MTC接入网的过载控制方法、接入侧设备、系统及存储介质与流程

本发明涉及机器型通信mtc技术领域，尤其涉及一种mtc接入网的过载控制方法、接入侧设备、系统及计算机存储介质。

背景技术：

机器与机器(m2m：machinetomachine)通信在广义上泛指信源或信宿任意一方是机器的通信，它为各种终端设备包括在系统间、网络间以及远程实体之间提供了一种建立实时通信、数据传输的有效途径。在3gpp中，m2m通信被称为机器型通信(mtc：machine-typecommunication)。在实际网络中，m2m与h2h(humantohuman，人与人通信)通信相比，具有小数据通信、上行占优、较低移动性、终端数量巨大、业务模式繁多等典型特性，诸如m2m通信的mtc的大量引入与快速推广使得参照h2h通信业务特性设计的蜂窝网络面临巨大挑战，因此，包括3gpp最新标准在内的移动蜂窝技术均需参照mtc的基本特性进行相应的改进和优化。

目前，国内外关于mtc的研究主要集中在mtc的基本应用上，如支撑平台、业务管理、市场预测等。然而，根据3gpp标准化进程及相关讨论，可以得出目前mtc的主要研究领域还存在一些技术难点，其中一个技术难点为：海量mtc终端接入时，如何平衡非mtc和mtc之间的qos。在长期演进(lte)系统中，为获取传输数据的无线资源，常规终端(ue)采用的是时隙-aloha协议的随机信道接入方案，时隙-aloha协议主要针对的是到达速率为平稳泊松分布的单一种类ue，然而针对海量mtc的瞬时突发特性，3gpp提出采用beta分布对其进行模拟，beta分布一定程度上抓住了大量mtc终端短时间内对外发起通信的基本特征，当mtc业务与h2h业务共存时，由于mtc的突发性远远强于h2h通信，这将极大恶化网络的性能，进而影响h2h通信的通信质量。

为解决mtc接入时系统面临的过载问题，3gpp曾提出了几类过载控制的候选方向，如分时接入、分类接入、为mtc分配专属的随机接入资源、动态分配随机接入信道资源等等。除了分时接入与分类接入有相对成熟的实施方案以外，其余几类都还没有相应的工程可实现化方案。

目前，3gpp过载控制机制包括如下机制：

1)组间聚类机制。3gpp过载控制机制的共性是基于组特性的数量控制机制，主要目标是控制准入时段内申请随机接入的mtc终端数目。常规分组方案(含3gpp提案，如acb(接入类别限制)、eab(扩展的接入限制)、sr(调度请求)等)都是将具有相同属性的mtc终端聚为一类并统一处理，如将智能抄表、智能交通、环境监测系统终端分为三类，然后分类受控接入。但是一般情况下具有相同属性的终端其数据传输时间的相关性，远远大于不同属性终端间的数据传输时间的相关性，因而同属性终端聚类将增加数据传输的突发性。3gpp提出的基于组间聚类的受控接入方法，将具有与不同属性的终端进行聚类，由于不同组间的终端相关性较弱，有可能降低其数据突发性，从而达到提高海量终端接入时的网络性能。

2)mtc专属的acb机制。该3gpp数量控制机制的等效机理特别适合到达过程为泊松过程的数据流。设pac为相应的标准acb机制的acb因子，根据稀有事件极限定理，标准acb机制的流量控制效果可描述为其中，pn为第n个终端发起通信的概率。由于pac∈[0,1]，上式的效果一方面等效于将终端数目减少npac，另一方面也等效于将终端发起通信的概率降低pnpac，但总的来说都是将泊松过程的平均到达速率λ降低为λpac，实现了降低总通信流的目的。

3gpp数量控制机制一方面通过数量控制实现了总流量的控制，另一方面由于λ的减小，泊松过程到达时间间隔的拖尾将增加，使较大时间间隔出现的概率会增加，降低了泊松过程的突发性，然而当到达时间间隔服从beta分布时，3gpp的数量控制机制仍可以通过控制数量实现总流量控制。

尽管组间类聚和mtc专属的acb机制可实现beta分布形状的改变，但是组间类聚方案缺点在于实现难度较大，尤其是终端的标识较难；而mtc专属的acb机制虽然从理论上解决了mtc入网时的过载问题，但离实际应用却相距较远。

因此，目前缺少一种能够有效解决海量mtc终端接入时承载网络系统的过载或拥塞问题的、可工程化的技术方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种mtc接入网的过载控制方法、接入侧设备、系统及计算机存储介质，以解决现有技术中的一个或更多个问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种mtc接入网的过载控制方法，该方法包括以下步骤：

信息获取步骤，用于获取接入网系统负载占用信息；以及

退避时间计算步骤，用于以非mtc常规终端的退避时间区间为基准，基于待接入的mtc终端的级别和系统负载占用信息确定待接入的mtc终端的退避时间区间以使得与不同级别的mtc终端的退避时间区间错开，并基于确定的退避时间区间利用均匀分布函数计算待接入的mtc终端的退避时间。

优选地，待接入的mtc终端的退避时间区间还被确定为与非mtc常规终端的退避时间区间错开。

优选地，mtc终端的级别是基于mtc终端的种类和/或mtc终端的优先级来确定的。

优选地，mtc终端的种类包括：静止型、随机游走型、移动型和/或扩展静止型。

优选地，所述接入网系统负载占用信息包括系统负载占用率；所述退避时间计算步骤可包括：在接入网系统负载占用率低于预定值时，基于以下公式计算mtc终端的退避时间：其中，为第i类mtc终端的退避时间，i为mtc终端的级别，p0为系统负载占用率，t为数据传输周期，为基于mtc终端级别数c和系统负载占用率p0的均匀分布函数。

优选地，所述退避时间计算步骤可包括：在系统负载占用率高于预定值时，基于以下公式计算待接入的mtc终端的退避时间：其中，为基于mtc终端级别数c的均匀分布函数。

优选地，所述退避时间计算步骤还可包括：在系统负载占用率高于预定值时，基于以下公式计算待接入的mtc终端的退避时间：其中，ki为第i类mtc终端的扩展因子。

第二方面，本发明实施例提供了一种机器型通信mtc接入侧设备，该接入侧设备包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，在该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。

优选地，所述mtc通信接入侧设备可以是mtc终端或基站。

第三方面，本发明实施例提供了一种机器型通信mtc系统，所述系统包括mtc终端和基站；所述mtc终端接收来自基站的系统负载占用信息，基于该mtc终端的级别和系统负载占用信息确定该mtc终端的退避时间区间，并基于退避时间区间利用均匀分布函数计算mtc终端的退避时间。

第四方面，本发明实施例提供了一种机器型通信mtc系统，所述系统包括mtc终端和基站；所述基站获取系统负载占用信息，基于mtc终端的级别和系统负载占用信息确定mtc终端的退避时间区间，并向所述mtc终端反馈所述退避时间区间；所述mtc终端基于所述退避时间区间利用均匀分布函数计算该mtc终端的退避时间。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，该存储介质存储有计算机程序，在计算机程序被执行时实现如上所述的方法。

本发明实施例提供的技术方案能够有效解决海量mtc终端接入时承载网络系统的过载或拥塞问题，从而有效提高系统吞吐量。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术中带acb机制的随机信道接入过程；

图2示出了本发明一实施例中mtc接入网的过载控制方法的流程示意图；

图3示出了本发明一实施例中基于分段均匀随机退避时间算法的原理性实现示例；

图4示出了本发明另一实施例中基于分段均匀随机退避时间算法的原理性实现示例；

图5示出了本发明又一实施例中基于分段均匀随机退避时间算法的原理性实现示例；

图6示出了本发明一个实施例中mtc接入网的过载控制设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例以3gpp-lte网络的可实用化为背景，提出了一种可工程实现的mtc专属的过载控制方案：分段均匀随机退避算法。该算法的核心是：在接入侧，通过适当延长优先级较低的mtc终端的随机退避时间，整体上增加到达时间间隔的均值，变相地将非稳定点向右移。也即，本发明通过调整随机退避时间来改变终端接入分布。

随机退避算法是随机竞争接入中的一个重要环节。图1给出了现有的带acb机制的随机信道接入过程，该过程也为时隙-aloha协议的标准实现流程。该过程中，终端通过初始阶段的接入限制校验(acb校验)后才能开始随机信道接入申请的过程。在随机信道接入过程中，当随机信道申请失败时，终端等待固定时间s，然后在[0,t]范围内生成一个随机数ti(一般采用均匀分布)，重新在s+ti时刻发送“随机接入前导码”申请所需无线资源。关于退避时间ti的生成方式，现行lte系统采用“所有终端均采用同一均匀分布u(0,t)”的方式，不区分常规终端(非mtc终端)与mtc终端。

在本发明实施例中，用常规终端泛指一切非mtc终端(例如h2h终端)，对常规终端和mtc终端可采用不同的退避时间区间，使得mtc终端接入时延增加，从而保证常规终端和mtc终端的有效接入。本发明基于mtc终端的组网特性，重点针对接入网侧海量mtc终端入网时带来的系统性能恶化，提出了分段均匀随机退避时间算法，下面将以3gpp-lte网络的可实用化为背景进行描述，但本发明并不限于此。

如图2所示为本发明实施例中mtc接入网的过载控制方法的流程示意图。如图2所示，本实施例的mtc接入网的过载控制方法包括以下步骤：

步骤s110，接入侧获取接收系统负载占用信息。

在本发明实施例中，接入侧的基站能够获知接入网系统的负载占用信息，并可以通过广播系统信息而将接入网系统负载占用信息携带在系统信息中发送给用户终端，从而用户终端也可以获知系统的负载占用信息。在本发明实施例中，负载占用信息是表示接入网络系统负载占用情况，也即接入系统繁忙程度的信息，例如可以是信道资源占用信息(如占用率)、系统容量占用率等占用率信息，还可以是综合了这些因素以及其他表征繁忙的因素(如天线信息等)得出的表征接入系统繁忙程度的信息(数值或等级等)。

在本发明一实施例中，用系统负载占用率作为系统负载占用信息，系统负载占用率表示为：用p0表征系统容量的占用程度，p0∈[0,1]，p0＝0表示系统完全空闲，p0＝1表示系统完全繁忙，p0的值越大，说明网络越繁忙，即系统的容量越趋近于饱和，pmax为系统容量的最大值，pcount为t时间内mtc终端占用资源的累加值，即在此，p0的表达形式仅为示例，本发明并不限于此，还可以采用其他表示系统繁忙程度的表达形式。

步骤s130，接入侧基于待接入的mtc终端的级别和系统负载占用信息确定该mtc终端的退避时间区间以使得与不同级别的mtc终端的退避时间区间错开，并基于退避时间区间利用均匀分布函数计算该mtc终端的退避时间。

在本发明实施例中，mtc终端的退避时间区间可以由基站来确定，并通知给mtc终端；也可以由mtc终端确定后通知给基站；还可以在基站和mtc终端基于共同的算法各自确定。

本发明实施例中，mtc终端的级别可以基于mtc终端的种类和/或mtc终端的优先级来确定。

由于物联网的业务差别太大，分类(或分组)处理通常是有必要的，分类的方法根据业务的特征属性来分，也可以根据不同需求来分，都可以带入退避算法中。本发明实施例参照mtc定时通信(周期均为t，例如，大多数智能测量系统中，mtc终端一般按预设的周期进行数据传输)和终端移动性特征，以小区为单位分为四类mtc通信终端种类模型：1)静止模型，主要考虑mtc终端不具有移动性的种类，如智能抄表；2)随机游走模型，主要考虑mtc终端低移动性且动作范围小的种类，如网络质量检测；3)移动模型，主要考虑mtc终端绑定高速运动物体的种类，如汽车、高铁；和/或4)扩展静止模型，主要考虑多种mtc终端共存但终端不具有移动性的种类，如多传感器测量系统。该mtc终端种类划分仅为示例，本发明并不限于此。

在本发明另一方面，不同mtc终端可以被设定为具有不同的优先级。

可以将不同种类的mtc终端对应于不同的mtc终端的级别，也可以按照mtc终端的优先级来确定mtc终端的级别，或者综合考虑mtc终端的种类和优先级来确定mtc终端的级别。

本发明实施例中，可基于mtc终端的级别和系统负载占用信息确定mtc终端的退避时间区间，从而使得不同级别的mtc终端的退避时间区间错开(不同mtc终端的退避时间区间不重叠或仅部分重叠)。然后基于退避时间区间，mtc终端可计算其退避时间，使得不同mtc终端的退避时间为分段式均匀随机退避时间。同时，优选地，对于常规终端，仍沿用基本协议所规定的均匀分布，即t由基站广播消息设定。本发明的过载控制算法可用于不同场景下大量mtc终端入网。

在本发明一实施例中，可基于系统负载占用信息和mtc终端级别信息如下确定mtc终端的退避时间区间：(1)利用系统负载占用信息p0和mtc终端级别信息(如级别i和基站有效通信范围内mtc终端的级别数c)确定第i类mtc终端的退避时间区间为(2)进一步地，基于mtc终端的退避时间区间信息，第i类mtc终端的退避时间可以表示为其中，c表示表征基站有效通信范围内mtc终端级别数，即imax；u()为均匀分布函数，即表示基于mtc终端级别数c和系统负载占用率p0的均匀分布函数。采用本发明的过载控制机制，常规终端退避时间仍占用[0,t]整个时间区间(暂时不考虑固定退避时间s)，mtc终端则主要占用[p0t,t]部分，既满足常规终端的时延敏感性也在一定程度上错开了常规终端与mtc终端的接入时机，有利于提高随机信道申请的成功率。图3示意了该退避时间算法得到的退避时间窗口，图3中[s+p0t,s+t]时间区间仅为大致的退避时间窗口，并非精确表示。

本发明实施例中，给出的退避时间区间以及退避时间的表达式仅为示例，还可以设置不同的算法来基于系统负载占用信息和mtc终端级别信息确定退避时间区间并计算退避时间，以得到分段式均匀随机退避时间。

然而，在拥塞出现时，即p0可能接近于1时(实际应用中可以设定一个阈值p'→1，当p0＝p'，可以认为系统资源无空闲，这样就使得区间[p0t,t]较小，此时可采用以下两种改进方式中的一种：

(a)将mtc终端退避时间扩展到[0,t]之外，例如[t,2t]范围内，第i类mtc终端的退避时间可表示为其中，为基于mtc终端级别数c的均匀分布函数。

图4即表示了该退避时间算法得到的大致退避时间区间。

(b)以常规终端退避时间t为基准，将mtc终端退避时间加倍，第i类mtc终端的退避时间可表示为其中，ki表示第i类mtc终端扩展因子，图5即表示了该退避时间算法得到的各类mtc的大致退避时间区间。

如上的在p0值较大时给出的退避时间算法也仅为示例，在本发明构思的基础上还可以有各种变形。

本发明提出的如上mtc专属的退避机制不仅解决了海量mtc接入时承载网络面临的过载或拥塞问题，相较于3gpp提出的几类过载控制的候选方案，本发明的优势在于可工程化，用最简单的数学模型解释了mtc最基本的统计特性，抽象程度高，可推广性强，相关工作可为海量终端入网性能分析和过载控制提供参考。

本发明提出mtc专属的随机退避算法及其变型形式可通过增加mtc终端到达时间间隔，改变终端接入分布，进而缓解过载问题，具体实现仅需mtc终端分类信息或优先级信息与系统负载信息。代价是mtc终端接入时延的增加，但该代价为保证常规终端的有效接入和系统性能是可取的。该算法不仅有效降低随机信道申请的冲突概率，进一步提高了系统有效吞吐量。

本发明实施例中，是由mtc接入侧设备(包括基站和mtc终端)来执行上述mtc接入网的过载控制方法。接入侧设备中可具有存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，在该计算机程序被处理器执行时实现如上方法。在一个实施例中，在包括基站和mtc终端的mtc系统中，mtc终端接收来自基站的系统负载占用信息，基于其级别和系统负载占用信息确定mtc终端的退避时间区间，并基于退避时间区间利用均匀分布函数计算mtc终端的退避时间。在另一实施例中，基站获取系统负载占用信息，基于mtc终端的级别和系统负载占用信息确定mtc终端的退避时间区间，并向mtc终端反馈基于退避时间区间；mtc终端基于退避时间区间计算mtc终端的退避时间。

本发明的mtc接入网的过载控制方法可广泛适用于物联网通信、mtc和m2m通信场景，且并不限于这些场景。

另外，结合上述本发明实施例描述的mtc接入网的过载控制方法可以由mtc接入网的过载控制设备来实现。图6是本发明一个实施例提供的mtc接入网的过载控制设备的硬件结构示意图。

mtc接入网的过载控制设备可以包括处理器601以及存储有计算机程序指令的存储器602。

具体地，上述处理器601可以包括中央处理器(cpu)，或者特定集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)，或者可以被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

存储器602可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器602可包括硬盘驱动器(harddiskdrive，hdd)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(universalserialbus，usb)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器602可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器602可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器602是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器602包括只读存储器(rom)。在合适的情况下，该rom可以是掩模编程的rom、可编程rom(prom)、可擦除prom(eprom)、电可擦除prom(eeprom)、电可改写rom(earom)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。

处理器601通过读取并执行存储器602中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种mtc接入网的过载控制方法。

在一个示例中，告警的处理设备还可包括通信接口603和总线610。其中，如图6所示，处理器601、存储器602、通信接口603通过总线610连接并完成相互间的通信。

通信接口603，主要用于实现本发明实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。

总线610包括硬件、软件或两者，将告警的处理设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(agp)或其他图形总线、增强工业标准架构(eisa)总线、前端总线(fsb)、超传输(ht)互连、工业标准架构(isa)总线、无限带宽互连、低引脚数(lpc)总线、存储器总线、微信道架构(mca)总线、外围组件互连(pci)总线、pci-express(pci-x)总线、串行高级技术附件(sata)总线、视频电子标准协会局部(vlb)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线610可包括一个或多个总线。尽管本发明实施例描述和示出了特定的总线，但本发明考虑任何合适的总线或互连。

另外，结合上述实施例中的mtc接入网的过载控制方法，本发明实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种mtc接入网的过载控制方法。需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。