CN108924939A - 用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于NB‑IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，包括步骤：采用Single‑tone方式发送NB‑IoT***随机接入的由四个Symbol Groups构成的前导码，依次获取四个所述Symbol Groups的子载波索引，并根据子载波索引区分所述前导码；依据设备的已等待时延与设备允许最大时延之间的比值α来划分设备的优先级，并根据比值α进行分组规划；eNodeB通过NPBCH信道将前导码的划分方案通知各终端设备；请求接入的设备根据eNodeB对接入前导码组的划分方案发起随机接入；若在等待时间窗口内未得到相应,则视为接入冲突,设备根据退避规则重新接入,超过最大接入次数直接判定接入失败；本发明适用于海量设备接入的情况，可以保证高优先级设备具有很高的接入成功率，并且降低了设备的接入延时。

Description

用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法
技术领域
本发明属于物联网中终端设备的接入技术领域，尤其涉及一种用于NB-IoT(Narrow Band Internet ofThings，窄带物联网)***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法。
背景技术
NB-IoT属于低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)的一种，它是可以定义在授权频谱下的通信技术。
NB-IoT承载的业务中，机器类通信(machine-type communications，MTC)业务占据了相当大的份额。MTC业务的急速增长使得大量MTC设备试图同时接入无线网络，这很容易导致无线接入网络过载和接入成功率低。
在LTE***中,针对无线接入网络的过载控制提出了各种方案,其中3GPP建议的接入等级限制(Access Class Barring，ACB)被认为是有效且实际可实施的过载控制方案。
由于NB-IoT承载的主要是海量的延迟不敏感的业务，ACB机制的接入禁止参数更新速度迟缓,无法应对群发性接入请求行为,极易引起网络拥塞,所以相对于ACB，扩展接入等级控制(Extend Access Barring，EAB)机制对控制RAN过载更加有效。
扩展接入等级控制(ExtendAccess Barring，EAB)方案，EAB机制的原理是：针对时延不敏感的MTC设备，运营商将这些时延不敏感的MTC设备分为10个接入类，这些配置的信息都存储在MTC设备的身份认证模块(Universal Subscriber Identity Module，USIM)卡中。AC0-AC9均为普通接入类别，是随机地分配给MTC设备。设备在发起随机接入之前，需要从广播消息中获取EAB参数，根据该参数来确定自己是否能够进行随机接入。为了加快设备获取EAB参数的速度，网络需要及时更新EAB参数，设备再根据最新的EAB参数进行接入判断。
虽然EAB机制可以对接入网络过载起到一定的遏制作用，但是当接入拥塞非常严重的情况下，EAB机制必须保证十分迅速的参数更新和设备的参数获取，否则EAB机制来不及反应，不能最大限度地缓解过载问题。
除此之外,近年来文献中也提出了各种能够控制过载的设备接入方案。例如：
1、基于流量感知的M2M网络大规模接入的ACB方案
该方案是目的是在网络负载的基础上动态调整接入概率参数，称为阻塞因子，从而容纳更多的M2M设备，降低接入延迟。为了实现这一目标，该方案首先根据碰撞状态，提出了基于马尔可夫链的交通负荷估计方案，依据符合估计来灵活调整ACB参数。
2、LTE-A中基于分组的机器类通信的两阶段无线接入方案
该方案是一种两级无线接入方案，以缓解MTC的冲突。在该方案中，将大量的UE划分为若干组，组长负责调用随机接入信道(RandomAccess Channel，RACH)资源，小组成员不会直接竞争前导码，从而减少接入网络的过载。
上述的方案虽然在处理接入过载问题中获得了不错的性能，但是这些机制仅适用于没有优先级的UE传输模式，如果UE具有不同的优先级，就不能采取上述方案来处理网络过载问题。
在NB-IoT中，与LTE类似，UE同样是在空闲模式和连接模式下进行随机接入过程，但是NB-IoT在R13(Release 13)中仅支持基于竞争的随机接入以及在下行数据到达情况下由PDCCHorder触发的随机接入。除此之外，它还不支持PUCCH信道以及切换功能，因此在NB-IoT***中触发随机接入的相关应用场景也被简化成如下4种：
(1)无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)空闲状态下的初始接入过程；(2)RRC连接重建过程；(3)RRC连接状态下，接收下行数据时(上行失步)；(4)RRC连接状态下，发送上行数据时(上行失步或者触发调度请求时)。
在上述应用场景中，仅只有第1种场景是在空闲模式下进行随机接入过程，余下的3种场景都是在连接模式下进行随机接入过程，并且4种场景触发的随机接入都是基于竞争的方式。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，该方法基于设备优先级分组和前导码分组，在海量设备接入场景下,保证高优先级设备具有很高的接入成功率,并且降低了设备的接入时延，具体技术方案如下：
一种用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，所述方法包括步骤：
采用Single-tone方式发送NB-IoT***随机接入的由四个Symbol Groups构成的前导码，依次获取四个所述Symbol Groups的子载波索引，并根据子载波索引区分所述前导码；
依据设备的已等待时延与设备允许最大时延之间的比值α来划分设备的优先级，随后结合聚类算法将形同或相近比值α的设备规划为一组，将发起接入的设备规划为n组；
eNodeB根据优先级的划分将前导码划分为对应的n组，并分别计算各前导码组Qi，并通过NPBCH信道将前导码的划分方案通知各终端设备；
请求接入的设备根据eNodeB对接入前导码组的划分方案，选取相对应的接入前导码通过NPRACH信道发起随机接入；
判断随机接入是否发生冲突，若随机接入未发生冲突，eNodeB会后续分配通信资源，若随机接入存在冲突，则判定随机接入失败；
判断随机接入是否发生冲突，若随机接入未发生冲突，eNodeB会后续分配通信资源，若随机接入存在冲突，则判定随机接入失败；且若设备在等待响应时间窗口为得到响应，也视为随机接入失败。
作为优选，所述方法还设置有规避规则以及对应的退避窗口，所述退避窗口上设置有指定数量的退避值；所有设备最大可进行三次退避，若三次退避后仍未完成随机接入，则判定随机接入失败。
作为优选，所述Symbol Groups包括一个循环前缀和五个Symbol，且每个所述Symbol Groups之间有跳频。
作为优选，所述比值α满足公式其中，所述比值α越大，表明所述设备的优先级越高。
作为优选，所述NB-IoT的带宽为180kHz。
作为优选，所述前导码组Qi由公式表示，其中，floor函数是向下取整函数,Npre是接入前导码的总数，Ni为当前组内设备数量，N是设备总数,λi当前组i优先级的权重值,优先级越高，权重值λi越大；其中权重值λi应当满足公式和关系λi≥λi+1，i＝1,2,3，...n。
作为优选，所述退避窗口用表示，且所述退避窗口满足公式 表示使用第i组前导码组第j次退避窗口的大小，n为前导码分组总数；其中，若j＝2,3,此时，在0～backoff之间随机选择一个值作为退避窗口,backoff的最大值为524288ms。
作为优选，所述等待响应时间窗口按照指定大小设置。
本发明的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，首先对前导码进行排序，随后根据设备组级别数将前导码对应分成若干组，随后通过eNodeB将前导码的分配方案通过广播通知各终端设备，最后判断随机接入是否成功；与现有技术相比，本发明实现了NB-IoT***随机接入过程中的优先级的划分，保证了高优先级设备的接入成功率，并且降低了设备的接入时延。
附图说明
图1为本发明所述用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法流程图示意；
图2为本发明所述NB-IoT***的随机接入过程流程图；
图3为本发明中前导码资源分配方案示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参阅图1、图2和图3，在本发明实施例中，提供了一种用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，优选的，本发明以一个由一个eNodeB和多个MTC设备组成的小区为例进行说明本发明的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其中，小区内可接入前导码的总数为48个，且优选MTC设备的优先级仅有两种，将高优先级的MTC设备记录为U1，低优先级的MTC设备记录为U2，其中，U1与U2的数量比例为1:4，NB-IoT***中允许接入的MTC设备最大值为3000个；所述用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法具体步骤描述如下：
首先，本发明采用不同于LTE中随机接入的前导码使用Zadoff-Chu序列的Single-tone方式发送NB-IoT***随机接入的前导码，NB-IoT***中子载波间隔为3.75kHz，且NB-IoT***中使用的Symbol为一个定值；本发明中，MTC设备之间一次随机接入的前导码由四个Symbol Groups构成的基本单位组成，其中，一个Symbol Groups包括一个循环前缀加上5个Symbol；每个Symbol Groups之前会有跳频；且四个Symbol Groups内,根据第一个SymbolGroups的子载波索引，可以获知第二个、第三个、第四个Symbol Groups的子载波索引；将选择传送的随机接入前导码即是选择起始的子载波；即可以根据子载波索引来区分前导码；因为NB-IoT***的带宽为180kHz，故而可配置的子载波个数可达到48个，即前导码数目可达48个。
然后，依据MTC设备的已等待时延与设备允许最大时延之间的比值α来划分设备的优先级，随后结合聚类算法将形同或相近比值α的设备规划为一组，将发起接入的MTC设备规划为n组；其中，比值α越大，说明MTC设备的接入优先级就越高；随后，eNodeB根据优先级的划分将前导码划分为与MTC设备对应的n组，各前导码组用Qi表示并分别计算Qi的具体值，接着通过NPBCH信道将前导码的划分方案通知各终端设备。
在本发明实施例中，比值α满足公式其中，所述比值α越大，表明所述设备的优先级越高；各前导码组Qi通过公式表示，其中，floor函数是向下取整函数,Npre是接入前导码的总数，Ni为当前组内设备数量，N是设备总数,λi为当前组i优先级的权重值，优先级越高，权重值λi越大；其中权重值λi应当满足公式和关系；其中，前导码的具体分配方案可通过下表表示：
优先级组 Q1 Q2
前导码数量 36 12
随后，在NB-IoT***中，请求接入的MTC设备根据eNodeB对接入前导码组的划分方案，选取相对应的接入前导码通过NPRACH信道发起随机接入；并在接入过程中判断随机接入是否发生冲突，若随机接入未发生冲突，eNodeB会后续分配通信资源，若随机接入存在冲突，则判定随机接入失败；且若设备在等待响应时间窗口为得到响应，也视为随机接入失败。
在本发明实施例中，在MTC设备的接入过程中，还设置有规避规则以及对应的退避窗口，用表示，退避窗口满足公式 表示使用第i组前导码组第j次退避窗口的大小，n为前导码分组总数；在随机接入过程中，MTC设备可以根据实际情况实施退避操作，实现可多次尝试接入的操作，从而提高随机接入的成功率；并且在退避窗口上设置有指定数量的退避值，退避值的取值范围为[0,3]，即所有MTC设备最大可进行三次退避，最小不需要退避即可完成随机接入操作；若三次退避后仍未完成随机接入的操作，则判定随机接入失败。
优选的，在退避规则下，若退避窗口中j＝2,3,此时，在0～backoff之间随机选择一个值作为退避窗口，backoff的最大取值为524288ms。
优选的，在具体实施例汇总，等待响应时间窗口按照指定大小设置，本发明并不对其进行限制和固定，可根据实际情况进行设定。
本发明的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，首先对前导码进行排序，随后根据设备组级别数将前导码对应分成若干组，随后通过eNodeB将前导码的分配方案通过广播通知各终端设备，最后判断随机接入是否成功；与现有技术相比，本发明实现了NB-IoT***随机接入过程中的优先级的划分，保证了高优先级设备的接入成功率，并且降低了设备的接入时延。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (8)

1.用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
采用Single-tone方式发送NB-IoT***随机接入的由四个Symbol Groups构成的前导码，依次获取四个所述Symbol Groups的子载波索引，并根据子载波索引区分所述前导码；
依据设备的已等待时延与设备允许最大时延之间的比值α来划分设备的优先级，随后结合聚类算法将形同或相近比值α的设备规划为一组，将发起接入的设备规划为n组；
eNodeB根据优先级的划分将前导码划分为对应的n组，并分别计算各前导码组Qi，并通过NPBCH信道将前导码的划分方案通知各终端设备；
请求接入的设备根据eNodeB对接入前导码组的划分方案，选取相对应的接入前导码通过NPRACH信道发起随机接入；
判断随机接入是否发生冲突，若随机接入未发生冲突，eNodeB会后续分配通信资源，若随机接入存在冲突，则判定随机接入失败；
判断随机接入是否发生冲突，若随机接入未发生冲突，eNodeB会后续分配通信资源，若随机接入存在冲突，则判定随机接入失败；且若设备在等待响应时间窗口为得到响应，也视为随机接入失败。
2.根据权利要求1所述的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述方法还设置有规避规则以及对应的退避窗口，所述退避窗口上设置有指定数量的退避值；所有设备最大可进行三次退避，若三次退避后仍未完成随机接入，则判定随机接入失败。
3.根据权利要求1所述的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述Symbol Groups包括一个循环前缀和五个Symbol，且每个所述SymbolGroups之间有跳频。
4.根据权利要求1所述的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述比值α满足公式其中，所述比值α越大，表明所述设备的优先级越高。
5.根据权利要求1所述的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述NB-IoT的带宽为180kHz。
6.根据权利要求1所述的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述前导码组Qi由公式表示，其中，floor函数是向下取整函数,Npre是接入前导码的总数，Ni为当前组内设备数量，N是设备总数,λi为当前组i优先级的权重值,优先级越高，权重值λi越大；其中权重值λi应当满足公式和关系λi≥λi+1，i＝1,2,3，...n。
7.根据权利要求1所述的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述退避窗口用表示，且所述退避窗口满足公式 表示使用第i组前导码组第j次退避窗口的大小，n为前导码分组总数；其中，若j＝2,3,此时，在0～backoff之间随机选择一个值作为退避窗口,backoff的最大值为524288ms。
8.根据权利要求1所述的用于NB-IoT***区分设备优先级的上行传输前导码分配方法，其特征在于，所述等待相应时间窗口按照指定大小设置。
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