</，/〇 + 5'(/,/〇}表示固定；[遍历1^'找到的1'(;[，1^'）与3(;[，1^'）和 的最大值，k'的取值范围为1到N内不包含k的整数;公式(9)中的.Σ 表示固 定k遍历i '找到所有数值大于0的I (i '，k)并求和，i '的取值范围为1到N内不包含i和k的整 数;公式(9)中的 >表示取0和 之中的较小值； 其中，公式(9)中β表示固定k遍历i'找到所有数值大于0的I(i'，k)并 求和，i'的取值范围为1到N内不包含k的整数； 步骤1.372根据步骤1.371中所得结果进行分组，具体为： 记步骤1.32中所述的剩余M2M通信设备，即在集合V且不在集合C内的设备，其集合为剩 余设备集;对每一个剩余设备集中的M2M通信设备i，遍历k'找到设备k'使取到最 大值，则设备k'为设备i所属设备组的簇头，k'的范围为1到N之间的整数： mit(i,k,) = I(i,k,)+T(i,k,) (10) 〇6. 如权利要求3所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 步骤1.4所述的基站发送至所有M2M通信设备的分组结果只包含该M2M通信设备所在设 备组的组成员及簇头相关信息，不包含除本设备组的其余M2M通信设备的分组结果； 所述的组成员指设备组中除簇头外的M2M通信设备的集合。7. 如权利要求2所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 步骤2中，所述的再分组时间，即重新分组时刻，记为T，所述的再分组时间，优选的可设 定为蜂窝网业务量少的凌晨； T的范围是00:00am 到06:00am。8. 如权利要求2所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 步骤3中，非蜂窝无线网络主要包括Wi-Fi、蓝牙。9. 如权利要求2所述的一种基于LTE的巨量M2M通信分组接入方法，其特征还在于： 步骤6，具体为： 6.1若再分组定时器时间已到，则需进行重新分组，转至步骤1; 6.2若再分组定时器时间未到，则跳至步骤4。
【文档编号】H04W28/08GK105959978SQ201610546152
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】费泽松, 刘婷, 肖玲玲, 李磊, 邢成文, 匡镜明
【申请人】北京理工大学