一种面向5G蜂窝网络的随机接入机制选择方法

一种面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法
技术领域
1.本发明涉及无线通信的技术领域，更具体地，涉及一种面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法。


背景技术：

2.随着信息技术的快速发展，无线通信已经融入人们的日常生活以及工业生产当中。作为覆盖范围最为广泛的网络，蜂窝通信(是一种移动通信硬件架构，由于构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名，如当前的4g网络和5g网络)俨然成为社会运作的基础设施，以支撑各类具有无线通信需求的应用。
3.在现有技术中，4g网络以及之前时代的蜂窝网络采用的是基于连接的随机接入机制(cbra，connection-based random access)，即每个设备在传输数据之前，必须执行随机接入过程以与基站建立连接，然后通过基站分配的上下行时频资源进行数据传输。在传统的手机通信场景下，设备数量相对较少，每个设备均传输大量数据，但在连接建立过程所产生的信令开销可以忽略不计。
4.然而，在当前新兴的物联网通信场景中，物联网设备往往数量巨大，而每个设备仅非频繁地传输小数据报文。因此，如果还沿用cbra机制，那么网络将在消耗巨大的信令开销下传输少量的数据报文。为了解决这一问题，当前5g网络引入了基于报文的随机接入机制(pbra，packet-based random access)，即物联网设备在随机接入的第三步就可传输一个小数据报文，而不用与基站建立后续的连接。
5.如图1所示，mtd表示蜂窝网络中的设备，在pbra方案中，设备发起四步随机接入过程。在第一步中，设备将从m(1≤m≤64)个正交前导码中随机选择一个发送给基站；基站在第二步根据其收到的每个前导码，回复随机接入响应报文；设备在第三步传输一个数据报文；基站在第四步回复确认答复报文。因此，如果在第三步成功传输数据报文，其信令开销为3条信令；如果随机接入失败，则其信令开销为4条信令。
6.如图2所示，同样的，mtd表示蜂窝网络中的设备，在cbra方案中，设备同样发起四步随机接入过程，不同的是，设备在第三步发送的是连接建立请求。在第五步连接建立完成之后，设备可以开始向基站传输数据。因此，如果设备成功与基站建立连接，其信令开销为5条信令；如果在随机接入过程失败，则其信令开销为4条。因此，相比cbra机制，在非频繁的传输小数据报文场景，pbra机制可以大幅降低信令开销。
7.在5g网络中共存的两种随机接入机制适用于具有不同流量特征的通信业务。如果随机接入机制选择不当，那么5g网络性能和业务服务质量均会受到恶劣影响。因此，如何根据业务的数据流量特征进行随机接入机制的选择，对优化5g网络的通信性能以及通信业务至关重要。


技术实现要素：

8.为解决5g蜂窝网络中的随机接入机制的选择问题，本发明提出一种面向5g蜂窝网
络的随机接入机制选择方法，根据业务不同的数据流量特征选择随机接入机制，以优化5g网络整体性能，支撑5g通信业务的发展。
9.为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
10.一种面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法，用于5g蜂窝网络的设备与基站建立连接的随机接入机制选择，待选择的随机接入机制包括基于连接的随机接入机制cbra和基于报文的随机接入机制pbra，在cbra及pbra中，设备均发起四步随机接入过程，所述方法包括：
11.s1.获取5g蜂窝网络中设备的数量n、每个设备的数据到达速率λ、数据报文长度l，并设置四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度为β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数为1/e；
12.s2.基于四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数1/e，判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件，若是，执行步骤s3；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
13.s3.计算pbra的平均信令开销s
pbra
以及cbra的平均信令开销s
cbra
，若s
pbra
＜s
cbra
，选择基于报文的随机接入机制pbra，执行步骤s4，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra，执行步骤s4；
14.s4.基站通过广播的方式告知设备选择的随机接入机制。
15.在本技术方案中，相比于基于连接的随机接入机制cbra，在非频繁的传输小数据报文场景，基于报文的随机接入机制pbra能大幅降低信令开销，因此，以cbra及pbra中，5g蜂窝网络的设备均发起的四步随机接入过程为基础，在确定5g蜂窝网络中设备的数量n、每个设备的数据到达速率λ、数据报文长度l的前提下，根据5g蜂窝网络不同的业务流量特征即判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件，然后考虑平均信令开销，选择合适的随机接入机制，实现设备与基站间的连接，从而优化网络整体性能。
16.优选地，基于报文的随机接入机制pbra中设备发起的四步随机接入过程包括：
17.第一步:设备从前导序列的m个正交前导码中随机选择一个发送给基站；
18.第二步:基站根据接收到的正交前导码，回复随机接入响应报文；
19.第三步:设备传输数据报文；
20.第四步：基站回复确认，答复报文。
21.优选地，基于连接的随机接入机制cbra中设备发起的四步随机接入过程包括：
22.第一步:设备从前导序列的m个正交前导码中随机选择一个发送给基站；
23.第二步:基站根据接收到的正交前导码，回复随机接入响应报文；
24.第三步:设备通过rrc连接建立请求；
25.第四步：基站回复rrc连接配置信息报文；
26.在设备与基站间的rrc连接建立完成时，设备向基站传输数据。
27.优选地，步骤s1所述的5g蜂窝网络中设备的数量n由基站通过设备的mac地址记录已注册的设备得出。
28.优选地，每个设备均能通过rrc连接建立请求消息，向基站报告其数据到达速率λ、数据报文长度l。
29.优选地，步骤s2所述的传输约束条件包括：
30.s21.判断数据报文长度l是否满足：l＜β，若是，执行步骤s22；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
31.s22.判断数据到达速率λ是否满足：nλ＜1/e，若是，执行步骤s3；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra。
32.在此，由于时域和频域资源的限制，在随机接入过程的第三步所能传输的数据报文长度也有限，只有在数据报文的长度小于随机接入第三步所能传输的最大数据报文长度β时，才能选择基于报文的随机接入机制pbra，否则，应当选择基于连接的随机接入机制cbra，即l《β时，执行步骤s22，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra。
33.优选地，步骤s2所述的传输约束条件包括：
34.若则执行步骤s3，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra。
35.优选地，在步骤s3中，pbra的信令开销s
pbra
的计算表达式为：
[0036][0037]
其中，表示基于报文的随机接入机制pbra的吞吐量，f1表示pbra中单位时间内传输失败的数据包的个数，满足：
[0038][0039]
f1满足：
[0040][0041]
其中，表示5g蜂窝网络中总的数据到达率，且在基于报文的随机接入机制pbra中，5g蜂窝网络的吞吐量等于总的数据到达率表示朗伯w函数。
[0042]
优选地，在步骤s3中，cbra的平均信令开销s
pbra
的计算表达式为：
[0043][0044]
其中，表示基于连接的随机接入机制cbra的吞吐量，f2表示cbra中单位时间内传输失败的数据包的个数，满足：
[0045][0046]
其中，n表示设备的个数，表示5g蜂窝网络中总的数据到达率；d表示数据传输速率，即每个时隙传输的数据包的数量；q表示设备有数据需要传输时发起随机接入请求的概率，p表示设备发起接入请求时，成功传输的概率；
[0047]
f2满足：
[0048]
f2＝nρq(1-p
l
)
[0049]
其中，ρ表示每个节点队列非空的概率，满足的表达式为：
[0050]
[0051]
p
l
表示设备发起接入请求时，成功传输的稳态概率，满足的表达式为：
[0052][0053]
本技术还提出一种面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择系统，所述系统包括：
[0054]
数据获取设置模块，用于获取5g蜂窝网络中设备的数量n、每个设备的数据到达速率λ、数据报文长度l，并设置四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度为β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数为1/e；
[0055]
判断模块，基于四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数1/e，判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件；
[0056]
计算分析模块，在数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ满足传输约束条件时，计算pbra的平均信令开销s
pbra
以及cbra的平均信令开销s
cbra
，若s
pbra
＜s
cbra
，选择基于报文的随机接入机制pbra，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
[0057]
广播模块，以广播的方式告知设备选择的随机接入机制。
[0058]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0059]
本发明提出一种面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法，以cbra及pbra中，5g蜂窝网络的设备均发起的四步随机接入过程为基础，在确定5g蜂窝网络中设备的数量、每个设备的数据到达速率、数据报文长度的前提下，根据5g蜂窝网络不同的业务流量特征即判断数据报文长度及每个设备的数据到达速率是否满足传输约束条件，然后考虑平均信令开销，选择合适的随机接入机制，实现设备与基站间的连接，从而优化了网络整体性能。
附图说明
[0060]
图1表示本发明背景技术中提出的基于报文的随机接入机制pbra的流程图；
[0061]
图2表示本发明背景技术中提出的基于连接的随机接入机制cbra的流程图；
[0062]
图3表示本发明实施例1中提出的面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法的流程示意图；
[0063]
图4表示本发明实施例3中提出的面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择系统的结构图。
具体实施方式
[0064]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0065]
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
[0066]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
[0067]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0068]
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0069]
实施例1
[0070]
考虑在5g网络中共存的两种随机接入机制：基于连接的随机接入机制cbra和基于
报文的随机接入机制pbra，适用于具有不同流量特征的通信业务。如果随机接入机制选择不当，那么5g网络性能和业务服务质量均会受到恶劣影响，因此，本实施例提出一种面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法，用于5g蜂窝网络的设备与基站建立连接的随机接入机制选择，待选择的随机接入机制即包括基于连接的随机接入机制cbra和基于报文的随机接入机制pbra，其中，pbra和cbra的基本流程分别如图1及图2所示，在cbra及pbra中，设备均发起四步随机接入过程，参见图1，mtd表示蜂窝网络中的设备，基于报文的随机接入机制pbra中设备发起的四步随机接入过程包括：
[0071]
第一步:设备从前导序列的m个正交前导码中随机选择一个发送给基站；
[0072]
第二步:基站根据接收到的正交前导码，回复随机接入响应报文；
[0073]
第三步:设备传输数据报文；
[0074]
第四步：基站回复确认，答复报文。
[0075]
参见图2，基于连接的随机接入机制cbra中设备发起的四步随机接入过程包括：
[0076]
第一步:设备从前导序列的m个正交前导码中随机选择一个发送给基站；
[0077]
第二步:基站根据接收到的正交前导码，回复随机接入响应报文；
[0078]
第三步:设备通过rrc连接建立请求；
[0079]
第四步：基站回复rrc连接配置信息报文；
[0080]
在设备与基站间的rrc连接建立完成时，设备向基站传输数据。
[0081]
基于此，本实施例提出了面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法，参见图3所示的流程图，该方法包括以下步骤：
[0082]
s1.获取5g蜂窝网络中设备的数量n、每个设备的数据到达速率λ、数据报文长度l，并设置四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度为β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数为1/e；
[0083]
其中，5g蜂窝网络中设备的数量n由基站通过设备的mac地址记录已注册的设备得出，每个设备均能通过rrc连接建立请求消息，向基站报告其数据到达速率λ、数据报文长度l。
[0084]
s2.基于四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数1/e，判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件，若是，执行步骤s3；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
[0085]
在本实施例中，传输约束条件包括：
[0086]
s21.判断数据报文长度l是否满足：l＜β，若是，执行步骤s22；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
[0087]
s22.判断数据到达速率λ是否满足：nλ＜1/e，若是，执行步骤s3；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra。
[0088]
在此，由于时域和频域资源的限制，在随机接入过程的第三步所能传输的数据报文长度也有限，只有在数据报文的长度小于随机接入第三步所能传输的最大数据报文长度β时，才能选择基于报文的随机接入机制pbra，否则，应当选择基于连接的随机接入机制cbra，即l《β时，执行步骤s22，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra。
[0089]
s3.计算pbra的平均信令开销s
pbra
以及cbra的平均信令开销s
cbra
，若s
pbra
＜s
cbra
，
选择基于报文的随机接入机制pbra，执行步骤s4，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra，执行步骤s4；
[0090]
在步骤s3中，pbra的信令开销s
pbra
的计算表达式为：
[0091][0092]
其中，表示基于报文的随机接入机制pbra的吞吐量，f1表示pbra中单位时间内传输失败的数据包的个数，满足：
[0093][0094]
f1满足：
[0095][0096]
其中，表示5g蜂窝网络中总的数据到达率，且在基于报文的随机接入机制pbra中，5g蜂窝网络的吞吐量等于总的数据到达率表示朗伯w函数。
[0097]
cbra的平均信令开销s
pbra
的计算表达式为：
[0098][0099]
其中，表示基于连接的随机接入机制cbra的吞吐量，f2表示cbra中单位时间内传输失败的数据包的个数，满足：
[0100][0101]
其中，n表示设备的个数，表示5g蜂窝网络中总的数据到达率；d表示数据传输速率，即每个时隙传输的数据包的数量；q表示设备有数据需要传输时发起随机接入请求的概率，p表示设备发起接入请求时，成功传输的概率；
[0102]
f2满足：
[0103]
f2＝nρq(1-p
l
)
[0104]
其中，ρ表示每个节点队列非空的概率，满足的表达式为：
[0105][0106]
p
l
表示设备发起接入请求时，成功传输的稳态概率，满足的表达式为：
[0107][0108]
最后，执行步骤s4：
[0109]
s4.基站通过广播的方式告知设备选择的随机接入机制。
[0110]
整体上，本实施例的实施流程为：
[0111]
在确定5g蜂窝网络中设备的数量n、每个设备的数据到达速率λ、数据报文长度l的前提下，根据5g蜂窝网络不同的业务流量特征即判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件，然后考虑平均信令开销，选择合适的随机接入机制，实现
设备与基站间的连接，从而优化网络整体性能。
[0112]
实施例2
[0113]
本实施例与实施例1提出的面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择方法基本相似，包括以下步骤：
[0114]
s1.获取5g蜂窝网络中设备的数量n、每个设备的数据到达速率λ、数据报文长度l，并设置四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度为β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数为1/e；
[0115]
其中，5g蜂窝网络中设备的数量n由基站通过设备的mac地址记录的已注册的设备得出，每个设备均能通过rrc连接建立请求消息，向基站报告其数据到达速率λ、数据报文长度l。
[0116]
s2.基于四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数1/e，判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件，若是，执行步骤s3；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
[0117]
在本实施例中，步骤s2所述的传输约束条件包括：
[0118]
若则执行步骤s3，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra。即综合判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件。
[0119]
s3.计算pbra的平均信令开销s
pbra
以及cbra的平均信令开销s
cbra
，若s
pbra
＜s
cbra
，选择基于报文的随机接入机制pbra，执行步骤s4，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra，执行步骤s4；
[0120]
在步骤s3中，pbra的信令开销s
pbra
的计算表达式为：
[0121][0122]
其中，表示基于报文的随机接入机制pbra的吞吐量，f1表示pbra中单位时间内传输失败的数据包的个数，满足：
[0123][0124]
f1满足：
[0125][0126]
其中，表示5g蜂窝网络中总的数据到达率，且在基于报文的随机接入机制pbra中，5g蜂窝网络的吞吐量等于总的数据到达率表示朗伯w函数。
[0127]
cbra的平均信令开销s
pbra
的计算表达式为：
[0128][0129]
其中，表示基于连接的随机接入机制cbra的吞吐量，f2表示cbra中单位时间内传输失败的数据包的个数，满足：
[0130][0131]
其中，n表示设备的个数，表示5g蜂窝网络中总的数据到达率；d表示数据传输速率，即每个时隙传输的数据包的数量；当设备有数据需要传输时，请求接入机制，q表示设备有数据需要传输时发起随机接入请求的概率，p表示设备发起接入请求时，成功传输的概率；
[0132]
f2满足：
[0133]
f2＝nρq(1-p
l
)
[0134]
其中，ρ表示每个节点队列非空的概率，满足的表达式为：
[0135][0136]
p
l
表示设备发起接入请求时，成功传输的稳态概率，满足的表达式为：
[0137][0138]
最后，执行步骤s4：
[0139]
s4.基站通过广播的方式告知设备选择的随机接入机制。
[0140]
实施例3
[0141]
如图4所示，本实施例提出一种面向5g蜂窝网络的随机接入机制选择系统，参见图4，所述系统包括：
[0142]
数据获取设置模块101，用于获取5g蜂窝网络中设备的数量n、每个设备的数据到达速率λ、数据报文长度l，并设置四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度为β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数为1/e；
[0143]
判断模块102，基于四步随机接入过程中第三步能携带的数据包的最大长度β及蜂窝网络随机接入信道单位时间内传输成功的数据包的最大个数1/e，判断数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ是否满足传输约束条件；
[0144]
该传输条件为：
[0145]
s21.判断数据报文长度l是否满足：l＜β，若是，执行步骤s22；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
[0146]
s22.判断数据到达速率λ是否满足：nλ＜1/e，若是，进入计算分析模块103进行计算分析；否则，选择基于连接的随机接入机制cbra。
[0147]
或：
[0148]
若则进入计算分析模块103进行计算分析，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra，即判断模块102内可按实际需要封装不同的传输条件。
[0149]
计算分析模块103，在数据报文长度l及每个设备的数据到达速率λ满足传输约束条件时，计算pbra的平均信令开销s
pbra
以及cbra的平均信令开销s
cbra
，若s
pbra
＜s
cbra
，选择基于报文的随机接入机制pbra，否则，选择基于连接的随机接入机制cbra；
[0150]
广播模块104，以广播的方式告知设备选择的随机接入机制。
[0151]
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。