CN101365220B - 协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法 - Google Patents

Abstract

一种协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，先确定作为合作组组长的用户端，再由作为合作组的组长接纳各用户端入组以形成相应的合作组，接着所述合作组内的各用户端按照已确定的合作方式向基站发送相应的基站接入请求信号。当基站根据检测到的基站接入请求信号进行首次资源分配后，合作组内的各用户端将分别有序地占用基站首次分配的资源块，并以各自独立的方式向基站发送具体的接入请求信息。最后，基站会再次进行资源块的调度分配以满足各用户端实际的业务需求。本发明通过在随机接入过程中进行各用户端的合作分组，不但可降低用户端的碰撞冲突概率，还可节省用户端的能量消耗，故可进一步提高系统的随机接入性能。

Description

协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法

技术领域

本发明涉及一种协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法。

背景技术

未来的无线蜂窝通信系统应该是能提供更高的数据传输速率和更大的小区覆盖半径的系统，由此引发了下一代无线蜂窝通信技术研究的热点即无线中继网络的研究，而由于通过在传统的蜂窝网路中加入固定的中继站或利用用户之间相互协作传输的技术可以给系统的吞吐容量和小区覆盖都带来很大的提升；再有，在中继网络中采用用户协作传输的技术，不但可以获得合作分集增益，改善系统的传输带宽效率，而且在实现上，这种通过用户相互之间合作以达到中继的技术也要比直接采用固定中继站更加地灵活，所以无线协作网络已经成为未来蜂窝通信的一大趋势。

在现有蜂窝通信中，随机接入过程是一个重要进程，即用户端一般需要在随机接入过程中进行用户注册、带宽申请、及位置更新汇报等操作。在随机接入的过程中，由于用户端都是通过竞争信道来进行数据传输，因此若各用户端在相同的时隙或码道中同时发送数据，数据就会由于各用户端之间的信号碰撞导致无法正确接收，同时，各用户端之间的信号碰撞会严重地影响系统的传输效率以及用户端的接入时延。但是在随机接入中，由于各用户端采用的时隙或码道是由各用户端随机选择而定，所以各用户端之间的这种信号碰撞也是不可能完全地避免。现有处理各用户端之间的信号碰撞主要是采用检测冲突的方法，即将发生碰撞的用户端通过各种方法或算法一一分离出来，最为经典的检测方法就是树型碰撞检测算法，但是这种算法要求事先知道各用户端的标识号，这对于那些在注册之前发送随机接入信号的用户端而言，该算法是不可行的。所以在实际系统中，解决用户端信号碰撞冲突最常用的办法还是重传，然而通过重传，虽然可以减小用户端再次信号碰撞的概率，但是重传会导致用户端接入时延的增加。于是近年来，又有学者陆续提出了一些新的随机接入方案，即基于网络协助的分集多址接入(network-assisted diversity multiple access，NDMA)，在这些方案中，通过引入用户端信号重传来构造信号解析矩阵，这样通过信号处理技术就可以检测出信号碰撞的用户端数据。同时，为了在用户重传中获得空间分集增益进一步提高重传性能，也有人提出在无线协作蜂窝网络中可以采用中继轮流替用户端重传信号。但是，这些方案都要求基站确知发生碰撞的用户数目，而碰撞的用户数目在实际的实现过程中是很难正确检测出来的。

目前，对于在无线协作蜂窝网络中随机接入方案的研究，其重点都集中在用户协作重传技术和冲突的检测方法上，虽然通过用户端之间的协作，可以进一步增强重传后的正确检测概率，但是这些方法都是一些权宜之计，并不能从根本上降低用户端冲突的可能性，因此，如何有效解决现有技术中存在的用户端信号碰撞的问题实已经成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，以降低接入过程中用户端的碰撞冲突概率，同时也有效地节省用户端在接入过程中的能量消耗，从而进一步提高用户端接入的性能。

为了达到上述目的，本发明提供的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，包括以下步骤：1)确定作为合作组组长的用户端；2)待接入合作组的各用户端分别向所述作为合作组组长的用户端发送组接入请求信息；3)所述作为合作组组长的用户端检测各组接入请求信息，并根据检测到的各组接入请求信息发送接入许可信息至相应各用户端以形成相应的合作组；4)确定所述合作组内各用户端向基站发送基站接入请求信号的合作方式；5)按照已确定的向基站发送基站接入请求信号的合作方式，所述合作组内的相应各用户端发送相应的基站接入请求信号；6)基站检测各基站接入请求信号，并根据检测到的基站接入请求信号进行首次资源块分配以使所述合作组内的各用户端都能有独立的资源块来发送具体接入请求信息；7)所述合作组内的各用户端分别有序地在首次分配的资源块中占用各自的相应的资源块，并在占用的资源块上单独向所述基站发送具体接入请求信息；8)基站检测各具体接入请求信息，并根据检测到的各具体接入请求信息再次进行相应的资源块分配以满足各用户端的具体业务需求。

在步骤1)中，可采用基站指派的方式确定作为合作组组长的用户端，也可采用自我指定方式确定作为合作组组长的用户端，此外，当合作组形成后，还可重新选择其他用户端作为所述合作组组长。

当步骤4)中确定采用轮流方式发送基站接入请求信号时，在步骤5)中，由所述合作组内的各用户端分别依序轮流发送基站接入请求信号。

当步骤4)中确定采用联合方式发送基站接入请求信号时，步骤4)还包括采用指定方式或选举方式产生出作为所述合作组代表的用户端的步骤，同时，由所述作为合作组组长的用户端及作为所述合作组代表的用户端代表所述合作组发送基站接入请求信号。

当发送的基站接入请求信号不包含所述合作组成员数目信息时，步骤6)进一步包括步骤：(1)所述基站分配供一个用户端使用的资源块于所述合作组；(2)作为所述合作组组长的用户端及作为代表的用户端在所述基站分配的资源块上发送所述合作组成员数目信息；(3)所述基站根据接收的所述合作组成员数目信息再次进行资源块的分配以使所述合作组内的各用户端都能分配到独立的资源块来发送具体接入请求信息。

各许可信息及各基站接入请求信号分别包含所述合作组的组标识。

综上所述，本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法通过在协作网络中引入用户端之间的合作分组，避免了组内的各用户端之间的碰撞，如此可有效降低整个系统内用户端的碰撞概率，同时可以有效地节省用户端在接入过程中的能量消耗，从而进一步提高接入性能。

附图说明

图1为本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法的操作流程示意图。

图2为本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法中，合作组内各用户端轮流发送基站接入请求信号的接入流程示意图。

图3a和图3b为本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法中，合作组内相应的用户端联合发送基站接入请求信号的接入流程示意图，其中图3a是基站接入请求信号包含合作组成员数目信息的接入流程示意图，图3b是基站接入请求信号不包含合作组成员数目信息的接入流程示意图。

图4为仿真实例中采用的现有接入方法及本发明接入方法的随机接入时隙结构图。

图5为仿真实例中采用现有接入方法及本发明接入方法的信号碰撞概率比较图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法主要包括步骤：

第一步：确定作为合作组组长的用户端，例如可采用基站指派的方式确定作为合作组组长的用户端，此外，也可采用自我指定方式确定作为合作组组长的用户端，即当一用户端发送出组接入请求信息后没有收到相应的接纳入组的反馈信息时，其就指定自己为合作组组长。

第二步：待接入合作组的各用户端分别向所述作为合作组组长的用户端发送组接入请求信息，待接入合作组的各用户端可以采用基于载波监听的随机竞争方式，如载波监听多址接入/冲突避免(CSMA/CA)，或是采用码分多址的接入方法，如码分多址(CDMA)，来发送组接入请求信息。

第三步：所述作为合作组组长的用户端检测各组接入请求信息，并根据检测到的各组接入请求信息发送相应许可信息至相应各用户端以形成相应合作组，通常如果所述作为合作组组长的用户端检测到各组接入请求信息，都会分别反馈接入许可信息，各接入许可信息中包含合作组的组标识号(即ID号)、相应用户端在组内的序号、以及合作组准备发送基站接入请求的帧序号等，当用户端接收到相应接入许可信息后就正式加入合作组了。但如果当用户端发送请求的时候发生了信号碰撞，所述作为合作组组长的用户端就会发出用户冲突的指示信息，此时冲突的用户端需要选择随机回退一段时间后，重新发送组接入请求信息。如果用户端的请求在一段时间后没有得到任何响应，用户端也可在下一个时隙再次发送组接入请求信息，并且可以将发送的信号功率加大。再有，如果用户端没有在系统规定的时间内加入到合作组内，那么该用户端就将和现有的随机接入方案一样，直接由用户端自己向基站发送基站接入请求信号。此外，当合作组形成之后，还可重新选出其他用户端作为所述合作组组长，其可采用由原作为合作组组长的用户端指定或选举的方式产生新的组长。

第四步：确定所述合作组内各用户端向基站发送基站接入请求信号的合作方式，可由所述作为合作组组长的用户端来确定发送基站接入请求信号的合作方式，也可由基站来事先确定发送基站接入请求信号的合作方式。所述基站接入请求信号的方式可为轮流发送方式，也可为联合发送方式。当确定为联合发送方式时，本步骤还包括选出一个或多个作为所述合作组代表的用户端的步骤，选取方式可为由所述作为合作组组长的用户端来指定，也可由选举产生，例如采用类似于自组织网络(Ad Hoc)中簇头选择算法来选举产生。

第五步：按照已确定的向基站发送基站接入请求信号的合作方式，所述合作组内的相应用户端向基站发送基站接入请求信号，即相应的用户或合作组签名序列。当确定采用轮流方式发送基站接入请求信号时，即由所述合作组内的各用户端分别依序轮流发送基站接入请求信号，请参见图2，合作组内的用户端根据其在合作组内的序号轮流地单独发送基站接入请求信号，需注意的是，合作组内的每一用户端发送的基站接入请求信号都采用一个共同的签名序列(即用户临时的ID号)。当确定采用联合方式发送基站接入请求信号时，由所述作为合作组组长及代表的用户端代表所述合作组发送基站接入请求信号：请参见图3a，其为作为所述作为合作组组长及代表的各用户端向基站发送基站接入请求信号，其中基站接入请求信号同时包含所述合作组内用户端的数目及合作组的组标识，即合作组内用户端数目的信息采用隐式联合发送方式；再请参见图3b，其为作为所述作为合作组组长及代表的用户端向基站发送基站接入信号，其中发送的基站接入请求信号只包含合作组的组标识，而未包含合作组内用户端数目信息，即合作组内用户端数目的信息采用显式发送方式。

第六步：基站检测基站接入请求信号，并根据检测到的基站接入请求信号进行相应的首次资源块的分配，以使所述合作组内的各用户端都能有独立的资源块来发送各自具体接入请求信息。如图2所示，由于各用户端轮流向基站单独地发送基站接入请求信号，因此基站会根据接收到的基站接入请求信号将相应的定时信息以及单独的资源块等信息发送回相应的各用户端。所述合作组确定采用联合方式向基站发送基站接入请求信号：如果发送的各基站接入请求信号包含所述合作组成员数目信息，如图3a所示，则所述基站根据接收到的各基站接入请求信号进行首次资源块的分配以使所述合作组内的各用户端都能分配到独立的资源块来发送具体接入请求信息，然后，基站就会向所述合作组内各用户端发送回定时信息和联合分配的资源块等信息；如果发送的各基站接入请求信号不包含所述合作组成员数目信息，如图3b所示，则基站在正确检测到接入请求信号后，会进一步包括以下步骤：

1、由于基站接收到的各基站接入请求信号中不包含所述合作组成员数目信息，基站无法区分相应各用户端是单独用户端还是隶属于合作组，所以基站按照单独用户端处理，即仅分配只供一个用户端使用的资源块给所述合作组，也就是将定时信息和单独分配的资源块等信息反馈给所述合作组。

2、为了获得多个资源块供合作组内各用户端独立传输各自的具体接入请求信息，作为所述合作组组长及代表的各用户端在所述基站分配给的资源块上发送所述合作组成员数目信息。

3、所述基站根据接收的所述合作组成员数目信息再次进行资源块分配以使所述合作组内的各用户端都能分配到独立的资源块来发送各自的具体接入请求信息，即由所述基站将联合分配的资源块信息传送回相应各用户端。

第七步：所述合作组内的各用户端将分别有序地在所述联合分配的资源块占用各自的资源块，并在相应的资源块上单独向基站发送所述具体接入请求信息。如图2、图3a及图3b所示，各用户端在各自占用的资源块发送接入理由、调度申请、业务优先级等具体的接入请求信息。第八步：基站检测各用户端具体的接入请求信息，由此再次进行资源块的分配以满足各用户端具体的业务需要，即基站根据接收到的前述请求信息向各用户端传送回用户业务传输所需的资源块信息。然后，各用户端即可在相应的资源块上进行业务传输。

再有，需要说明的是，本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法并非按照上述流程依序执行，例如，也可在确定作为合作组组长的用户端后，相应确定合作组内各用户端向基站发送基站接入请求信号的合作方式，然后在合作组形成后再来选出相应作为组代表的各用户端。此外，当采用基站来事先确定合作组内各用户端发送基站接入请求信号的合作方式时，其确定过程已为本领域技术人员所知悉，故在此不再详述。

为了进一步说明本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法的优点，以下将通过仿真实例来详细说明：

首先假设系统采用ALOHA的随机接入模式，用户端的签名序列由一组具有良好相关特性的码字构成，如伪随机PN码或恒幅零自相关CAZAC码等，用户端在接入时随机选择一个签名序列作为自己临时的ID号，如果用户端之间选择了相同的签名序列，则这些用户端就发生碰撞。

具体的仿真条件如下：用户端的信号到达服从泊松分布，系统的随机接入周期时间是10ms，用户端签名序列的数目是64，合作组和单独的用户可以随机的选择其中的一个序列作为合作组或单用户的签名序列，合作组用户端数目信息采用显式联合方式传输。随机接入的时隙如图4所示，在现有方法中，要求接入的各单用户可以随机地在3个接入时隙(即接入时隙#1、接入时隙#2和接入时隙#2)中选择任意一个时隙发送基站接入请求信号。而在本发明的方法中，第一个时隙用于合作组的建立，即各单用户端发送组接入请求信息以形成合作组，第二个时隙用于各合作组内的相应组长向基站发送基站接入请求信号，而第三个时隙用于所有接入的合作组向基站显式联合传输各合作组用户端数目信息比特，由于该信息的传输已经过基站的调度，所以不会在第三个时隙内发生信号碰撞。

请参见图5，其为现有接入方法和本发明的接入方法的用户端信号碰撞概率示意图，其中，在本发明的接入方法中，假设合作组的建立都已经完成，所有待接入的用户端都加入到了各自的合作组内，各合作组用户端数目分别是2，4和8，由图5可见，当合作组内的用户端数目大于2时，本发明的接入方法的合作组碰撞概率比现有单用户端的信号碰撞概率低。

综上所述，本发明的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法通过在各用户端接入基站之前，先选择加入到某一合作组内，然后由每个合作组内作为组长或代表的用户端向基站发送基站接入请求信号即签名序列，当接入成功时，基站会为每个合作组的成员分别分配资源，如此利用无线协作网络中用户端的协作能力，将现有接入方法中完全基于单独用户端个体竞争的模式，转化为基于合作组竞争的模式，不但可大大降低接入过程中用户端之间的信号碰撞冲突概率，而且可以有效地节省用户端在接入过程中的能量消耗，进而有效地提高用户端的接入性能。

Claims (9)

1.一种协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于包括步骤：

1)确定作为合作组组长的用户端；

2)待接入合作组的各用户端分别向所述作为合作组组长的用户端发送组接入请求信息；

3)所述作为合作组组长的用户端检测各组接入请求信息，并根据检测到的各组接入请求信息发送相应各接入许可信息至相应各用户端以形成相应的合作组；

4)确定所述合作组内各用户端向基站发送基站接入请求信号的合作方式；

5)按照已确定的向基站发送基站接入请求信号的合作方式，所述合作组内的相应各用户端发送相应的基站接入请求信号；

6)基站检测基站接入请求信号，并根据检测到的基站接入请求信号进行首次资源块分配以使所述合作组内的各用户端都能有独立的资源块来发送具体接入请求信息；

7)所述合作组内的各用户端分别有序地在首次分配的资源块中占用各自相应的资源块，并在占用的资源块上单独向所述基站发送具体接入请求信息；

8)基站检测各具体接入请求信息，并根据检测到的各具体接入请求信息再次进行相应的资源块分配以满足各用户端的具体业务需求。

2.如权利要求1所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：在步骤1)中，采用基站指派的方式确定作为合作组组长的用户端。

3.如权利要求1所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：在步骤1)中，采用自我指定方式确定作为合作组组长的用户端。

4.如权利要求1所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：当合作组形成后，还包括在所述合作组内重新选择其他用户端作为组长的步骤。

5.如权利要求1所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：当步骤4)中确定采用轮流方式发送基站接入请求信号时，在步骤5)中，由所述合作组内的各用户端分别依序轮流发送基站接入请求信号。

6.如权利要求1所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：当步骤4)中确定采用联合方式发送基站接入请求信号时，步骤4)还包括采用指定方式或选举方式产生出作为所述合作组代表的用户端的步骤。

7.如权利要求6所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：在步骤5)中，由所述作为合作组组长的用户端及作为所述合作组代表的用户端代表所述合作组分别发送基站接入请求信号。

8.如权利要求1或7所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：当发送的基站接入请求信号不包含所述合作组成员数目信息时，步骤6)进一步包括步骤：

(1)所述基站分配供一个用户端使用的资源块于所述合作组；

(2)作为所述合作组组长的用户端及作为代表的用户端在所述基站分配的资源块上发送所述合作组成员数目信息；

(3)所述基站根据接收的所述合作组成员数目信息再次进行资源块的分配，以使所述合作组内的各用户端都能分配到独立的资源块来发送具体接入请求信息。

9.如权利要求1所述的协作蜂窝网络中基于用户端合作分组的随机接入方法，其特征在于：各许可信息及各基站接入请求信号分别包含所述合作组的组标识。

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