本發(fā)明涉及M2M終端能夠進行能量采集并通過自身能量消耗速率與能量采集速率之比值進行分組，優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先進行接入的隨機接入控制方案，屬于無線通信技術領域。

背景技術：

M2M即機器間通信，代表的是機器之間信息的交互，是目前物聯(lián)網(wǎng)通信的主要實現(xiàn)方式，在一些情況下與H2H通信(人與人之間通信)有著很多差別。與H2H通信相比：M2M通信具有很大的設備量，M2M通信具有低移動，M2M通信具有時延容忍，M2M通信具有小額數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍匦浴５窃诤芏嗲闆r下，根據(jù)其通信特征兩者也可能會有著相同的業(yè)務特性。隨著無線通信技術的迅速發(fā)展，尤其是4G的日益成熟為物聯(lián)網(wǎng)提供了很好的技術支持。這給M2M通信發(fā)展帶來了良好的基礎環(huán)境，因此極大地拓展了M2M通信的應用范圍，所以M2M技術在現(xiàn)實中已經(jīng)在告警系統(tǒng)，智能電表，智能交通，火災監(jiān)測等領域有了廣泛的應用。

然而由于物聯(lián)網(wǎng)中M2M通信終端數(shù)量大，發(fā)送數(shù)據(jù)小，移動性低等特性，當大量M2M終端接入網(wǎng)絡必然會引起沖突碰撞和網(wǎng)絡擁塞等問題。針對上述問題3GPP在M2M業(yè)務隨機接入的研究中，提出了分配專用接入資源，對其進行業(yè)務等級劃分和采用不同的退避時間等方案。盡管這些方案能解決一些隨機接入的沖突碰撞問題從而提高隨機接入成功的概率，但這些方案的不足之處在于M2M終端發(fā)送的數(shù)據(jù)量是預知的，自發(fā)的向網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。

為了解決這些問題，現(xiàn)有的研究提出了一種基于分組的方案，該方案首先對M2M終端進行分組，然后由網(wǎng)絡通過組尋呼控制隨機接入的時間。對于分組的方案，由于M2M終端的海量性，在大量的M2M通信場景中，很多通信終端有相同或者相似的特性，把這些具有相同或者相似的M2M終端劃分為一組，這樣就把M2M終端分成了很多組群，并對組群設定優(yōu)先級。優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先分配接入資源，這樣就可以有效的解決當大量M2M終端發(fā)起接入請求時發(fā)生的沖突碰撞，從而提高M2M終端接入的概率。本發(fā)明就是一種基于分組的M2M隨機接入控制方法的研究。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明為了解決當大量M2M終端同時發(fā)起接入而引起的沖突碰撞問題，采用一種分組的思想并設定優(yōu)先級，優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先分配接入資源，這樣可以合理的利用系統(tǒng)的隨機接入資源來降低沖突碰撞發(fā)生的概率，從而提高M2M終端接入的概率。

技術方案如下：

本方案提出一種基于能量狀態(tài)感知的M2M終端分組的隨機接入控制方法，采用一定標準對終端進行分組，并設定優(yōu)先級，優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先分配接入資源，從而提高M2M終端接入的概率。具體如下：

1.提出基于能量狀態(tài)感知的M2M終端分組準則。

組劃分的標準是M2M終端自身剩余能量采集速率與其自身能量消耗速率之比β值的大小，β處于給定區(qū)間的M2M終端分為一組，β值越小則其組終端優(yōu)先級越高，優(yōu)先為其分配接入資源。

2.提出基于能量狀態(tài)感知的M2M終端分組過程。過程如下：

(2-1)M2M終端計算自身剩余能量采集速率與其自身能量消耗速率之比β存儲在自身內(nèi)存單元中；

(2-2)當M2M終端初次發(fā)起隨機接入請求，eNB進行響應；

(2-3)M2M終端將含有自身剩余能量采集速率與其自身能量消耗速率之比β信息反饋給eNB；

(2-4)eNB接受包含β的信息，提取出β，根據(jù)存在的分類準則表為其劃分組并為其分配組ID，這里的組ID亦可代表著優(yōu)先級的大小，最后eNB將這些信息反饋給M2M終端；

(2-5)M2M終端接收組ID存入內(nèi)存單元中，確定自己的分組；

(2-6)之后有M2M終端發(fā)送隨機接入請求信息時，eNB首先檢測信息中是否包含組ID，如果沒有，先進行以上步驟確定其分組之后再進行接入，如果信息中包含組ID則直接進行之后的接入步驟。

3.提出基于能量狀態(tài)感知的M2M終端接入過程。過程如下：

(3-1)eNB廣播尋呼信息尋呼M2M分組終端進行接入，整個尋呼接入持續(xù)周期為T秒；

(3-2)分配隨機接入資源：M2M終端收到尋呼信息后響應，分配隨機接入資源。分配過程是以一個RA slot(隨機接入槽即隨機接入子幀，時域上為1ms，頻域上為1.08MHz,一個RA slot共包含64個隨機接入前導序列即隨機接入機會)為單位，同一個RA slot中優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先選擇隨機接入前導序列,若前導序列有剩余則次優(yōu)先級的組終端選擇前導，依次類推；

(3-3)M2M終端發(fā)送隨機接入前導序列；

(3-4)eNB做出隨機接入響應；

(3-5)M2M終端發(fā)送終端標識；

(3-6)競爭決策；

(3-7)到下一個RA slot，隨機接入資源的分配是以一個RA slot為單位的，故當進行到下一個RA slot時，重復步驟(2)到步驟(7)的工作；

(3-8)到下一個尋呼持續(xù)周期T,重復步驟(1)到(8)的過程。

4.提出系統(tǒng)性能分析模型，計算終端的接入率。

(4-1)計算尋呼周期T秒內(nèi)分配到資源的終端數(shù)(系統(tǒng)吞吐量)；

(4-2)計算尋呼周期T秒內(nèi)未分配到資源的終端數(shù)；

(4-3)計算終端最終成功接入率。

有益效果

本發(fā)明提出的基于能量狀態(tài)感知的M2M終端分組的隨機接入控制方法，對M2M終端進行分組并設定優(yōu)先級，優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先分配接入資源。這不僅可以緩輕由于大量M2M終端接入網(wǎng)絡而引起的沖突碰撞和網(wǎng)絡擁塞等問題從而提高終端成功接入率，而且可以提高終端自身能量利用率。

附圖說明

圖1 M2M組終端在LTE系統(tǒng)中的接入模型；

圖2 M2M終端的分組過程；

圖3 LTE系統(tǒng)中基于競爭的隨機接入過程；

圖4 M2M組終端的接入過程。

具體實施方式

以下結合附圖具體說明本發(fā)明的技術方案。

1.M2M終端分組準則

對于分組的標準，我們可以根據(jù)M2M業(yè)務特性來劃分，3GPP技術規(guī)范組定義了14種M2M業(yè)務特性，那么我們可以把相同特性業(yè)務或者具有相近M2M業(yè)務服務的終端劃分為一組。比如可以把自動售貨機，車隊管理等實時性要求不高的M2M終端分為一組并分配組ID,對于地震，海嘯監(jiān)測等實時性要求高的應用劃分為一組并分配組ID，最后對組設定一個優(yōu)先級，實時性越高的組其優(yōu)先級越高，優(yōu)先為其分配接入資源。

本發(fā)明假定M2M終端具有能量采集功能，所以采用組劃分的標準是M2M終端自身剩余能量采集速率與其自身能量消耗速率之比β，這樣設定的依據(jù)是終端每次發(fā)起接入請求時是會消耗能量的，那么我們可以約定能量消耗較快的終端優(yōu)先進行接入(這里所謂的快慢即β的大小，β越大則能量消耗越慢)，這樣可以節(jié)約當大量終端同時接入?yún)s因為沖突碰撞無法接入而消耗的能量，從而提高終端的能量利用率，延長終端的使用壽命。且β處于一定區(qū)間的M2M終端分為一組，例如當終端β屬于[a,b]時分為一組，屬于[b,c]時分為另一組等等，其中a，b，c為某一設定的值。對于優(yōu)先級的設定，β越小則其組終端優(yōu)先級越高，優(yōu)先為其分配接入資源。這樣設定的依據(jù)是終端每次發(fā)起接入請求時是會消耗能量，那么我們可以約定能量消耗較快的終端優(yōu)先進行接入，這樣可以節(jié)約當大量終端同時接入?yún)s因為沖突碰撞無法接入而消耗的能量，從而提高終端的能量利用率。這里能量消耗的相對快慢則是通過β來衡量的。

如圖1所示：假設根據(jù)分組準則M2M終端共分為H組，并通過優(yōu)先級準則為每組設定優(yōu)先級，每組M2M終端可以通過傳感器網(wǎng)絡與M2M網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)通信，M2M網(wǎng)關統(tǒng)一將數(shù)據(jù)上傳給eNB,M2M網(wǎng)關只需要一張4G通信卡。這樣非常有利于本區(qū)域內(nèi)大量M2M終端的統(tǒng)一協(xié)調，統(tǒng)一管理。也可以避免各個M2M終端與eNB直接通信造成的過程繁瑣，資源浪費等問題。

2.M2M終端分組過程

當M2M終端發(fā)起接入請求時，eNB首先需要判斷該終端是初次接入還是之前已經(jīng)接入并且分配過組ID。如果是初次接入則首先應該為它分配組ID；如果是已經(jīng)分配過組ID，則應該查詢其組ID，確定該M2M終端到底是屬于哪一組，這樣才能確定其優(yōu)先級從而優(yōu)先分配接入資源。所以基于以上分析，分組的過程不只是在M2M終端處簡單完成，而是定義在M2M終端與eNB之間一種協(xié)議。假設M2M終端時能夠計算出自身剩余能量采集速率與其自身能量消耗速率之比β，并且eNB端存儲了根據(jù)β值來分類的分類準則表。本文提出的M2M終端分組過程如下：

(1)M2M終端計算自身剩余能量采集速率與其自身能量消耗速率之比β存儲在自身內(nèi)存單元中；

(2)當M2M終端初次發(fā)起隨機接入請求，eNB進行響應；

(3)M2M終端將含有自身剩余能量采集速率與其自身能量消耗速率之比β信息反饋給eNB；

(4)eNB接受包含β的信息，提取出β，根據(jù)存在的分類準則表為其劃分組并為其分配組ID，這里的組ID亦可代表著優(yōu)先級的大小，最后eNB將這些信息反饋給M2M終端；

(5)M2M終端接收組ID存入內(nèi)存單元中，確定自己的分組；

(6)之后有M2M終端發(fā)送隨機接入請求信息時，eNB首先檢測信息中是否包含組ID，如果沒有，先進行以上步驟確定其分組之后再進行接入，如果信息中包含組ID則直接進行之后的接入步驟。

所以整個分組過程可用如下的圖2來表示

3.基于分組的M2M終端接入過程

如圖3所示，LTE系統(tǒng)中基于競爭的隨機接入過程分為四個步驟，即：

(1)發(fā)送接入前導：終端選擇隨機接入前導發(fā)送給eNB，如果多個終端用戶選擇相同的接入前導發(fā)送則會發(fā)生碰撞；

(2)隨機接入響應：eNB進行響應并反饋一些信息，例如：所收到的前導信號所在的時頻資源槽的ID，上行同步信息，臨時標識(C-RNTI)等；

(3)發(fā)送終端標識：終端發(fā)送標識給eNB,包括(2)中的C-RNTI,以及終端本身的ID等信息；

(4)競爭決策：eNB接收到步驟3的信號后會回復標識信息，只有探測到自己的標識的用戶才會確認消息，那些發(fā)生沖突的用戶會延時一段時間后繼續(xù)重新發(fā)起連接。

LTE系統(tǒng)中的隨機接入過程是終端用戶主動發(fā)起的連接請求，而本發(fā)明提出的是LTE系統(tǒng)中基于分組且設定了優(yōu)先級的M2M終端接入過程，其接入的基本思想遵循LTE中隨機接入的思想，但具體過程應特殊情況特殊對待。這里，因為分組且設定了優(yōu)先級，如果大量M2M終端主動發(fā)起連接請求，eNB需要確定其分組和優(yōu)先級，這難免會增大eNB端的工作量，并且這也非常不利于系統(tǒng)性能分析模型的建立，所以基于以上分析，組終端開始接入是在eNB廣播尋呼信息后開始的，組終端在接收到尋呼信息后發(fā)起隨機接入請求。整個接入具體步驟如下：

(1)eNB廣播尋呼信息尋呼M2M分組終端進行接入，整個尋呼接入持續(xù)周期為T秒；

(2)分配隨機接入資源：M2M終端收到尋呼信息后響應，分配隨機接入資源。分配過程是以一個RA slot(隨機接入槽即隨機接入子幀，時域上為1ms，頻域上為1.08MHz,一個RA slot共包含64個隨機接入前導序列即隨機接入機會)為單位，同一個RA slot中優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先選擇隨機接入前導序列,若前導序列有剩余則次優(yōu)先級的組終端選擇前導，依次類推；

(3)M2M終端發(fā)送隨機接入前導序列；

(4)eNB做出隨機接入響應；

(5)M2M終端發(fā)送終端標識；

(6)競爭決策；

(7)到下一個RA slot，隨機接入資源的分配是以一個RA slot為單位的，故當進行到下一個RA slot時，重復步驟(2)到步驟(7)的工作；

(8)到下一個尋呼持續(xù)周期T,重復步驟(1)到(8)的過程。

整個接入的過程可用圖4來表示。

4.系統(tǒng)性能分析模型

本方法是基于分組且設定優(yōu)先級的M2M終端隨機接入過程，此部分的重點在于分析該模型中，一次尋呼持續(xù)周期T內(nèi)，最終M2M終端接入成功的概率。

該模型最重要的問題在于隨機接入資源(即接入前導序列)的分配問題，優(yōu)先級高的組終端優(yōu)先分配隨機接入資源，如果有剩余則次優(yōu)先級的組終端進行分配，以此類推。并且這里我們假設如果有多個M2M組終端選擇了相同的接入前導，則發(fā)生碰撞，eNB拒絕這些終端進行接入，并讓它們退避一段時間后再進行接入，而對于只有一個終端選擇了一個接入前導，則沒有發(fā)生碰撞，規(guī)定它能成功的接入。

假設尋呼持續(xù)周期為T秒，每秒有M個RA slot,每個RA slot有N個隨機接入資源(前導序列)，則T秒持續(xù)時間內(nèi)共有T*M個RA slot,T*M*N個隨機接入機會。

定義第i組終端在第j個RA slot上發(fā)起接入請求的數(shù)目為：M_i(j)

若在T秒持續(xù)時間，發(fā)起接入請求的終端總數(shù)為A，A就等于每一組終端(共H組)在T*M個RA slot上的總和，則:

定義j個RA slot里有N個接入資源，由m個M2M終端競爭使用，則競爭成功的個數(shù)：

M(j)＝m·e^-m/N

定義在第j個RA slot上第i組終端選擇隨機接入前導后剩余的隨機接入前導數(shù)目為：L_i(j)，其中L₀(j)表示第j個RA slot上沒有組終端選擇接入前導,即：L₀(j)＝N。

若第j個RA slot里接入成功的終端數(shù)為B,則：

若T秒持續(xù)時間內(nèi)接入成功的總終端數(shù)為C，即系統(tǒng)吞吐量,為：

在這里我們定義系統(tǒng)最終接入成功的概率為T秒持續(xù)時間內(nèi)接入成功的總用戶數(shù)/T秒持續(xù)時間內(nèi)發(fā)起接入請求的總終端數(shù)，則接入成功的概率P為：