CN100589631C

CN100589631C - 在多小区正交频分多址网络中的随机接入方法

Info

Publication number: CN100589631C
Application number: CN200510092343A
Authority: CN
Inventors: 崔荣埈; 尹相普; 朴世雄; 全贞炫
Original assignee: Consortium Of Industry University Cooperation; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Consortium Of Industry University Cooperation; Samsung Electronics Co Ltd; Seoul National University Industry Foundation
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2025-08-29
Also published as: KR100606049B1; EP1631018B1; CN1741679A; DE602005002902D1; US20060045047A1; DE602005002902T2; EP1631018A1; KR20060019448A

Abstract

公开了一种在基于正交频分多址(OFDMA)的移动通信系统中的上游接入方法，其中，OFDMA网络中的随机接入方法包括：如果由每个用户设备发送随机接入请求到OFDMA网络，则由每个用户设备随机选择多个上行链路随机接入信道中的一个，如果在所选择的信道中冲突没有发生，则通过所选择的信道接入，如果在所选择的信道中冲突已经发生，并且如果用于信道选择的重试数小于预定值，则随机选择上行链路随机接入信道中的一个，并且确定是否冲突已经发生，如果确定冲突没有发生，则通过最终选择的信道接入；以及如果确定冲突已经发生，则随机选择上行链路随机接入信道中的一个。

Description

在多小区正交频分多址网络中的随机接入方法

技术领域

本发明总的来说涉及一种在基于正交频分多址(OFDMA)的移动通信系统中的上游接入(upstream access)方法，尤其涉及一种随机接入方法。

背景技术

在下一代移动通信系统中，将需要高速和高质量数据传输，以便支持各种具有提高的质量的多媒体业务。近来，正交频分多址(OFDMA)技术，作为满足用于高速和高质量数据传输的要求的技术之一，已经被发展。

在图1中示出了图示典型的OFDMA通信系统的框图。OFDMA通信系统具有多小区结构，包括基站(BS)11、连接到BS 11以便访问因特网协议(IP)网络(未示出)的网络100、以及多个分配给每个BS 11的移动终端(MT)12-1和12-2。

正交频分复用(OFDM)/OFDMA技术被用于在BS 11和MT 12-1和12-2之间的信号发送/接收。

而且，当多个用户设备(即，MT)接入相同的BS时，每个用户设备应该使用随机接入方法的随机接入信道，以便初始接入网络。

在诸如宽带码分多址(W-CDMA)的无线通信网络中，ALOHA系统的随机接入方法同样也被用于MT，以便在上行链路中接入BS。此外，在这些无线通信网络中，随机接入方法被用于让所有用户设备接入由小区所共享的信道。此外，对于语音业务，随机接入方法被每个用户用来请求独立信道分配。

在将包括各种数据业务的下一代移动通信网络中，由于它将会被频繁地用来将分组调度方案(scheduling scheme)应用到上行链路这种可能性完全存在，所以随机接入方法被适当定义。然而，下一代移动通信网络中的随机接入方法的充分研究至今还没有进行。

随机接入方法的不足的一个例子是有关随机接入方法的传统技术仅仅考虑了单个小区的单个信道。

图2中示出了图示使用单个信道的传统随机接入方法的流程图。在传统的随机接入方法中，如果在步骤201由每个用户设备发送随机接入请求，则在步骤202它被确定是否已经发生冲突。

作为确定的结果，如果冲突没有发生，则在步骤204成功地实现接入。然而，如果冲突已经发生，则在步骤203，每个冲突的用户设备积压(backlog)它的随机接入请求，并等待随机时间，并在步骤201尝试新的随机接入请求。

在图7中示出了使用单个信道的传统随机接入方法的说明图。作为一个普通的例子，如果由用户设备A发送随机接入请求“a”，则在随机请求时隙701可以实现上行链路接入。然而，如果由两个用户设备A和B分别同时发送随机接入请求“a”和“b”，并且在请求时隙703发生冲突，则两个用户设备A和B必须在随机时间71和72分别进行退避(backoff)操作。此后，两个用户设备A和B必须利用新的随机接入请求在不同的时隙706和710分别执行上行链路接入。

根据标题为“Throughput Analysis of Multichannel Slotted ALOHA Systemsin Multiple L og-Normal and Rayleigh Interferers Environment”(VTC92)和“Multichannel ALOHA data Networks for Personal Communications Services”(Globecom 92)的文章，假设并分析了对多个信道的接入。此后，进行了组合多个信道中的编码技术的研究。

然而，在使用多个子载波的OFDMA系统中，尽管小区的吞吐量可以被提高，但是频率重复利用率必须被考虑。不幸的是，考虑频率重复利用率的研究还没有进行。因此，考虑在OFDMA系统中的随机接入方法的频率重复利用率的研究是值得做的。

发明内容

本发明的目的是提供一种在多个小区OFDMA网络中的随机接入方法，在具有基于OFDMA的多个小区的网络系统中考虑频率重复利用率，可以有效使用该多个小区OFDMA网络。

本发明的另一个目的是提供一种在多个小区OFDMA网络中的随机接入方法，通过在具有基于OFDMA的多个小区的网络系统中获得用于随机接入信道的资源重复利用的接入重试数的最佳值，能够有效避免冲突。

根据本发明的一个方面，提供一种在正交频分多址(OFDMA)网络中的随机接入方法，所述方法包括步骤：(1)如果由每个用户设备发出随机接入请求到OFDMA网络，就由每个用户设备随机选择上行链路随机接入信道中的一个；(2)如果在所选择的信道中没有冲突发生，则通过所选择的信道接入；(3)如果在所选择的信道中冲突发生，并且如果用于信道选择的重试数小于预定值，则随机选择上行链路随机接入信道中的一个，并确定冲突是否发生；(4)如果作为步骤(3)的确定结果，没有冲突发生，则通过最终选择的信道接入；以及(5)如果作为步骤(3)的确定结果，冲突发生，则跳到步骤(3)。

附图说明

根据结合附图时的以下详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更清楚，在附图中：

图1是典型的OFDMA通信系统的示意性结构图；图2是图示利用单个信道的传统随机接入方法的流程图；图3是图示在多小区OFDMA网络中的随机接入方法的流程图，其中根据本发明的优选实施例考虑了多个信道的重复利用率；

图4是图示应用到根据本发明的优选实施例的多小区OFDMA网络中的随机接入方法的设置重试数m的过程的流程图；

图5A至5C是基于在根据本发明的优选实施例的多小区OFDMA网络中的随机接入方法，在单个小区中进行的实验结果的说明图；

图6A和6B是基于在根据本发明的优选实施例的多小区OFDMA网络中的随机接入方法，在多个小区中进行的实验结果的说明图；

图7是利用单个信道的传统随机接入方法的说明图；以及

图8是根据本发明的优选实施例的随机接入方法的说明图，其中考虑了多个信道的重复利用率。

具体实施方式

在此参照附图在下文描述本发明的优选实施例。在所述图中，相同或者类似的元件即使它们在不同的图中被描述，也用相同的参考标号表示。在下面的描述中，由于公知功能或者结构会以不必要的细节使本发明不明显，所以不详细描述它们。

在本发明的优选实施例中，假定所有小区的上行链路随机接入信道数是N。

在图3中示出了其中根据本发明的优选实施例考虑多个信道的重复利用率的多小区OFDMA网络中的随机接入方法的流程图。

参照图3，根据本发明的随机接入方法，在步骤301，随机接入请求重试数被设置为0。接着在步骤301由每个用户设备(即，MT)发送随机接入请求，在步骤302由每个MT随机选择多个信道中的一个。即，作为与单个信道相对的多个信道的结果如果两个或者更多随机接入请求冲突，则因为它们使用相同信道上的相同时隙被发送，每个随机接入请求可以被分配到多个随机信道中的每一个，从而通过选择并利用随机信道发送最大化了避免冲突的可能性，而不要求像现有技术所教导的积压操作。

而且，因为随机选择了多个信道，冲突的概率被减少。

在步骤302选择随机信道之后，在步骤303确定在所选择的信道中是否已经发生冲突，并且如果冲突还没有发生，则在步骤307成功实现接入。

作为在步骤303的确定的结果，如果冲突发生，则在步骤304确定每个冲突的用户设备的重试数是否大于预定阈值“m”。如果重试数小于预定阈值m，则在步骤305增加重试数(图3图示了为初始随机接入请求重试设定“0”)，并且随后，在步骤302重复随机信道选择过程。

作为在步骤304的确定结果，如果每个冲突的用户设备的重试数大于预定阈值m，则在步骤306，每个对应的用户设备的随机接入请求被积压随机时间，并在步骤301发送新的随机接入请求。

在上面的描述中，冲突表明用户设备由于它的随机接入请求和另一个用户站的随机接入消息冲突而没有接入随机接入信道。

在图8中示出了根据本发明的优选实施例的利用多个信道的重复利用率的随机接入方法的说明图。根据本发明的优选实施例的随机接入信道包括5个信道81、82、83、84和85，该5个信道81、82、83、84和85在相同的时间轴上分别包括时隙811至820、821至830、831至840、841至850以及851至860。

如果由用户设备A、B和C发送随机接入请求，则由对应的用户设备随机选择信道。即，根据说明图，为用户设备A选择信道81，为用户设备B选择信道84，而为用户设备C选择信道85。因此，在随机请求的时隙811、841和851可以分别实现用户设备的上行链路接入。

然而，当多于两个用户设备发出随机接入请求并选择随机信道时，两个用户设备D和M同时选择相同的时隙(例如时隙823)的情形可能出现。同样，当多个用户设备同时选择相同信道的相同时隙时，和现有技术的积压(即，等待随机时间，并再次尝试随机接入请求)的教导不同，每个冲突的用户设备通过再次随机选择信道确定下一个时隙。结果，冲突的用户设备(例如，D和M)可以分别成功实现上行链路接入时隙814和844。

在冲突在两个用户设备I和J之间在时隙836发生的情形，执行随机信道选择，如果在时隙847冲突再发生，则确定随机信道选择数是否超过预定重试数m，如果随机信道选择数不超过预定重试数m，则重复每个冲突的用户设备(例如，I和J)随机选择信道的过程。结果，在时隙836和847冲突的用户设备在时隙818和838成功实现上行链路接入。

尽管用户设备I和J被显示为重复地冲突，但是，第二(即，重复的)冲突可以在I和/或J以及其他用户站之间，在这种情形下，每个已经冲突的用户设备执行类似的操作。

在由于冲突重复发生，随机信道选择数超过预定重试数m的情形，每个用户设备积压，等待随机时间，并尝试新的随机接入请求。

在本发明的优选实施例中，假定所有小区的上行链路随机接入信道数是N。此外，假定所有小区的上行链路随机接入信道的重复利用率是1。也就是说，所有用户设备通过随机选择在上行链路中的N个信道中的一个进行发送。

在本发明的优选实施例中所使用的预定重试数m的值通过估计应用本发明的系统中的网络的分组到达率来设置。

在图4中示出了图示在根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中应用到随机接入方法的设置重试数m的过程的流程图。在步骤401，在应用本发明的系统中，通过估计分组总到达率R来设置重试数m的值。总到达率R的估计通过对在一个超帧(superframe)中由所有用户设备尝试的随机接入总数求和来进行，并且也可以通过获得多个超帧的平均值进行。

在步骤402至408，根据在总到达率R和R₁，R₂，...，R_n-1之间大或者小，将m的值确定为1至n，所述R₁，R₂，...，R_n-1是基于总信道数N通过分析或者实验事先计算的值。

R₁，R₂，...，R_n-1的值被分配为基于总信道数N通过分析或者实验事先计算的值。n的值可以由所述系统任意设置。

在图5A和5C中示出了，基于在根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法在单个小区中进行的实验结果的说明图。

在图5A中示出了其中应用了根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法的、单个小区中的吞吐量的说明图。在图5B中示出了在其中应用了根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法的、单个小区中的冲突概率的说明图。

图5A的水平轴指示到达率，而垂直轴指示吞吐量。图5B的水平轴指示到达率，而垂直轴指示冲突概率。图5A和5B示出了泊松分布图，在该泊松分布图中，在应用了根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法的单个小区中，在具有不同子载波的7个随机接入信道的状态下，总的分组具有0至10的到达率。

参照图5A和5B，A指示根据传统方法的静态选择的情形，在传统方法中，每个用户设备仅仅可以接入分配给每个用户设备的一个随机接入信道，而B至E指示根据本发明的优选实施例的动态选择的情形，在本发明的优选实施例中，每个用户可以随机选择随机接入信道中的一个。

当分析图5A和5B时，也能够认识到，当m＝1时，动态选择比静态选择显示出更好的性能。还能够认识到冲突的概率随着m值的增加而增加，而指示最佳吞吐量的各点基于到达率而单独存在。

即，在0至3.6的到达率，m＝4的情形具有最好的吞吐量，在3.6至4.3的到达率，m＝3的情形具有最好的吞吐量，在4.3至6的到达率，m＝2的情形具有最好的吞吐量，在高于6的到达率，m＝1的情形具有最好的吞吐量。

图5C是在应用了根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络的单个小区中、基于发送试验数的成功概率的比较图。图5C的水平轴指示发送试验数，而垂直轴指示成功概率。

图5C显示了当包到达率是2.625时基于发送试验数的成功概率的比较结果，并且可以认识到分布随着m值的变化而变化。

图6A和6B是基于根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法，在多个小区中执行的试验结果的说明图。

图6A是在应用了根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法的多个小区中的吞吐量的说明图。图6B是在应用了根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法的多个小区中的冲突概率的说明图。

图6A的水平轴指示到达率而垂直轴指示吞吐量。图6B的水平轴指示到达率而垂直轴指示冲突概率。图6A和6B显示了泊松分布图，在该图中，在应用了根据本发明的优选实施例的多个小区OFDMA网络中的随机接入方法的多个小区中，在7个随机接入信道具有不同子载波的情形，所有分组具有0至10的到达率。

参照图6A和6B，A指示根据一个信道被分配给每个小区的情形的静态频率重复利用，即频率重复利用率是7的情形，而B指示根据其中3个频率被分配给每个小区使得一个频率在两个任意小区重叠的情形的有差别的频率重复利用的情形。同样，C至E指示根据每个呼叫可以使用7个频率的本发明的优选实施例的动态频率重复利用的情形。

在分析图6A和6B时，可以认识到所建议的方法，即动态频率重复利用，具有最好的性能。也就是说，和单个小区中的实验类似，冲突概率随着m值的增加而增加，而指示最佳吞吐量的各点基于到达率而单独存在。也就是说，在低于2的到达率处，m＝3的情形是最佳的，在2至3的到达率处，m＝2的情形是最佳的，在高于3的到达率处，m＝1的情形是最佳的。

如上所述，根据本发明的实施例，系统可以通过设置随机接入信道的资源重复利用率为1，使用相同的随机接入信道，而不单独分配随机接入信道给各小区。

此外，在随机接入失败的情形，通过基于链路利用率改变信道而不等待任意时间，可以实现快速接入。

本发明的方法可以作为程序来实施，并且可以存储在计算机可读介质(例如，CD-ROM、随机访问存储器(RAM)、软盘、硬盘、光磁盘等)。

尽管参照本发明的某优选实施例已经显示并描述了本发明，但是本领域的技术人员将会懂得，在不脱离如权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，在此可以在形式和细节上作出各种修改。

Claims

1.一种在正交频分多址网络中的随机接入方法，该方法包括步骤：

(1)当由用户设备发送随机接入请求到正交频分多址网络时，由用户设备随机选择多个上行链路随机接入信道中的一个；

(2)如果在所选择的上行链路随机接入信道中冲突没有发生，则接入所选择的信道；

(3)如果冲突已经发生并且用于信道选择的重试数小于预定阈值，则增加用于信道选择的重试数，随机选择多个上行链路随机接入信道中的一个，并确定另一个冲突是否已经发生；

(4)如果冲突没有发生，则接入最终选择的信道；以及

(5)如果冲突已经发生，则重复步骤(3)。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

如果冲突已经发生并且用于信道选择的重试数大于预定阈值，则积压每个冲突的用户设备随机时间。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述冲突表明冲突的用户设备接入到上行链路随机接入信道中的一个已经失败。

4.如权利要求3所述的方法，其中，对于上行链路随机接入信道，通过使用相同信道资源而不单独分配上行链路随机接入信道到正交频分多址网络的多个小区区域中的每一个小区，重复利用率是1。

5.如权利要求4所述的方法，其中，通过估计正交频分多址网络的分组总到达率R，确定预定阈值。

6.如权利要求5所述的方法，其中通过对单个超帧中所有用户尝试的随机接入的总数求和，获得分组总到达率的估计。

7.如权利要求2所述的方法，其中所述冲突表明冲突的用户设备接入到上行链路随机接入信道中的一个已经失败。