CN108401265B

CN108401265B - 一种用于机器对机器通信的随机接入控制方法

Info

Publication number: CN108401265B
Application number: CN201710069886.9A
Authority: CN
Inventors: 钱骅; 周婷; 王海峰
Original assignee: Prop Intellectual Property Rights Shanghai Co ltd
Current assignee: Nanjing Haihua Information Technology Co ltd
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: CN108401265A

Abstract

本发明公开了一种用于机器对机器通信的随机接入控制方法。该方法包括以下步骤：机器向作为网关的蜂窝设备发送前导序列；蜂窝设备根据前导序列执行初期冲突检测，向演进型基站发送随机接入检测报告；演进型基站根据随机接入检测报告分配随机接入资源。本发明避免了隐藏节点和暴露节点问题，对随机接入请求信息进行动态资源分配，实现了资源复用和随机接入前导复用。

Description

一种用于机器对机器通信的随机接入控制方法

技术领域

本发明涉及一种随机接入控制方法，尤其涉及一种用于机器对机器通信的随机接入控制方法，属于物联网技术领域。

背景技术

在未来的物联网（internet of things）世界中，机器对机器通信（Machine-to-machine，简称M2M）被认为是其中最主要的技术形态之一。M2M技术侧重于移动终端的互联和集控管理，是通信营运商的主要物联网业务领域。目前，如何将无线传感器、传感器网络与蜂窝无线系统进行深度集成，仍然是M2M技术中亟需解决的主要技术问题之一。

图1显示了现有技术中，在蜂窝无线系统中实现M2M技术的一个解决方案示例。该系统中包括演进型基站（简称eNB）、多个作为M2M网关的蜂窝设备/用户设备（图1中以UE A、UE B、UE C以及UE D为例），以及多个分别与蜂窝设备/用户设备连接的M2M机器（简称机器）。其中，M2M机器只有一个空中接口（LTE TDD），并且共享FDD/TDD蜂窝无线系统的下行信道的频谱。如图1所示，不同的机器需要在作为M2M网关的蜂窝设备/用户设备的帮助下将数据发送给演进型基站。在此，假设所有作为网关的蜂窝设备/用户设备都处于RRC（radioresource control，无线资源控制）连接模式。

其中，演进型基站采用FDD方式使用蜂窝系统的下行信道和上行信道，并且在下行载波上向机器和蜂窝设备（M2M网关）发送信号，在上行载波上只从作为网关的蜂窝设备接收信号。

蜂窝设备/用户设备（具备充当M2M网关或传感器网关的能力，简称网关UE）采用FDD方式使用蜂窝系统的上行信道和下行信道。在上行载波上向演进型基站发送信号，在下行载波上从机器和演进型基站接收信号。

机器采用TDD方式使用蜂窝系统的下行信道资源。在下行载波上向蜂窝设备或可选地向其它机器发送信号，并在下行载波上从演进型基站或可选地从其它机器接收信号。

随机接入信道（RACH）的拥塞问题已在3GPP中被广泛讨论，其中大量的机器可能会被同一个事件触发，同时开始它们的随机接入过程。由于LTE中的RACH数量有限，这种情况将不可避免地引起严重的拥塞，因为许多机器将在同一个RACH上尝试进行接入。

对于图1中的场景，一种缓解RACH拥塞的解决方案是实现资源复用，其中两个相距很远的机器可以同时使用相同的无线资源，向它们对应的网关UE发送随机接入请求信息。为了实现这种复用，一个需要进行随机接入的机器将首先发送一个占用信号来预占用随后用于传输随机接入请求信息的预留资源。随机接入请求信息中包含了详细的机器标识（ID）和相关的信息。当网关UE成功接收到随机接入请求信息后，它将通过专用信令信道把信息转发给演进型基站。在这个解决方案中，占用信号有两个主要的功能：

(1)通过占用信号进行预冲突控制：任何听到占用信号的机器在一定时间内将不会发送占用信号。因此只有一个机器（在理想情况下）发送了占用信号，它将使用预留的资源来发送它的随机接入请求信息。其它机器将延迟它们的随机接入至下一个随机接入周期。需要注意的是，当两个机器同时发送占用信号，并且它们没有检测到对方时，在预留资源上也可能会发生冲突。

(2)复用控制：由于没有检测到任何占用信号的机器可以发送占用信号，因此用于发送随机接入请求信息的预留资源可以被相距很远的机器复用。如果一个机器由于和其它机器相距很远而无法听到任何占用信号，那么它无疑可以复用资源进行低功率的随机接入请求信息传输。

但是，上述解决方案中仍然存在以下问题：

(1)因为机器在同一时间只能处于检测状态或者处于发送占用信号的状态，所以预冲突控制只能在时域上的一系列M2M RACH（用于传输占用信号）上执行。

(2)用于发送随机接入请求信息的资源是事先被预留好的，无法根据请求的负载情况动态地变化。因此，一旦大量机器被触发，它们的随机接入过程将经历很长的时延。

(3)因为复用的执行取决于机器是否监测到占用信号，因此隐藏节点问题和暴露节点问题将会降低资源复用的效率。

隐藏节点问题: 这个问题如图2所示。当机器M1发送占用信号时，机器M2离M1较远，M2无法听到占用信号. 因此，M2可以向同一个网关UE发送它自己的占用信号。在随后的随机接入请求信息传输中，M2发送的信号将干扰M1发送的信号。

暴露节点问题: 这个问题如图3所示。机器M1和M2本来可以复用资源，因为它们对UEA 和UEB的干扰是可以接受的。但是，因为M2可以听到M1的占用信号，因此M2将不会复用资源进行随机接入请求信息的传输。

(4)由于网关UE只将随机接入请求信息转发给演进型基站，演进型基站无法获得资源复用的信息。因此，演进型基站无法考虑资源复用的情况，对未来机器的业务进行调度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于机器对机器通信的随机接入控制方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于机器对机器通信的随机接入控制方法，包括以下步骤：

机器向作为网关的蜂窝设备发送前导序列；

所述蜂窝设备根据所述前导序列执行初期冲突检测，向演进型基站发送随机接入检测报告；

所述演进型基站根据所述随机接入检测报告分配随机接入资源。

其中较优地，所述蜂窝设备将其检测到的没有冲突的前导序列标识发送给所述演进型基站。

其中较优地，所述随机接入检测报告包括格式域，用于表示所述前导序列的格式。

其中较优地，所述格式域使用不同值分别表示用位图方式或者长度方式。

其中较优地，所述随机接入检测报告在采用长度方式表示所述前导序列时，包括所述格式域和长度域。

其中较优地，所述演进型基站只为所述蜂窝设备上报的每个不同的前导序列分配资源。

其中较优地，当两个所述蜂窝设备报告了相同的前导序列时，所述演进型基站为所述两个蜂窝设备分配相同的资源。

其中较优地，所述蜂窝设备基于其上报的所述前导序列和所述演进型基站分配的资源，决定接收行为。

与现有技术相比较，本发明所提供的随机接入控制方法避免了隐藏节点和暴露节点的问题，对随机接入请求信息进行动态资源分配，实现了资源复用和随机接入前导复用。

附图说明

图1是蜂窝无线系统中，实现M2M技术的一个解决方案示例图；

图2是本发明所提供的随机接入控制方法的流程图；

图3是本发明中，随机接入检测报告的一种格式示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容展开进一步的详细说明。

为了克服现有技术的缺点，并避免RACH拥塞问题，本发明提出由网关UE（有能力作为网关的蜂窝设备）对M2M机器的随机接入前导序列进行初期的冲突检测。然后，网关UE向演进型基站发送一个随机接入检测报告。

此后，基于所有网关UE的随机接入检测报告，演进型基站可以获得足够的资源复用信息。因此，演进型基站可以考虑资源复用的情况，对紧接着的随机接入请求信息和未来机器的业务进行资源分配。

每个网关UE可以根据它之前上报的随机接入前导序列和随后来自演进型基站的与随机接入相关的PDCCH（physical downlink control channel，物理下行控制信道）调度，来自动决定对机器发送信号的接收行为。因此，不需要添加额外的信令来通知网关UE的接收行为，信令开销可以降低。

本发明所提供的随机接入控制方法主要包括四个特点：第一个是网关UE的初期冲突检测和随后发送给演进型基站的随机接入检测报告。第二个是演进型基站考虑资源复用情况后对随机接入请求信息的资源分配算法。第三个是网关UE根据它之前上报的前导序列和与随机接入相关的PDCCH调度，自动决定它的接收行为。第四个是演进型基站可以利用随机接入检测报告中的复用信息，考虑机器之间的资源复用，对机器未来的业务进行调度。

如图2所示，本发明所提供的随机接入控制方法包括以下步骤：

步骤a：机器从预定义的前导序列组中随机选择一个随机接入前导序列，并且发送给作为网关的蜂窝设备。

在如图1所示的M2M系统场景中，当机器获得RACH的位置信息后，它们将随机选择一个延迟，并从预定义的前导序列组中随机选择一个随机接入前导序列，然后在随机接入信道上在随机选择的延迟之后发送随机接入前导序列。需要注意的是在这里讨论的M2M场景中，RACH是在下行频谱上的，它的位置可以由演进型基站通过广播信道进行通知。M2M机器向所述蜂窝设备发送所述前导序列后，仅有网关UE会检测所有机器发送的前导序列，因此不会产生现有技术中的隐藏节点问题或暴露节点问题。

从根本上来说，有两种机器随机接入前导序列的选择方式。如果为机器定义了新的随机接入无线网络临时标识（RA-RNTI），那么机器的随机接入将完全不会影响蜂窝设备/用户设备的随机接入，因为相比于蜂窝设备/用户设备在上行帧中使用RACH，机器是在下行帧中使用不同的RACH。在这种情况下，机器和网关UE可以在它们的随机接入过程中复用相同的前导序列组。

在另一种选项中，现存的LTE RA-RNTI既被用于网关UE的随机接入，也被用于机器的随机接入，原本的蜂窝前导序列组将被分为两个子集：一个用于网关UE；另一个用于机器。这时，网关UE的随机接入将会被机器的随机接入影响，虽然不需要对RA-RNTI进行改变。

步骤b：网关UE执行冲突检测，并向基站发送随机接入检测报告。

当机器发送随机接入前导序列后，本发明中的网关UE将执行初期的冲突检测，以找到本地的冲突，即本地的机器冲突将直接由网关UE进行检测，只有不冲突的随机接入前导序列才会被报告给演进型基站。

当然在一些特殊情况下，两个机器会同时向同一个网关UE发送相同的前导序列。这种情况下网关UE将无法发现冲突，直到下次两个机器在相同的资源上发送随机接入请求失败。

在初期冲突检测后，网关UE将把检测到的没有冲突的前导序列标识通过专用信令信道报告给演进型基站。因为在本发明中假设网关UE是处于RRC连接状态的，因此每个网关UE都有一条与演进型基站的专用信令信道。

此外，有两种方法在随机接入检测报告中表示检测到的前导序列。一种是通过每个检测到的前导序列的序号（sequence number，SN）。另一种是通过位图的方法。需要注意的是不同的方法会在报告信息中产生不同的信令开销。例如，当检测到的前导序列数量较少时，序号的表示方式可能会更有效。而当检测到的前导序列数量较多时，位图的表示方式可能会更有效。

在本发明中，网关UE将基于检测到的机器发送的前导序列的数量，动态地选择一个合适的格式。因此随机接入检测报告的信令格式将包含一个“F” 域（格式域），用于指示报告采用的格式。一种格式的例子如图3所示，其中“Len”域（长度域）将被插入到“F”域之后，用于指示随后的“SN”（序号）信息的长度。如果定义了64个随机接入前导序列用于M2M的随机接入，那么每个序号需要6个比特来标识一个随机接入前导序列。在这种情况下，如果检测到的前导序列数量大于10，位图的表示方式会有更小的信令开销。因此，4个比特足够用于“Len”域。

本领域普通技术人员可以理解，本发明的随机接入检测报告的信令格式，作为替代方案，也可以是固定使用位图或者长度格式，这时的信令格式中不需要格式域。

由于LTE（考虑了实时语音业务）可以接受一定的时延，而且，当许多机器被触发时，随机接入过程的延迟不取决于随机接入信号处理造成的小时延，而是取决于冲突造成的等待时间。因此，网关UE向演进型基站反馈随机接入检测报告带来的时延是在可以接受的程度。再者，本发明对随机接入请求信息进行了动态资源分配，即使考虑到网关UE向演进型基站反馈随机接入检测报告带来的时延，整体上本发明的随机接入控制方法还是可以加快机器随机接入的过程。

步骤c：演进型基站考虑资源复用，为每个上报的随机接入前导序列标识分配随机接入资源。

当演进型基站从所有网关UE收集到所有随机接入检测报告后，演进型基站将考虑不同网关UE之间的资源复用，为不同的随机接入前导序列分配资源。具体而言，当两个网关UE报告了一个相同的前导序列时，不需要分开处理它们，而是把它们当作同一个前导序列，为它们分配相同的资源，实现资源复用。这是因为只有当它们之间可以复用资源时，两个（或多个）不同的网关UE才会报告一个相同的前导序列。否则，一个网关UE会检测到两个相同的前导序列，这会被网关UE认为是发生了冲突。因此，演进型基站只需要为网关UE上报的每个不同的前导序列分配资源。如果在这一轮随机接入前导序列收集中发现一个前导序列已经被另一个网关UE报告过了，并且已经为它分配了资源，那么演进型基站只需要跳过它，处理下一个上报的随机接入前导序列。因此，在演进型基站的PDCCH通知中，资源只需要与不同的前导序列关联。与传统的LTE是相同的，与随机接入相关的资源通知信令不需要做任何改变。

步骤d：机器根据基站的资源分配向网关UE发送随机接入请求信息。

当机器接收到与随机接入相关的PDCCH调度后，它们在分配给各自之前发送的随机接入前导序列的资源上继续向网关UE发送随机接入请求信息。在随机接入请求信息中，详细的信息例如机器标识、服务类型、带宽请求等可以进一步通过网关UE转发给演进型基站，因此演进型基站可以为机器未来的业务分配资源。

需要注意的是通过利用随机接入检测报告中的信息，演进型基站可以考虑不同机器之间的资源复用，为机器未来的业务分配资源。此外，不需要向网关UE通知它们对于随机接入请求信息的接收行为，因为每个网关UE可以基于它之前上报的前导序列和演进型基站的与随机接入相关的PDCCH调度，来决定它的接收行为。

步骤e：网关UE基于随机接入前导序列和基站的PDCCH调度，决定接收行为。

每个网关UE可以基于它之前上报的前导序列和演进型基站分配的PDCCH，接收来自机器的随机接入请求信息，实现随机接入。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1. 避免了隐藏节点问题和暴露节点问题，因为随机接入前导序列的接收方只有网关UE。机器不需要基于占用信号检测来决定它是否发送随机接入前导序列。

2. 对随机接入请求信息的动态资源分配。当许多机器被触发时，更多资源可以被分配用于随机接入请求信息的传输。相比于预留资源的方式，本发明的动态分配随机接入资源的方式可以加快机器随机接入的过程。

3. 演进型基站可以从随机接入检测报告中获得资源复用信息。资源复用可以被考虑用于随机接入请求信息的传输和未来机器业务的传输。

4. 本发明也实现了随机接入前导序列复用。例如，当两个距离较远的网关UE检测到同一个随机接入前导序列（来自于两个不同的机器），并且没有发生冲突时，两个机器的随机接入都会成功，尽管它们发送了相同的随机接入前导序列。

上面对本发明所提供的M2M通信系统中随机接入控制方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.一种用于机器对机器通信的随机接入控制方法，其特征在于包括以下步骤：

机器向作为网关的蜂窝设备发送前导序列；

所述演进型基站收集到所有随机接入检测报告后，根据所述随机接入检测报告为每个上报的随机接入前导序列分配随机接入资源；其中，当两个蜂窝设备报告了相同的前导序列时，所述演进型基站为两个所述蜂窝设备分配相同的资源。

2.如权利要求1所述的随机接入控制方法，其特征在于：

所述蜂窝设备将其检测到的没有冲突的前导序列标识发送给所述演进型基站。

3.如权利要求1所述的随机接入控制方法，其特征在于：

所述随机接入检测报告包括格式域，用于表示所述前导序列的格式。

4.如权利要求3所述的随机接入控制方法，其特征在于：

所述格式域使用不同值分别表示用位图方式或者长度方式。

5.如权利要求3所述的随机接入控制方法，其特征在于：

所述随机接入检测报告在采用长度方式表示所述前导序列时，包括格式域和长度域。

6.如权利要求1或2所述的随机接入控制方法，其特征在于：

所述演进型基站只为所述蜂窝设备上报的每个不同的前导序列分配资源。

7.如权利要求6所述的随机接入控制方法，其特征在于：

所述蜂窝设备基于其上报的所述前导序列和所述演进型基站分配的PDCCH调度，决定接收行为。