基于时间提前量的物联网随机接入控制方法

本发明属于通信技术领域，进一步涉及地面物联网的接入技术，具体为一种基于时间提前量的物联网随机接入控制方法；可用于存在大量终端同时申请接入资源的地面物联网。

地面物联网通常覆盖大量的智能终端，如智能测距、人体健康监测以及安全监控，预计在2021年将会有78亿的智能终端。当大量的智能终端同时激活时，由于允许接入的资源有限，导致多个终端争夺同一接入资源的情况发生，因此，为了有效地避免冲突的产生，通常对终端采取接入控制的手段来保证服务质量。

国内外现在对接入控制的研究大都是基于3GPP的接入等级禁止ACB方案，即系统通过广播允许接入概率，每个终端自身产生一个随机数，若小于该概率，则允许接入，反之，则不允许接入。

Zehua Wang等人在论文“Optimal Access Class Barring for StationaryMachine Type Communication Devices With Timing Advance Information”(IEEETransactions on Wireless Communications,vol.14,no.10,pp.5374-5387,Oct.2015)提出基于时间提前量的接入控制方法，通过推导系统吞吐量和接入概率的函数关系，最大化吞吐量以获得最佳的接入概率，进而解决终端竞争接入资源的问题，然而该方法的不足之处在于对于小区中所有终端均广播同一个接入概率，因此控制精度不高。

Chong Di等人在论文“Learning Automata based Access Class BarringScheme for Massive Random Access in Machine-to-Machine Communications”(IEEEInternet of Things Journal,vol.6,no.4,pp.6007-6017,Aug.2019)中分析了当前时隙下新到达的和申请重传的设备数量与接入概率之间的关系，通过搜索算法估计出当前时隙最有可能申请接入的终端数量，从而获得下一时隙的接入概率。该搜索算法有较高的估计精度，然而不足之处在于不同的设备终端不能复用前导码序列，即不允许同一个前导码序列被两台不同的设备终端选取，因此，吞吐量有待提升。

Taehoon Kim等人在论文“An Enhanced Random Access Scheme With SpatialGroup Based Reusable Preamble Allocation in Cellular M2M Networks”(IEEECommunications Letters,vol.19,no.10,pp.1714-1717,Oct.2015)中提出将小区覆盖的区域根据时间提前量划分为若干个小区域，各个小区域可以复用同一组前导码序列，以此来减小两个不同小区的设备申请同一前导码序列时产生的冲突。然而，该方法并未提及如何采取接入控制手段进一步避免竞争接入资源，存在较大改进空间。

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于时间提前量的物联网随机接入控制方法，解决大量智能终端同时申请随机接入资源的冲突问题，提高系统资源的利用率、降低智能终端的平均接入时延。

实现本发明的思路是：首先通过时间提前量来实现不同设备终端复用同一前导码序列资源，提高系统资源利用率；然后根据时间提前量来确定智能终端所处的区域；最后通过构建允许接入设备的数量和吞吐量的函数关系来确定最佳的接入概率因子。本发明根据时间提前量的不同结合最佳的接入概率因子，从而最大化系统前导码序列资源的利用率，降低终端接入的平均时延，提高系统吞吐量。

本发明实现上述目的具体步骤如下：

(1)系统广播允许在物联网系统中注册的终端设备进行随机接入，申请随机接入的终端保持侦听状态，接收系统广播信息；

(2)当前时隙中，申请接入的终端在LTE协议规定的L个前导码序列中随机选取一个，发送给；

(3)对收到的前导码信号进行检测，确定当前时隙中的该前导码是否被复用：

(3a)将收到的前导码信号与本地已知的L个前导码序列进行相关性计算，得到二者的相关系数Ecorr；并根据相关系数与检测阈值的大小关系确定收到的前导码所属序号；

(3b)令多径传播时间轴上出现的多个检测信号的第一个峰值位置为t1、最后一个峰值位置为t2，σ为多径时延拓展；若存在t2-t1≤σ，判定该前导码未被复用；反之，判定该前导码被两台终端复用；

(4)估计由终端发送的前导码信号对应的时间提前量TA，并根据多径时延拓展σ将小区划分为φ个等间隔的环形区域，分别计算所有区域的最佳接入概率其中代表区域号为χ的区域最佳接入概率；

(5)向终端返回随机接入响应RAR，该响应至少包含终端所选择的前导码序号η、时间提前量TA、上行调度授权Θ以及所属的区域号χ；当前导码未被复用时，只返回一个接入响应RAR，当前导码被两台终端复用时，需要同时返回两个接入响应RAR；

(6)终端保持侦听状态，若接收到的随机接入响应RAR中的TA值与终端自身的参考时间提前量值相同，则接收该响应，并根据时间提前量相应地调整上行传输的时间；否则，丢弃该响应；

(7)终端从接收到的随机接入响应中获取其所属的区域号χ，从而得到相对应的接入概率同时，终端随机产生一个随机数ρ，若则终端继续执行步骤(8)，否则，执行步骤(10)；

(8)终端通过PUSCH信道采用混合自动重传机制向传输无线资源控制RRC子层消息；

(9)收到消息后进行竞争解决，并广播竞争解决的结果，竞争解决成功的终端成功接入，竞争解决失败的终端则执行步骤(10)；

(10)终端采取退避机制，随机退避一段时间，待系统广播进行随机接入时增大发射功率再次申请接入。

图1是本发明的应用场景示意图；

图2是本发明所采用的接入机制与现有接入机制的平均接入时延性能对比仿真图；

图3是本发明所采用的接入机制与现有接入机制接入完成所花费的总时间性能对比仿真图；

图4是本发明中无接入控制的多个区域中申请接入的设备数量和成功接入的设备数量对比仿真图；

图5是本发明中带有接入控制的多个区域中申请接入的设备数量和成功接入的设备数量对比仿真图。

本发明的实现步骤如下：

步骤1，系统广播允许在网注册的终端设备进行随机接入，申请随机接入的终端保持侦听状态，接收系统广播信息：

系统通过控制信息块MIB和系统信息块SIB广播随机接入过程的配置参数，如随机接入帧中哪几个时隙是接入时隙RAO，以及哪些前导码序列可以使用等参数。LTE规定64个相互正交的前导码序列，以供终端设备选取，其中又分为非竞争的前导码序列和竞争的前导码序列，非竞争的前导码序列通常用于人与人之间的通信过程，竞争的前导码序列通常用于机器类的通信过程。本发明主要针对的是机器类的通信过程，因此，所使用的前导码序列均为竞争类型的前导码序列。

步骤2，当前时隙中，申请接入的终端在LTE的L个前导码序列中随机选取一个前导码，并将其发送给：

LTE中有两条上行信道用于请求接入，一个是物理随机接入信道PRACH，主要用于前导码序列的传输；一个是物理上行共享信道PUSCH，主要用于传输信令信息。从频域上看，PRACH的工作带宽是6个资源块的带宽，即6x180kHz；从时域上看，PRACH占用了一个随机接入时隙RAO，根据系统不同的配置参数，一个随机接入时隙RAO占用的时间范围是1ms到20ms。

步骤3，检测由终端发送的前导码序列信号，确定当前时隙中的该前导码是否被复用：

(3a)按照下式计算收到的前导码信号与长期演进LTE协议规定的L个前导码序列之间的相关系数Ecorr：

其中，x(i)为收到的前导码序列中的第i个符号，y(i)为本地已知的前导码序列中的第i个符号，NZC为前导码序列包含的符号总数；

并根据相关系数与检测阈值的大小关系确定收到的前导码所属序号；由于不同的前导码序列是相互正交的，因此，若收到的前导码序列与本地某个前导码序列的相关系数大于检测阈值，则可以确定终端发送的前导码序列值，即收到的前导码所属序号。检测阈值为根据系统相关参数设置的数值，该数值与具体的前导码长度、信噪比等参数有关，通常设置在0.3以上。

(3b)由于采用多径传播方式，时间轴上会出现多个检测信号的峰值，令时间轴上出现的多个检测信号的第一个峰值位置为t1、最后一个峰值位置为t2，σ为多径时延拓展；若存在t2-t1≤σ，说明检测出的多个信号由同一个信号经散射绕射造成，因此确定该前导码并没有被复用，只对应一个时间提前量；反之，说明t2位置处出现的信号是由另一台终端发送的同一个前导码，则确定该前导码被两台终端复用，对应两个时间提前量；

步骤4，估计各个终端的时间提前量TA，并根据多径时延拓展σ将小区划分为φ个等间隔的环形区域；进而计算所有区域的最佳接入概率其中代表区域号为χ的区域最佳接入概率。本实施例以φ＝4为例，具体计算步骤如下：

(4a)计算干扰间隔δ：

δ＝c·σ，

其中，c为光速，σ为多径时延拓展；

(4b)计算分隔间隔d：

以d为间隔沿小区半径将小区划分为四个区域，分别记为Λ1、Λ2、Λ3、Λ4，其中Λ1为圆形区域，Λ2、Λ3、Λ4分别为与Λ1距离由近及远的环形区域，其区域号χ分别对应为1、2、3、4；

(4c)当前时隙中，区域Λ1中申请随机接入的终端数量为M，允许接入的数量为m；区域Λ2中申请随机接入的终端数量为N，允许接入的数量为n；区域Λ3中申请随机接入的终端数量为K，允许接入的数量为k；区域Λ4中申请随机接入的终端数量为R，允许接入的数量为r；则允许接入的设备总数θ＝m+n+k+r，

(4d)计算系统吞吐量T：

T(m,n,k,r)＝T0+T1+T2+T3+T4

其中，T0表示某个前导码只被一台终端选择时的系统吞吐量；T1表示某个前导码被一台属于区域Λ1的设备和另一台属于区域Λ3或Λ4的设备同时选择时，区域Λ1中的吞吐量；T2表示某个前导码被一台属于区域Λ2的设备和另一台属于区域Λ4的设备同时选择时，区域Λ2中的吞吐量；T3表示某个前导码被一台属于区域Λ3的设备和另一台属于区域Λ1的设备同时选择时，区域Λ3中的吞吐量；T4表示某个前导码被一台属于区域Λ4的设备和另一台属于区域Λ1或Λ2的设备同时选择时，区域Λ4中的吞吐量；它们的计算公式如下：

其中，L为前导码的数量；

(4e)按照下式获取各区域的最优接入概率

其中，p1、p2、p3和p4分别表示四个区域的允许接入概率，且其分别满足关系式m＝Mp1、n＝Np2、k＝Kp3和r＝Rp4；

步骤5，返回随机接入响应RAR给终端i，该响应至少包含如下信息：第i个终端所选择的前导码序号ηi、第i个终端的时间提前量第i个终端的上行调度授权Θi，第i个终端所属的区域号χi；当前导码未被复用时，只返回当前导码被两台终端复用时，需要同时返回和

按照如下方式计算获取χi；

(5a)根据时间提前量计算终端i距离的距离γi：

γi＝c·ti；

其中，16Ts为同步粒度，Ts＝1/30720ms，c为光速。

(5b)根据距离γi与分隔间隔d按照下式计算终端i所属的区域号χi：

同理可得，χi1和χi2；

步骤6，终端保持侦听状态，若接收到的随机接入响应RAR中的时间提前量值与终端自身的参考时间提前量值相同，则表明此随机接入响应是发送给该终端，接收之，否则，丢弃该响应。收到随机接入响应后，终端根据时间提前量相应地调整上行传输的时间。

步骤7，终端从接收到的随机接入响应中获取其所属的区域号，从而得到相对应的接入概率同时，终端随机产生一个随机数ρ，若则终端继续执行步骤8，否则，执行步骤10。

步骤8，终端向传输无线资源控制RRC子层消息：

RRC子层消息是由4G协议规定，终端在收到随机接入响应后，就会向发送这个消息；终端通过PUSCH信道传输连接请求信息，为了保证连接请求信息成功发送至，将采用混合自动重传机制，即，若在一定的时间内没有收到反馈信号，将会再次发送连接请求信号。

步骤9，收到信号后进行竞争解决，并广播竞争解决的结果：

将连接请求信号的结果反馈给终端，如果终端在自身的冲突解决倒计时走完后，仍然没有收到的反馈信号，则说明此次竞争前导码资源失败，失败的终端执行步骤10；若收到反馈信号，则说明终端此次竞争前导码资源成功，直接进入步骤11。

步骤10，终端退避一段时间，待系统广播重新进行随机接入：

终端将随机退避一段时间重新申请接入，并且在下一次重传选取的前导码序列时将会增大发射功率。其退避的方法如下：

(10a)若终端因竞争失败而导致退避，则其退避时间为τ1：

其中，Ncol为终端退避的次数，U(·)表示服从区间[·]内的均匀分布。

(10b)若终端因未允许接入而导致退避，则其退避时间为τ2：

τ2＝U(1,10·Ncol)，

其中，Ncol为终端退避的次数，U(·)表示服从区间[·]内的均匀分布。

步骤11，接入成功，停止随机接入过程。

下面通过本发明的仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验使用Matlab R2014a仿真软件，仿真模型如图1所示，设置小区半径为500米，干扰间隔δ＝250m，d＝125m，σ＝0.416μs，一个时隙Ts＝0.5ms，前导码数量L＝64，业务模型采用LTE的业务突发模型，具体如下：

其中，Beta(α,β)为贝塔函数，α＝3,β＝4，TA＝50ms。

2.仿真内容及其结果分析：

仿真1，参照图2，本发明所采用的接入机制与现有接入机制的平均接入时延性能对比仿真图，仿真对比现有相关技术中使用的无时间提前量的随机接入、有时间提前量的随机接入，以及本发明中采用的将小区划分和时间提前量相结合的随机接入，三种随机接入机制下的平均接入时延性能，结果如图2中曲线所示。其中图2的横轴表示系统中等待接入的总设备的数量，纵轴表示平均每个终端成功接入所花费的总时间，终端接入的时延表示从该终端第一次申请接入到最终成功接入所花费的时间，单位是时隙个数；由图2可见，无时间提前量机制方案的平均时延是大于有时间提前量机制方案的平均时延，在终端数量比较小的时候，平均时延增长得比较慢，但在终端数量较大的时候，平均时延增加得较快，而结合小区划分和时间提前量机制后，平均时延相对其他两种方案来说更小，且几乎呈现线性增长。

仿真2，参照图3，本发明所采用的接入机制与现有接入机制接入完成所花费的总时间性能对比仿真图；仿真对比现有相关技术中无时间提前量的随机接入、有时间提前量的随机接入，以及本发明中采用的将小区划分和时间提前量相结合的随机接入，三种接入机制完成接入过程所花费的总时间，结果如图3中曲线所示。其中图3的横轴表示系统中等待接入的设备总数量，纵轴表示所有的终端成功接入所花费的总时间，单位是时隙个数。由图3可知，在终端数量较少的时候，无时间提前量接入机制方案和有时间提前量接入机制方案接入完毕总时间几乎相同，而当终端数量较大的时候，无时间提前量接入机制方案接入完毕时间则大于有时间提前量接入机制方案，结合小区划分和时间提前量的接入机制方案的接入完毕总时间最少，且几乎呈现线性增长的趋势。

仿真3，参照图4，本发明中无接入控制的多个区域中申请接入的设备数量和成功接入的设备数量对比仿真图；仿真对比本发明中无接入控制的多个区域的申请接入的设备数量和成功接入的设备数量，结果如图4中曲线所示；其中图4的横轴表示终端接入的时间，单位是时隙，纵轴是接入的设备数量，由图4可知，区域4的终端数量最多，区域1的终端数量最少，在前200的时隙中，成功接入的终端数量几乎为0，在第250个时隙后，开始有少量的终端成功接入。

仿真4，参照图5，本发明中带有接入控制的多个区域中申请接入的设备数量和成功接入的设备数量对比仿真图；仿真对比本发明中带有接入控制的多个区域的申请接入的设备数量和成功接入的设备数量，结果如图5中曲线所示；其中图5的横轴表示终端接入的时间，单位是时隙，纵轴是接入的终端数量，由图5可知，采用接入控制后，各个区域接入的终端数量产生较大的差异，在前150个时隙中，主要是区域1，2，4的终端设备数量接入，由于可以复用前导码序列，因此，成功接入的终端数量也较多，在后200个时隙中，主要是区域3中的终端接入，由于竞争的终端数量较少，因此成功接入的终端也较多。

上述仿真分析证明了本发明所提方法的正确性与有效性。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。