CN102548014B - 机器与机器的通信终端接入网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种M2M终端接入网络的方法，包括以下步骤：S1：基站将多个M2M终端划分成多个M2M组，使得属于同一M2M组的M2M终端具有相同的业务类别和相同的服务质量等级；S2：M2M终端上电获得初始上行同步，并保持上行同步状态；S3：基站计算当前系统的PRACH和PUCCH信道容量；S4：M2M终端产生上行数据等待发送时，优先通过PRACH信道发送调度请求，当PRACH信道出现碰撞时，基站动态为M2M终端分配PUCCH调度请求资源，M2M终端通过PUCCH信道发送调度请求。本发明的方法，缓解了PRACH信道的拥塞，最终达到M2M业务终端的服务质量要求。

Description

机器与机器的通信终端接入网络的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种机器与机器的通信终端接入网络的方法。

背景技术

近几年，随着物联网技术的蓬勃兴起，机器与机器的通信(M2M，Machine to Machine)业务，如智能抄表、智能家电、工业监测、环境检测等，因其广泛的应用前景而得到业界的密切关注。与此同时，考虑到M2M业务的特点：1)如终端数量巨大，2)功能简单，业务单一，小数据量(＜100bytes)，3)能够容忍较低的传输速率，时延不敏感，4)不具有移动性或者移动具有规律性，5)以上行PS业务为主，6)低频率(＞5min)大规模周期性上报，M2M业务与人与人的通信(H2H，Human to Human)业务有着明显区别，因此，针对不同的M2M业务应用结合实际的具体系统进行优化显得尤为必要。

长期演进(LTE，Long Term Evolution)系统是一个基于调度的通信系统。处于上行同步状态的H2H业务终端有上行业务待发送，则向演进型基站(eNB，evolved NodeB)发送缓存状态报告(BSR，Buffer Status Report)，汇报当前各个逻辑信道的缓存大小。eNB在接收到H2H业务终端发送的BSR之后，执行上行资源调度算法，最后通过物理下行控制信道(PDCCH，Physical Downlink Control CHannel)将上行资源授权(UL Resource Grant)指示给H2H业务终端。H2H业务终端在PDCCH信道上接收到UL Grant后，则在相应的上行资源上发送数据。但是，由于发送BSR也需要有UL Grant，在没有UL Grant的情况下触发了BSR，也无法发送该BSR，这将导致H2H业务终端侧的数据拥塞。为了解决这个问题，LTE系统允许已取得上行同步的H2H业务终端在物理上行控制信道(PUCCH，Physical Uplink ControlCHannel)上发送调度请求(SR，Schedule Request)，向eNB请求至少4个字节的上行资源以便发送BSR，如图1所示。如果H2H业务终端没有取得上行同步，或是获得上行同步却没有eNB分配的PUCCH SR资源，或是在PUCCH SR资源上发送的SR超过最大发送次数，则H2H业务终端只能被迫通过随机接入信道(PRACH，Physical Random Access CHannel)发送SR，如图2所示。H2H业务终端发送SR的基本原则是，只要存在PUCCH SR资源则不通过PRACH发送SR。

结合LTE通信系统，当海量M2M业务终端由于某种原因同时产生上行数据时(如电力公司要求某个地区的智能电表汇报用电量或调整某电力参数，或火车通过某座大桥时，大桥上所有传感器均向系统服务器发送监测数据，或当地震发生时，某地区的所有地震监测器发出告警)，海量M2M业务终端由于没有PUCCH SR资源，只能通过PRACH发送SR，这不可避免在PRACH上产生碰撞甚至拥塞，最终致使M2M业务服务质量得不到保障(3GPP TR 22.368)。

为了避免由于海量M2M终端同时发起随机接入造成RACH碰撞而无法保障业务接入时延，目前国际上主流企业提出的候选解决方案有如下几种(3GPP TR 37.868)：

接入等级限制策略(ACB，Access Class Barring Scheme)。考虑到多数M2M业务对时延并不敏感，通过为M2M业务定义特殊接入等级，由网络侧单独控制M2M接入概率，达到分散RACH负荷的目的。

单独退避策略(Specific Backoff Scheme)。同样考虑到多数M2M业务对时延并不敏感，通过M2M业务定义特殊的较大的退避时间，达到分散RACH负荷的目的。

单独RACH资源策略(Specific RACH Resources Scheme)。通过为H2H业务和M2M业务分配不同的RACH资源，达到避免M2M业务对普通H2H业务的影响。在UMTS系统中，可以通过为M2M业务和H2H业务配置不同的接入服务等级(ASC，Access ServiceClass)或是随机接入签名；在LTE系统中，可以通过为M2M业务和H2H业务配置不同的随机接入前导或是时频域的RACH资源。

动态RACH资源策略(Dynamic RACH Resources Scheme)。网络侧根据实际M2M业务负载动态增加/减少RACH资源以达到随机接入时延与RACH资源利用率的折中权衡。

时隙接入策略(Slotted Access Scheme)。网络侧为各种M2M业务终端分配专用接入时隙，每种M2M终端只能在特定的接入时隙发起随机接入过程，以此达到分散RACH负荷的目的。

以上各种方案，均是从随机接入过程中的RACH资源(时隙/前导序列)分配、小区接入限制判断以及退避策略方面来考虑优化方案，目的在于使同时间触发的M2M业务错峰发起随机接入，以达到避免因RACH拥塞影响M2M/H2H用户业务服务质量体验的目的。

现有仿真表明(R2-103742)，接入等级限制策略通过禁止部分M2M终端发起接入缓解了RACH拥塞，却导致了较大的接入时延；退避策略只适用于低度RACH负荷的场景；而为M2M业务分配单独的RACH资源策略在重度RACH负荷场景中，RACH碰撞概率居高不下。此外，动态RACH资源分配策略虽然在上述各个方面表现良好，但是必须注意到的是，动态增加RACH资源必然导致PUSCH资源的减少，并影响到系统整体的吞吐量。由此可见，现有的技术方案无法从根本上缓解海量M2M业务终端因业务突发同时发起随机接入导致RACH拥塞的现状。

在现有技术方案下，当海量M2M业务终端同时产生上行突发数据时，由于没有PUCCH SR资源，只有通过随机接入竞争成功，获得eNB的上行资源授权，才能发送上行数据。但由于LTE TS 36.211规定限制RACH信道密度最大为6，即每10ms最大有6个RACH资源，有限的RACH资源使得现有的技术方案无法真正满足海量M2M上行业务接入时延的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种M2M终端接入网络的方法，以缓解PRACH信道的拥塞，最终达到M2M业务终端的服务质量要求。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种M2M终端接入网络的方法，包括以下步骤：

S1：基站将多个M2M终端划分成多个M2M组，使得属于同一M2M组的M2M终端具有相同的业务类别和相同的服务质量等级；

S2：M2M终端上电获得初始上行同步，并保持上行同步状态；

S3：基站计算当前系统的PRACH和PUCCH信道容量；

S4：M2M终端产生上行数据等待发送时，优先通过PRACH信道发送调度请求，当PRACH信道出现碰撞时，基站动态为M2M终端分配PUCCH调度请求资源，M2M终端通过PUCCH信道发送调度请求。

优选地，在所述步骤S4之前还包括基站根据服务质量等级的高低对所述多个M2M组进行排序的步骤。

优选地，步骤S4中当PRACH信道出现碰撞时，基站动态为M2M终端分配PUCCH调度请求资源，M2M终端通过PUCCH信道发送调度请求的步骤具体为：

M2M监听PDCCH信道，基站检测M2M终端在PRACH信道上发送的调度请求是否超过当前系统PRACH的负载门限值：

若未超过，则基站通过PRACH信道发送随机接入应答，M2M终端继续通过PRACH信道发送调度请求；

若超过，则基站通过PDCCH信道发送下行控制信息，为M2M终端动态分配PUCCH调度请求资源；M2M终端监听到PDCCH发送的下行控制信息，终止随机接入过程，并在基站分配的PUCCH信道上发送调度请求；直到基站检测到M2M终端发送的调度请求低于当前系统PRACH的负载门限值，基站通过PDCCH信道发送下行控制信息回收分配的PUCCH调度请求资源；M2M终端监听到PDCCH发送的回收的下行控制信息，动态释放PUCCH调度请求资源。

优选地，所述基站通过PDCCH信道发送下行控制信息，为M2M终端动态分配PUCCH调度请求资源的步骤具体为：

按照M2M组服务质量优先级的高低，基站从最高优先级的M2M组开始，通过PDCCH信道，定义新的下行控制信息：给该M2M组中每一个M2M终端指示可以发送调度请求的资源位置索引；如果在该M2M组占用PUCCH调度请求资源的时间内，监测到该M2M组发送调度请求数量很少，则表明该M2M组并没有突发业务，则再次通过所述新的下行控制信息回收分配的PUCCH调度请求资源，转而为下一服务质量优先级的M2M组重新分配PUCCH调度请求资源。

优选地，所述M2M组占用PUCCH调度请求资源的时间由各M2M组中M2M终端完成上行业务传输的最大时延决定。

优选地，所述步骤S3计算当前系统的PUCCH信道容量的步骤之后还包括给M2M终端预留调度请求资源的步骤。

优选地，所述基站通过PDCCH信道发送下行控制信息，为M2M终端动态分配PUCCH调度请求资源的步骤还包括：当待分配给所述M2M终端的PUCCH调度请求资源大于所述PUCCH的预留给M2M终端的调度请求资源时，扩大所述预留的调度请求资源数目。

(三)有益效果

本发明在PRACH信道发生碰撞时，动态为M2M业务终端配置PUCCH SR资源，缓解PRACH信道的拥塞，最终达到M2M业务终端的服务质量要求。

附图说明

图1为现有技术中，终端(UE)通过PUCCH信道向基站侧发送调度请求的示意图；

图2为现在技术中，终端通过PRACH信道向基站侧发送调度请求的示意图；

图3为根据本发明实施例终端接入网络的方法流程图；

图4为不同格式的PUCCH信道在频域的分布情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

如图3所示，本实施例记载了一种M2M终端接入网络的方法，包括以下步骤：

S1：基站将海量M2M终端划分成多个M2M组，使得属于同一M2M组的M2M终端具有相同的业务类别和相同的服务质量等级；并且基站根据服务质量等级的高低对所述多个M2M组进行排序；

本实施例中的海量M2M终端划分完之后形成N个M2M组，按照服务质量等级从高到低的顺序对所述多个M2M组进行排序，使得第一个M2M组具有最高优先级，第N各M2M组具有最低优先级，第n个M2M组中M2M终端数目为NUMn，其中n为从1到N的自然数。

S2：海量M2M终端上电经过初始附着过程，获得初始上行同步；由于M2M终端具有低移动性，因此认为海量M2M终端在后续接受服务的过程中始终保持上行同步；

S3：基站计算当前系统的PRACH信道容量和PUCCH信道容量；并且PUCCH信道容量给M2M终端预留调度请求资源；

其中PRACH信道容量的计算具体为：假设初始系统配置的PRACH每10微秒的密集度为D_RA，初始预留做竞争随机接入的前导(preamble)个数为n，那么计算PRACH信道可以承载的用户数量为n*D_RA；

所述PUCCH信道的容量由PUCCH格式1(PUCCH Format1，调度请求SR在PUCCH信道上以Format 1格式发送)可以承载的用户数量，以及一个物理资源块对(PRB-Pairs)可以承载的PUCCH格式1信道数决定。在不考虑PUCCH格式2/2a/2b和PUCCH格式1/1a/1b混合物理资源块对的情况下，如图4所示，假设初始基站eNB分配给PUCCH格式1a/1b发送的资源起始位置为初始分配给PUCCH格式2/2a/2a发送的资源数目为那么系统预留给PUCCH格式1的PRB-Pairs数量为假设在常规循环前缀情况下，正交扩频序列个数为m，支持的Zadoff-Chu序列的循环移位间隔为由于PUCCH格式1的发送经过“正交扩频序列”和“Zadoff-Chu序列”两次码扩频的过程，所以一个PRB-Pairs可以承载的PUCCH Format1信道数为其中是一个资源块RB包含子载波的数目。

S4：M2M终端产生上行数据等待发送时，优先通过PRACH信道发送调度请求，M2M监听PDCCH信道，基站检测M2M终端在PRACH信道上发送的调度请求是否超过当前系统PRACH的负载门限值n*D_RA：

若未超过，则基站通过PRACH信道发送随机接入应答，M2M终端继续通过PRACH信道发送调度请求；

若超过，则预估是某一个或几个M2M组可能触发了群呼叫或是周期性上报而有大量突发上行数据等待发送，则启动动态PUCCH SR资源分配策略：基站通过PDCCH信道发送下行控制信息，为M2M终端动态分配PUCCH调度请求资源；M2M终端监听到PDCCH发送的下行控制信息，终止随机接入过程，并在基站分配的PUCCH信道上发送调度请求；

所述基站通过PDCCH信道发送下行控制信息，为M2M终端动态分配PUCCH调度请求资源的步骤具体为：

按照M2M组服务质量优先级的高低，基站从最高优先级的M2M组开始，通过PDCCH信道，定义新的下行控制信息：给该M2M组中每一个M2M终端指示可以发送调度请求的资源位置索引；如果在该M2M组占用PUCCH调度请求资源的时间内，监测到该M2M组发送调度请求数量很少，则表明该M2M组并没有突发业务，则再次通过所述新的下行控制信息回收分配的PUCCH调度请求资源，转而为下一服务质量优先级的M2M组重新分配PUCCH调度请求资源。

其中，基站估算各M2M组中M2M终端完成上行业务传输的最大时延决定所述M2M组占用PUCCH调度请求资源的时间。

当待分配给所述M2M终端的PUCCH调度请求资源大于所述PUCCH的预留给M2M终端的调度请求资源时，扩大所述预留的调度请求资源数目。例如本实施例中，根据基站中保存的第n个M2M组中M2M终端的数目NUMn以及SR周期T_n，计算每个传输时间间隔TTI需要为所述第n个M2M组分配的PRB-Pairs数目为基站计算待分配给M2M终端的PUCCH PRB-Pairs数目的最大值为： $\mathrm{Max}\{\frac{1}{T_1}{\mathrm{NUM}}_1/(m*\frac{N_{\mathrm{SC}}^{\mathrm{RB}}}{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{shift}}^{\mathrm{PUCCH}}}),...,\frac{1}{T_n}{\mathrm{NUM}}_n/(m*\frac{N_{\mathrm{SC}}^{\mathrm{RB}}}{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{shift}}^{\mathrm{PUCCH}}})\}.$ 如果上述待分配最大的PUCCH PRB-Pairs数目超过了基站预留的PRB-Pairs数目则基站将分配给PUCCH Format 1a/1b发送的资源起始位置动态调整为以扩大所述预留的调度请求资源数目。

若基站检测到M2M终端发送的调度请求恢复到低于当前系统PRACH的负载门限值，则预估某一个或几个M2M组可能完成了群呼叫或是周期性上报，基站通过PDCCH信道发送下行控制信息回收分配的PUCCH调度请求资源；M2M终端监听到PDCCH发送的回收的下行控制信息，动态释放PUCCH调度请求资源。

本发明在PRACH信道发生碰撞时，动态为M2M业务终端配置PUCCH SR资源，缓解PRACH信道的拥塞，最终达到M2M业务终端的服务质量要求。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种M2M终端接入网络的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基站将多个M2M终端划分成多个M2M组，使得属于同一M2M组的M2M终端具有相同的业务类别和相同的服务质量等级；

S2：M2M终端上电获得初始上行同步，并保持上行同步状态；

S3：基站计算当前系统的PRACH和PUCCH信道容量；

S4：M2M终端产生上行数据等待发送时，优先通过PRACH信道发送调度请求，当PRACH信道出现碰撞时，基站动态为M2M终端分配PUCCH调度请求资源，M2M终端通过PUCCH信道发送调度请求；

步骤S4中当PRACH信道出现碰撞时，基站动态为M2M终端分配PUCCH调度请求资源，M2M终端通过PUCCH信道发送调度请求的步骤具体为：

M2M监听PDCCH信道，基站检测M2M终端在PRACH信道上发送的调度请求是否超过当前系统PRACH的负载门限值：

若未超过，则基站通过PRACH信道发送随机接入应答，M2M终端继续通过PRACH信道发送调度请求；

若超过，则基站通过PDCCH信道发送下行控制信息，为M2M终端动态分配PUCCH调度请求资源；M2M终端监听到PDCCH发送的下行控制信息，终止随机接入过程，并在基站分配的PUCCH信道上发送调度请求；直到基站检测到M2M终端发送的调度请求低于当前系统PRACH的负载门限值，基站通过PDCCH信道发送下行控制信息回收分配的PUCCH调度请求资源；M2M终端监听到PDCCH发送的回收的下行控制信息，动态释放PUCCH调度请求资源；

其中，所述基站通过PDCCH信道发送下行控制信息，为M2M终端动态分配PUCCH调度请求资源的步骤具体为：

按照M2M组服务质量优先级的高低，基站从最高优先级的M2M组开始，通过PDCCH信道，定义新的下行控制信息：给该M2M组中每一个M2M终端指示发送调度请求的资源位置索引；如果在该M2M组占用PUCCH调度请求资源的时间内，监测到该M2M组发送调度请求数量很少，则表明该M2M组并没有突发业务，则再次通过所述新的下行控制信息回收分配的PUCCH调度请求资源，转而为下一服务质量优先级的M2M组重新分配PUCCH调度请求资源。

2.如权利要求1所述的M2M终端接入网络的方法，其特征在于，在所述步骤S4之前还包括基站根据服务质量等级的高低对所述多个M2M组进行排序的步骤。

3.如权利要求1所述的M2M终端接入网络的方法，其特征在于，所述M2M组占用PUCCH调度请求资源的时间由各M2M组中M2M终端完成上行业务传输的最大时延决定。

4.如权利要求1所述的M2M终端接入网络的方法，其特征在于，所述步骤S3计算当前系统的PUCCH信道容量的步骤之后还包括给M2M终端预留调度请求资源的步骤。

5.如权利要求4所述的M2M终端接入网络的方法，其特征在于，当待分配给所述M2M终端的PUCCH调度请求资源大于所述PUCCH的预留给M2M终端的调度请求资源时，扩大所述预留的调度请求资源数目。