CN111132176B - 一种抗高并发nb-iot网络通讯方法和*** - Google Patents

Abstract

一种抗高并发NB‑IOT网络通讯方法和***，所述方法包括以下步骤：获取控制指令；根据所述控制指令下发寻呼消息；根据所述寻呼信号完成寻呼信道的容量优化；通过容量优化后的寻呼信道接收所述寻呼消息并根据所述寻呼消息执行所述控制指令；本发明技术方案通过对寻呼信道容量的优化提升以及对基站接入容量进行优化，大幅度提升高并发指令下发成功率，解决了同一时刻大量客户下发指令带来的时延和丢包问题，同时无需增加硬件投资，节约大量成本，进而推广到NB‑IOT下行高并发应用场景中，加速NB‑IOT网络通信的标准化、规范化，可广泛应用于物联网技术领域。

Description

一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法和***

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，尤其是一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法和***。

背景技术

术语解释：

NB-IOT(Narrow Band Internet of Things)：窄带物联网，万物互联网络的一个重要分支。NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IOT)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低等特点。

下行高并发：针对下行控制的业务场景，在同一时间有多个用户同时使用业务时，同时下发命令，会出现网络侧拥塞等情况。

NB-IOT是IOT作为一项新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IOT实现物与物通信、物与人通信。NB-IoT构建于蜂窝网络，带宽为180KHz，主要聚焦于小数据量、小速率应用。NB-IOT网络的特性决定了该网络适合于数据包较小、上报周期较长的上报型业务。但随着NB-IOT物联网业务的发展，逐渐出现以智能家电为代表的人机交互场景应用，例如共享洗衣机、共享空调等应用，没有固定的下发时间，可能存在某时刻大量用户同时下发指令，对网络冲击较大，容易产生时延大甚至丢包情况。

现有的技术方案仅能针对NB上报类业务在终端侧进行离散处理来降低网络负荷；对于新型人机交互场景，只能靠增加基站、增加载波等软硬件投资等方法来扩容网络，解决负荷问题；在不增加软硬件成本的前提下，尚无好的优化方法解决下行高并发带来的时延和丢包。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种无需增加软硬件成本、规范化和标准化的抗高并发NB-IOT网络通讯方法和***。

本发明所采取的第一种技术方案是：

一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法，包括以下步骤：获取控制指令；根据所述控制指令下发寻呼消息；根据所述寻呼信号完成寻呼信道的容量优化；通过容量优化后的寻呼信道接收所述寻呼消息并根据所述寻呼消息执行所述控制指令。

进一步，所述一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法，还包括以下步骤：根据所述控制指令生成应答信号；建立用于回传所述应答信号的无线承载，并完成所述无线承载的接入容量优化；通过容量优化后的无线承载完成所述应答信号的回传。

进一步，所述寻呼信道的容量优化包括寻呼资源分配优化和平衡调制与编码策略。

进一步，所述接入容量优化包括：对所述无线承载的物理随机接入信道进行优化；抑制优化后的物理随机接入信道的非真实接入，完成虚接优化。

进一步，所述接入容量优化还包括：调整基站覆盖等级；通过调整覆盖等级后的基站的动态补偿机制降低所述接入信道的拥塞。

进一步，所述寻呼资源分配优化其步骤具体包括：根据首次寻呼消息完成空口资源的预留；根据非首次寻呼消息动态调整所述空口资源中寻呼容量的分配；根据调整后的寻呼容量将缓存的寻呼消息直接下发。

进一步，所述对所述无线承载的物理随机接入信道进行优化，其具体包括：通过减小物理随机接入信道的周期，提升所述物理随机接入信道的容量；通过设置不同的物理随机接入信道的频域，抑制所述频域上的干扰。

本发明所提供的第二种技术方案可对应实现本发明第一种技术方案的***，其具体为：

一种抗高并发NB-IOT网络通讯***，包括：

用户服务器，用于生成控制指令和接收控制指令应答；

核心网，用于根据所述控制指令生成寻呼消息并下发到基站，同时用于与用户服务器和基站完成数据交互；

基站，用于根据所述寻呼信号完成寻呼容量优化并将寻呼消息送达终端设备，同时用于与核心网完成数据交互；

终端设备，用于接收寻呼消息并执行所述控制指令并与基站进行数据交互，同时用于生成所述控制指令的应答并发送至基站。

进一步，所述核心网与基站通过寻呼信道将寻呼消息下发至终端设备。

进一步，所述终端设备通过无线承载完成与基站的数据交互，并将所述控制指令应答发送至基站。

本发明的有益效果是：本发明技术方案通过对寻呼信道容量的优化提升以及对基站接入容量进行优化，大幅度提升高并发指令下发成功率，解决了同一时刻大量客户下发指令带来的时延和丢包问题，同时无需增加硬件投资，节约大量成本，进而推广到NB-IOT下行高并发应用场景中，加速NB-IOT网络通信的标准化、规范化。

附图说明

图1为本发明一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法的步骤流程图；

图2为本发明一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法实施例中的寻呼优先分配方法的示意图；

图3为本发明一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法实施例采用寻呼优先分配方法后的寻呼丢失率的柱状图；

图4为本发明一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法实施例完成虚接优化后的消息接收与消息接收失败的次数柱状图；

图5为本发明一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法实施例终端并发成功率的柱状图；

图6为本发明一种抗高并发NB-IOT网络通讯***的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法，包括以下步骤：

S01、获取控制指令；具体的，用户服务器根据具体的需求形成相应的控制指令，并进一步上传至核心网。

S02、根据所述控制指令下发寻呼消息；具体的，在高并发场景下，当有大量的控制指令下发后，由核心网将信令进一步下发至基站，由基站对NB终端进行寻呼。

S03、根据所述寻呼信号完成寻呼信道的容量优化；具体的，本实施例通过两个方向完成对寻呼信道的容量优化，包括：

S031、寻呼资源分配优化；高并发场景会导致网络拥塞，首先需要保证寻呼消息可达，才能完成消息交互，针对此类寻呼方式，本实施例通过寻呼优先分配算法保证寻呼下发，所述寻呼优先分配算法的具体实现方式参照图2，当核心网第一次有寻呼消息下发到基站时，基站会将寻呼消息缓存并进行空口资源的预留，当核心网再次有寻呼消息下发到基站后，说明此刻寻呼消息较多，为避免延时到下一个寻呼时机(Paging occasion)下发，基站缓存寻呼消息并及时动态调整寻呼容量的分配，提高空口的寻呼资源，之后当预定的寻呼时机到达后，就会在前面调整过后的寻呼资源上，将缓存的多个寻呼消息直接送达终端。参照图3，是通过本实施例优化寻呼资源分后，寻呼丢弃率得到明显提升。

在本实施例中，根据实际的寻呼负荷动态调整寻呼时机因子参数配置。根据高并发场景的网络负荷，默认寻呼时机因子参数nB(一个寻呼周期内包含的寻呼时刻的数量)设置为1/16T(每16个无线帧一个寻呼时机)，寻呼时机因子nB设置越大，单位时间内寻呼容量越大，nB＝T时，基站每秒可寻呼1600个终端，nB＝1/16T时，基站每秒可寻呼100个终端。但是寻呼窄带物理下行控制信道NPDCCH和窄带物理下行共享信道NPDSCH在时域上复用，且由于NB-IOT***只有一个物理层资源块RB，所以寻呼时机因子nB配置过大时会出现寻呼资源冲突，为了平衡接入资源和寻呼资源，本实施例中的默认寻呼时机因子参数nB设置为1/16T，再根据实际的寻呼负荷动态调整。

S032、平衡寻呼编码，降低寻呼MCS(调制与编码策略)的编码，增强终端接收寻呼能力；基站在寻呼下发时刻是无法获取终端所处的信号覆盖等级，寻呼所用的MCS调制与编码策略可设置为0-15等级，等级越小，所用的信号编码方式越低，冗余信息越多，抗干扰能力越强，终端更能保证寻呼消息正常接收，所以为保证寻呼消息接收成功率，应降低MCS等级，例如MCS＝0时采用BPSK调制，信号接收能力最强。但MCS设置越小，编码方式越低会导致所携带的消息数量越少，不利于寻呼容量。高并发场景下为平衡容量与接入能力选择MCS＝1(空口最大支持7条TMSI寻呼)，可提升终端解码寻呼消息能力同时兼顾一定的寻呼容量。

S04、通过容量优化后的寻呼信道接收所述寻呼消息并根据所述寻呼消息执行所述控制指令；具体的，终端设备接收到寻呼消息并根据所述控制指令的内容执行相应动作，并基站建立无线连接，来进行数据交互和完成控制指令响应。

可选的，本实施还包括以下步骤：

S05、根据所述控制指令生成应答信号；

S06、建立用于回传所述应答信号的无线承载，并完成所述无线承载的接入容量优化；具体的当寻呼消息到达终端后，终端会向基站发起随机接入建立无线承载来完成通信。此时需要保障接入资源，来提升终端接入网络的成功率，在本实施例中，通过以下几个方面对基站的接入容量进行优化：

S061、对所述无线承载的物理随机接入信道PRACH进行优化，包括通过减小物理随机接入信道的周期，以及通过设置不同的物理随机接入信道的频域；具体的，在本实施例中，接入信号PRACH的周期设置为160ms，接入信道PRACH周期越小，可用的接入资源越多；同时将同覆盖小区的PRACH频域错开，降低频域上干扰引起的接入失败。

S062、调整基站覆盖等级；具体的，NB-IOT根据不同区域网络信号质量好坏将网络分为覆盖等级0-2，其中覆盖等级0表示信号质量最好，覆盖等级2表示信号质量最差。NB-IOT网络是通过大量重传来支撑覆盖等级2下的终端可以在信号不好的环境下接收到消息。但高并发场景下，网络资源非常紧张，在覆盖等级2下通信，重传次数太多，造成资源大量浪费，会阻塞其它覆盖等级0和1的用户进行业务，也会带来高时延。因此可以取消覆盖等级2的配置，来提升网络容量，保障绝大多数终端的使用质量。

S063、通过调整覆盖等级后的基站的动态补偿机制降低所述接入信道的拥塞；具体的，通过基站的动态BackOff(退避)机制降低接入拥塞，提升终端接入成功率。现有技术基站采用静态BackOff退避的控制机制，减少终端接入碰撞概率。例如终端监听空口RAR消息发现MAC PDU的RAR中有一个BackOff指示数值(BI)，那么终端就会把这个值保存起来，随后终端再次发起随机接入时，终端会随机从0到BI里选一个值，作为再次发送前导序列的起始时间(即决定什么时候再次重发MSG1)。相对静态BackOff来说，动态BackOff的BI取值设计为与网络负荷相关，当前区域内负荷比较高时，BI取值变大，可以让失败终端在一个较长时间窗内随机发起接入，这样可以更好的避免PRACH上碰撞，避免增加当前区域的信道负荷，提升终端接入成功率。

S064、抑制优化后的物理随机接入信道的非真实接入，完成虚接优化。由于NB-IoT协议中PRACH信道本身设计的原因，同频邻区PRACH或者PUSCH(物理上行共享信道)容易对本小区造成干扰，引起PRACH虚检。由于不是真实接入，会造成接入资源的大量浪费，使本身就不足的资源更加紧张，影响真实用户的资源调度。通过虚接优化处理：基于物理随机接入信道PRACH配置信息，确定PRACH分配的第一频域资源；确定上行链路UL子帧需要调度的物理上行共享信道PUSCH调度的第二频域资源；当所述第一频域资源与所述第二频域资源之间的间隔距离小于设定阈值，则计算第二频域资源对应RB上的信噪比SINR；根据所述SINR与PRACH虚检的预设门限值进行比较，根据比较结果对所述第一频域资源和所述第二频域资源进行虚检的虚检抑制门限值进行调整，能够有效的减少虚检接入对资源的占用，避免资源浪费。参照图4，柱1-4为未开启虚检优化功能的测试情况，MSG1消息为随机接入流程中终端第一条发起接入的消息，MSG3为终端收到网络应答后第二次向网络发起的消息，由于存在大量不是真实发起接入的MSG1，网络侧无法识别，会导致大量MSG3失败产生，表明随机接入信道存在大量非真实接入；通过本实施例开启虚检干扰抑制功能，如柱5所示，抑制了物理随机接入信道的非真实接入，MSG1数量大幅下降，同时MSG3失败数量也大幅下降，即虚接数量大幅下降，节约了大量网络信道资源。

参照图5，通过本实施例的寻呼信道的容量优化以及基站与设备终端无线承载的接入容量优化后，在单个基站下进行高并发场景测试，400用户同时下发指令成功率由优化前26％提升至优化后的84％，能够满足客户在高并发场景下的使用需求。

S07、通过容量优化后的无线承载完成所述应答信号的回传。

参照图6，本发明提供的另一种实施例，一种抗高并发NB-IOT网络通讯***用于实现本说明书中第一个实施例—一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法，包括：

用户服务器，用于生成控制指令和接收控制指令应答；

核心网，用于根据所述控制指令生成寻呼消息并下发到基站，同时用于与用户服务器和基站完成数据交互；

基站，用于根据所述寻呼信号完成寻呼容量优化并将寻呼消息送达终端设备，同时用于与核心网完成数据交互；

终端设备，用于接收寻呼消息并执行所述控制指令并与基站进行数据交互，同时用于生成所述控制指令的应答并发送至基站。

在本实施例中，所述核心网与基站通过寻呼信道将寻呼消息下发至终端设备；所述终端设备通过无线承载完成与基站的数据交互，并将所述控制指令应答发送至基站。

具体的，当客户触发命令下发后，由核心网对NB的终端设备进行寻呼，需要保证寻呼消息优先下发，并执行以下步骤：步骤1，针对寻呼模型，开通寻呼优先分配算法保证寻呼下发，同时平衡接入资源与寻呼资源，nB参数调整为1/16；步骤2，根据步骤1寻呼资源分配，优化寻呼编码，降低寻呼MCS编码，增强终端接收寻呼能力。基于高并发场景分析，并平衡容量与接入能力后选择MCS＝1。步骤3，在步骤2确保寻呼可达的基础上，通过同覆盖小区的PRACH频域错开，优化PRACH周期提升PRACH容量与寻呼优先匹配等方法，通过抑制虚检干扰，提升接入的PRACH资源。步骤4，在步骤3基础上，进一步优化覆盖等级，同时启用基站动态BackOff机制，降低用户阻塞，确保用户收到下行寻呼后能够顺利接入NB网络完成上下行交互。

综上所述，相对于现有技术，本发明一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法及***具有以下优点：

1)本发明技术方案通过对寻呼信道容量的优化提升以及对基站接入容量进行优化，大幅度提升高并发指令下发成功率，解决了同一时刻大量客户下发指令带来的时延和丢包问题；

2)本发明技术方案无需增加硬件投资，节约大量成本，进而推广到NB-IOT下行高并发应用场景中，加速NB-IOT网络通信的标准化、规范化。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取控制指令；

根据所述控制指令下发寻呼消息；

根据所述寻呼消息完成寻呼信道的容量优化；

通过容量优化后的寻呼信道接收所述寻呼消息并根据所述寻呼消息执行所述控制指令；

根据所述控制指令生成应答信号；

建立用于回传所述应答信号的无线承载，并完成所述无线承载的接入容量优化；

通过容量优化后的无线承载完成所述应答信号的回传；

所述寻呼信道的容量优化包括寻呼资源分配优化和平衡调制与编码策略；

所述寻呼资源分配优化，其步骤具体包括：

根据首次寻呼消息完成空口资源的预留；

根据非首次寻呼消息动态调整所述空口资源中寻呼容量的分配；

根据调整后的寻呼容量将缓存的寻呼消息直接下发；

其中，接入容量优化包括：

对所述无线承载的物理随机接入信道进行优化；

抑制优化后的物理随机接入信道的非真实接入，完成虚接优化；

所述对所述无线承载的物理随机接入信道进行优化，包括：

通过减小物理随机接入信道的周期，以及通过设置不同的物理随机接入信道的频域。

2.根据权利要求1所述的一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法，其特征在于，所述接入容量优化还包括：

调整基站覆盖等级；

通过调整覆盖等级后的基站的动态补偿机制降低所述接入信道的拥塞。

3.根据权利要求1所述的一种抗高并发NB-IOT网络通讯方法，其特征在于，所述对所述无线承载的物理随机接入信道进行优化，其具体包括：

通过减小物理随机接入信道的周期，提升所述物理随机接入信道的容量；

通过设置不同的物理随机接入信道的频域，抑制所述频域上的干扰。

4.一种抗高并发NB-IOT网络通讯***，其特征在于，包括：

用户服务器，用于生成控制指令和接收控制指令应答；

核心网，用于根据所述控制指令生成寻呼消息并下发到基站，同时用于与用户服务器和基站完成数据交互；

基站，用于根据所述寻呼消息完成寻呼容量优化并将寻呼消息送达终端设备，同时用于与核心网完成数据交互；

所述寻呼容量优化包括寻呼资源分配优化和平衡调制与编码策略；

所述寻呼资源分配优化，其步骤具体包括：

根据首次寻呼消息完成空口资源的预留；

根据非首次寻呼消息动态调整所述空口资源中寻呼容量的分配；

根据调整后的寻呼容量将缓存的寻呼消息直接下发；

终端设备，用于接收寻呼消息并执行所述控制指令并与基站进行数据交互，同时用于生成所述控制指令的应答并发送至基站；

所述终端设备，用于生成所述控制指令的应答并发送至基站，包括：

根据所述控制指令生成应答信号；

建立用于回传所述应答信号的无线承载，并完成所述无线承载的接入容量优化；

通过容量优化后的无线承载完成所述应答信号的回传；

其中，接入容量优化包括：

对所述无线承载的物理随机接入信道进行优化；

抑制优化后的物理随机接入信道的非真实接入，完成虚接优化；

所述对所述无线承载的物理随机接入信道进行优化，包括：

通过减小物理随机接入信道的周期，以及通过设置不同的物理随机接入信道的频域。

5.根据权利要求4所述的一种抗高并发NB-IOT网络通讯***，其特征在于，所述核心网与基站通过寻呼信道将寻呼消息下发至终端设备。