CN101523964A - 用于无线通信系统中基于竞争的多接入的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于利用基于竞争的多接入上行链路信道向用户终端(UT)提供对网络的接入的无线电信网络中的设备、方法和接入点(AP)。AP包括N_rx个接收天线，其中N_rx＞1，用于从多个UT接收同时的上行链路发射，其中在给定时隙上发射的UT的数量小于或等于N_rx。AP向UT发送功率控制命令以控制UT的每一个的发射功率以便在AP处提供相等平均功率的接收信号。AP也指示每个UT基于接入点处的噪声水平选择其发射数据速率，以便实现期望的可靠性水平。无串行干扰消除的MMSE接收机接收从UT发射的分组并将从每个用户终端接收的分组分别解调和解码。

Description

用于无线通信系统中基于竞争的多接入的设备和方法

技术领域

本发明涉及无线电信系统。具体但并非限制地，本发明涉及用于在无线通信系统中的无线、衰落、色散信道上操作的用户终端的基于竞争的多接入的设备和方法。

背景技术

在无线分组数据系统中，许多用户终端(UT)可能尝试在上行链路信道上向接入点(AP)发射分组。大多数无线系统中的上行链路多接入方案是基于预留的，即，想在上行链路上发射的每个UT必须首先请求AP在上行链路上为其调度资源。一旦AP为请求UT指定了资源，并且一旦该指定已传送给UT，则允许UT使用该指定的资源在上行链路上发射。

在一些无线系统中，UT能使用基于竞争的多接入方案(通常为时隙Aloha方案)请求上行链路资源。这种方式的一个好的示例是有关上行链路的WiMax(802.16)。在WiMax中，上行链路信道利用正交频分复用(OFDM)，因此上行链路信道被分成许多子载波。而且，在时间域中将信道分成非重叠时隙。WiMax定义基于竞争的请求信道，其中每个信道由M个邻接子载波组成。假定无线信道不在这M个子信道上改变，WiMax在每个请求信道上定义M个正交码。利用M个正交码，M个UT(每一个使用这些正交码中的不同一个)能够在每个时隙上同时向AP发射请求。想在该请求信道上发射的每个UT在可能的M个码中随机选取一个码，因此，有可能两个发射UT将选取相同的码并且这将导致发射的分组的碰撞和丢失。

实际上，WiMax创建M个并行、基于竞争的多接入信道用于发射请求。这些请求信道的每一个实质上实现时隙Aloha协议。每个UT能使用这些M个并行信道之一在任何时隙任意发射分组，并且只要没有其他UT同时在相同时隙且在M个请求信道的相同信道上同时发射，则请求将由AP正确接收。

基于预留的多接入方案的主要缺点是在上行链路信道上发射的每个分组所产生的额外延迟。UT请求资源预留并且随后将预留从AP传送到UT的过程在分组到达UT的时间和在上行链路上发射分组的时间之间增加了额外延迟。

使用仅有基于竞争的请求信道(例如WiMax)的问题在于UT仅能使用基于竞争的多接入来进行预留。该方式不允许在竞争模式中发射实际数据分组。因此，在该方式中，由于请求资源预留和将预留传送回UT的过程，数据分组仍招致延迟。

WiMax中基于竞争的请求信道被设计成使得UT仅能向AP发射信息的极少数位。在WiMax中，没有设置基于竞争的请求信道上的信息速率的机制，因为数据分组不在该信道上发射。

在有线线路系统中，以太网是迄今为止最常用的基于竞争的多接入方法。以太网使用载波检测多路访问(CSMA)的形式，其中想发射的每个节点首先监听什么正在信道上发射并持续一段时间(载波检测)，如果该节点没有听到任何其他节点在发射，则它接着将在信道上发射。不幸的是，CSMA不太适合无线应用。在无线系统中，移动台通常在不同频率上发射和接收(即，听)；因此，对于多数无线移动台来说，不可能监听其他移动台的发射。而且，由于视线和无线环境中的其他限制，分散的移动台有可能不能听到向AP发射的所有其他移动台。AP可能能够从给定发射移动台接收信号，而该信号不可在另一个移动台处接收(由于障碍物)。这通常称为“隐藏节点问题”，并且它使CSMA不适合无线环境。参见D.Bertsekas和R.Gallager的“Data Networks”(第二版，1992，Prentice-Hall公司，新泽西)。

另一个用于实现无线环境中基于竞争的多接入的公知方式是使用时隙Aloha协议发射数据分组(不只是接入请求)。时隙Aloha是单分组，基于竞争的方式意味着每个时隙仅一个分组能通过。如果多于一个UT尝试在特定时隙中发射，则没有分组通过。在这种系统中，每个UT在数据分组到达之后选择某一随机时隙用于将分组发射到AP。只要没有其他UT在相同时隙上发射，AP正确接收数据分组。如果一个或一个以上UT在相同时隙上发射，AP不能正确地接收任何分组。众所周知，利用该方式正确接收的每时隙分组的最大数量是1/e～0.36。参见D.Bertsekas和R.Gallager的“Data Networks”(第二版，1992，Prentice-Hall公司，新泽西)。换句话说，利用时隙Aloha的最大吞吐量是0.36(分组/时隙)。类似地，在有限分组延迟利用时隙Aloha能支持的最大提供负荷是0.36分组/时隙。利用时隙Aloha，只要每时隙新分组到达的数量明显小于0.36，则分组延迟相当低。然而，这导致在AP处可接收的分组/时隙方面的低吞吐量。该低吞吐量是直接、单分组、基于竞争的方式的最大缺点。

另一个在无线系统中实现低分组延迟的公知方式是具有多分组接收的基于竞争的多接入。例如，参见L Tong、Q.Zhao和G.Mergen的＂Multipacket reception in random access wireless networks：from signalprocessing to optimal medium access control，＂(IEEE Comm.Mag.，vo.39，108-112页，2001年11月)；Q.Zhao和L Tong的＂A dynamic queueprotocol for multiaccess wireless networks with multipacket reception，＂(IEEE Trans.Wireless Comm.，vol.3，2221-2231页，2004年11月)；以及M.K.Tsatsanis、R.Zhang和S.Banerj ee的＂Network-assisteddiversity for random access wireless networks，＂(IEEE Trans.Sig.Proc，vol.48，702-711页，2000年3月)。在该方式中，假定AP能同时接收来自多达N_rx个用户发射的分组。例如，可示出，与利用时隙Aloha可实现的0.36分组/时隙相比，N_rx＝4时正确接收的最大数量为2.95分组/时隙。

考虑N_rx＝2的多分组接收。假定UT-A和UT-B同时向AP发射。在AP处，当解调来自UT-B的信号时，从UT-A发射的信号被视为干扰，反之亦然。换句话说，在从不同的同时发射的UT接收的信号之间存在大的相互干扰。自然，可从UT-A可靠接收的数据速率取决于从UT-B接收的信号的强度(从UT-B接收的信号的强度越大，可从UT-A接收的数据速率越低)。不幸的是，在无线环境中，在AP处从每个发射UT接收的信号是每个特定UT和AP之间的信道的函数。因为UT广泛分散(与载波的波长相比，它在2GHz载波频率是15cm)，AP和不同的UT之间的信道是非常不同的。这意味着，可从UT-A接收的数据速率取决于与UT-A同时发射的UT的数量以及每个UT正使用的信道。不幸的是，当UT-A发射其分组时，该信息不为UT-A所知，并且因此不能确定适合的数据速率。因此，无线、基于竞争的多分组系统的实现需要用于每个UT确定适合的发射数据速率的方法，使得利用AP处的合适接收机，在AP处能高可靠性地同时将N_rx个分组解码。

本领域中需要的是克服了现有技术的缺点的用于基于竞争的多接入的设备和方法。这种设备和方法应提供在UT处的特定发射方法和在AP处的接收方法，其使得AP能以给定的可靠度(即，在AP处不正确接收发射的分组的小概率)正确地接收同时发射的N_rx个分组。本发明提供这种设备和方法。

发明内容

本发明提供用于想通过无线、衰落、色散信道与接入点(AP)通信的多个用户终端(UT)多接入的设备和方法。本发明使多个UT无需协调且几乎没有延迟地使用上行链路信道。多接入过程是基于竞争的，即，在不同UT和AP之间为了确定哪个UT应在给定时间在信道上发射的协调几乎不存在。假设AP有N_rx个接收天线(N_rx>1)，并且本发明提供多接入过程和系统配置，使得如果“m”个UT同时在上行链路信道时隙上发射，并且m<＝N_rx，则来自所有这些发射UT的分组将是可由AP以给定预期的可靠性水平(即，给定分组错误概率)正确解码的。本发明也确定每个UT能发射其分组的最大信息速率，并且使这些分组由AP以给定可靠度正确解码，只要每时隙发射的分组的数量小于或等于N_rx。

本发明减少在基于预留的系统中产生的延迟，并且与利用传统时隙Aloha或基于竞争的多接入方法实现的吞吐量相比，它同时增加了吞吐量。

因此，一方面，本发明针对一种用于在无线电信网络中向用户终端提供对接入点的访问的设备。多个用户终端利用具有定义带宽的基于竞争的多接入上行链路信道与接入点通信。设备包括具有N_rx个接收天线的接入点，其中N_rx>1。接收天线从多个用户终端接收同时的上行链路发射，其中在给定时隙上发射的用户终端的数量小于或等于N_rx。设备还包括：功率控制部件，用于控制用户终端的每一个的发射功率以便在接入点提供相等平均功率的接收信号；用于指示用户终端的每一个基于接入点处的噪声水平选择其发射数据速率的部件；以及接入点中的接收机，用于接收从用户终端发射的分组并用于将从每个用户终端接收的分组解调和解码。

另一方面，本发明针对一种用于向用户终端提供对接入点的访问的无线电信网络中的方法，其中该接入点配备有多个(N_rx个)接收天线，并且其中多个用户终端利用具有定义带宽的基于竞争的多接入上行链路信道与接入点通信。该方法包括以下步骤：从多个用户终端接收同时的上行链路发射，其中在给定时隙上发射的用户终端的数量小于或等于N_rx；控制用户终端的每一个的发射功率以便在接入点提供相等平均功率的接收信号；指示用户终端的每一个基于接入点处的噪声水平选择其发射数据速率；以及将从每个用户终端接收的发射分别解调和解码。

指示用户终端的每一个选择其发射数据速率的步骤可包括以下步骤：从用户接收将正确接收和解码由接入点接收的分组的期望概率；将期望概率广播给用户终端；以及由每个用户终端选择提供将正确接收和解码由接入点接收的分组的期望概率的发射数据速率。

另一方面，本发明针对一种用于向用户终端提供对网络的接入的无线电信网络中的接入点。多个用户终端利用具有定义带宽的基于竞争的多接入上行链路信道与接入点通信。接入点包括：用于从多个用户终端接收同时的上行链路发射的多个(N_rx个)接收天线，其中在给定时隙上发射的用户终端的数量小于或等于N_rx。接入点还包括用于将功率控制命令发送给用户终端的每一个的功率控制部件，其中所述命令指示用户终端的每一个调节其发射功率以便在接入点提供相等平均功率的接收信号。接入点还包括用于指示用户终端的每一个以基于接入点处的噪声水平的数据速率发射分组的数据速率控制部件；以及用于接收从用户终端发射的分组并用于将从用户终端发射的分组分别解调和解码的接收机。

附图说明

在下文中，通过参考附图示出优选实施例将详细描述本发明的实质特征，附图中：

图1是示出本发明的方法的示例实施例的步骤的流程图；

图2是示出当在基于竞争的上行链路信道上发射分组时由每个UT执行的步骤的流程图；

图3是示出接入点执行的、为想在基于竞争的多分组信道上发射的每个移动台确定目标接收功率频谱密度和目标信息速率的步骤的流程图；

图4是本发明的设备的示例实施例的简化框图；以及

图5是其中在接入点接收机中功率控制因子已被吸收到信道中的本发明的设备的简化框图。

具体实施方式

图1是示出本发明的方法的示例实施例的步骤的流程图。在步骤1，为接入点(AP)提供N_rx个接收天线，其中N_rx>1。在步骤2，慢功率控制每个UT以补偿距离相关路径损耗和遮蔽。AP指示每个UT调节其发射功率使得在接入点从每个用户终端接收的信号的平均功率频谱密度(在上行链路信道的定义带宽上平均)对于每个用户终端等于相同目标值。注意，这是仅补偿移动装置和AP之间的距离相关路径损耗和遮蔽的慢功率控制；然而，该慢功率控制不补偿移动装置和AP之间的信道的快速衰落变化。在步骤3，每个发射UT基于AP处的目标接收功率频谱密度(PSD)和噪声功率频谱密度选取其信息速率(即，其调制格式(例如BPSK、QPSK等)和其编码器所使用的二进制速率)。可选地，每个UT发射的每个分组可扩展在很多独立频率上。在步骤4，AP使用最小均方误差(MMSE)接收机将从每个UT发射的信号分别解调。在步骤5，AP使用解调器(与步骤3中的编码器匹配)将从每个发射UT接收的信号解码。

利用本发明，只要在上行链路信道上在给定时隙中同时发射的UT的数量小于或等于AP接收天线的数量N_rx，来自所有UT的分组可由AP以期望的可靠性水平解码。

图2是示出当在基于竞争的上行链路信道上发射分组时由每个UT执行的步骤的流程图。在步骤11，到达UT的分组准备好向AP发射。在步骤12，UT在分组到达之后的某一时隙中发射分组，而不从AP请求资源。在步骤13，UT检测其之前发射的分组是否由AP正确地接收。如果是，则发射过程在步骤14结束。如果之前发射的分组未由AP正确地接收，则UT在某一随后时隙重新发射未正确接收的分组，而不从AP请求资源。

如上面步骤22中提到的，在本发明中，UT发射其分组，无需首先请求上行链路信道上的资源。因此，到达UT的分组可由UT以非常小的延迟在上行链路上发射。因此，与基于预留的方法相比，本发明提供低延迟。而且，与其他单分组、基于竞争的方法(例如时隙Aloha)相比，本发明提供更高的吞吐量，这是因为利用本发明可在信道上同时接收多达N_rx个分组，这与利用单分组方法在信道上仅接收一个分组相反。利用单天线时隙Aloha配置的最大吞吐量是每时隙1/e＝0.36个成功分组。比较起来，利用AP处的N_rx＝4个天线，本发明每时隙能输送最大几乎3个成功分组。

另外，本发明提供用于设置每个发射的分组的信息速率的特定过程，使得只要每个UT选取的数据速率低于该信息速率，AP就能以高可靠性正确地将发射的分组解码(假定同时发射少于N_rx个分组)。

利用时隙Aloha成功发射的每个分组承载比本发明的设备(具有在AP处的N_rx＝4个天线)发射的每个分组稍大数量的信息位。然而，利用本发明通过(get through)的每秒的分组的数量比利用时隙Aloha通过的分组的数量多很多倍。总体效果是利用本发明比利用时隙Aloha每秒成功发射多得多的位。

图3是示出AP执行的、用于确定目标接收频谱密度(P₀)和图4中的编码器35要用于实现任何期望分组接收可靠性(P_e)的信息速率(R₀)的步骤的简化流程图，其中P_e是N_rx个同时发射UT之一发射的分组在AP处未正确地接收的概率。在步骤21，向AP提供AP处的噪声的功率频谱密度的当前值(N₀)。在步骤22，向AP提供每个发射UT和AP之间的信道的统计。在步骤23，向AP提供P_e的期望值。最后，在步骤24，AP为(R，P)的任意组合形成R_MMSE的累积分布函数(CDF)。最后，在步骤25，AP选取(R，P)的组合，使得R_MMSE降到R之下的概率小于指定的P_e，并且在这些对中，AP将选取具有最高R值的对。该选取的对由目标/期望的接收的功率频谱密度水平(P₀)以及目标/期望的平均信息速率(R₀)表示。

图4是本发明的设备的示例实施例的简化框图。在采用多个接收天线的基于竞争的多接入系统中说明本发明。数量为M个UT 31正在与AP 32通信，AP 32配备有N_rx个接收天线33。假定每个UT使用单个发射天线34。UT-m以频率w_k发射的信号的信息速率由R_m(w_k)表示。AP处的第i个接收天线与在频率w_k的第j个UT之间的复值基带信道由H_i，j(w_k)表示。以频率w_k的数字基带模型为：

Y(w_k)＝H(w_k)X(w_k)+N(w_k)，(1)

其中：

Y(w_k)是大小为N_rx的向量，其第i个元素是第i个接收天线上在频率w_k的接收信号；

X(w_k)是大小为M的向量，其第j个元素是第j个UT以频率w_k发射的信号；

H(w_k)是在频率w_k的大小为[N_rx，N_tx]的信道矩阵；以及

N(w_k)是大小为N_rx的向量，其第i个元素是在第i个接收天线上接收的噪声。

假定噪声在空间上以及在时间上为白的，即：

$E\{N\left(w_l\right)N\&prime;\left(w_k\right)\}=N_0{I}_{N_{\mathrm{rx}},N_{\mathrm{rx}}}---\left(2\right)$

还假定所有SISO信道相互独立，即：

$E\left\{H_{i,j}\left(w_k\right)H_{k,l}^{\&prime;}\left(w_k\right)\right\}=0$   $\&ForAll;i\&NotEqual;k$  j≠1      (3)

项P_m(w_k)用于表示第m个UT以频率w_k发射的功率，以及

用于表示第m个用户发射的总功率，即 $P_m^{\mathrm{\&Sigma;}}={\mathrm{\&Sigma;}}_k{P}_m\left(w_k\right).$ 还假定P_m(w_k)＝0或P_m(w_k)＝P_m，即每个UT在每个频率上发射的功率为0或固定非零值。

在示范实施例中，所有UT使用相同类型的编码器35和调制器36，每个UT仅使用一个编码器而不管每个UT使用多少频率。因此，UT-m发射的信号的总信息速率是R_m＝∑_kR_m(w_k)。在下面的描述中，描述用于设置信息速率{R_m}^M _m-1的过程，使得图4中的M个UT能与AP可靠地同时通信。假定AP向UT广播在AP处的噪声的功率。因此，UT知道N₀。

从图4中，可看出在M个UT在上行链路上发射的信号之间存在强相互干扰。因此，在大多数常见情况下，特定UT经历的信息速率取决于在AP处从所有其他UT接收的信号。在基于竞争的多接入系统中，未协调不同UT在信道上的发射。因此，没有对各UT的发射的任何限制，每个UT和AP之间的信道的质量将大大不同。而且，AP在正从UT-m接收信号时经历的干扰取决于所有其他发射UT和AP之间的信道。同样，特定UT在发射时知道从其他UT到AP的信道是不可能的。

为了使UT间的相互干扰的影响较少改变，发射功率控制器37采用慢功率控制来补偿距离损耗和遮蔽。所有UT是功率受控的，使得在每个AP天线处从每个UT接收的平均功率频谱密度是固定的。注意到，该功率控制意味着仅补偿慢衰落和遮蔽。慢功率控制不补偿快衰落和频率选择衰落。UT也可采用频率扩展以获得增加的频率分集。

项S_jm(w_k)用于表示在第j个接收天线处从第m个UT接收的信号，即：

S_jm(w_k)＝H_jm(w_k)X_m(w_k)    (4)

利用慢功率控制，可假定：

$\frac{1}{L}\underset{k-1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|S_{\mathrm{jm}}\left(w_k\right)\right|}^2=P_0---\left(5\right)$

其中P₀是在AP处的目标/预期的接收功率频谱密度。

还可假定，来自每个UT的信息位扩展在很多独立频率上(即，频率充分远离使得这些频率处的信道互不相关)。

通过使用慢功率控制以及可选的频率扩展(frequency spreading)，最大可靠总和信息速率(即，R_∑＝∑_mR_m)仅取决于P₀。换句话说，R_∑独立于H(w_k)的具体实现。然而，使R_∑固定不能保证各个速率(即，每个R_m)是固定的。下面进一步论述该问题。

图5是其中功率控制因子已被吸收到AP 32中的无SIC 41的MMSE接收机中的信道中的本发明的设备的简化框图。假定所有UT在以下频率的子集上发射：

W＝{w₁，w₂，K w_L}.              (6)

图5中的每个SISO信道G_ij(w)＝α_jH_ij(w)具有平均功率为1，即：

E{|G_ij(w_k)|²}＝1，              (7)

并且来自每个UT的平均发射功率为P₀，即：

E{|X_m(w_k)|²}＝P₀                (8)

换句话说，G_ij(w)设置为等于α_jH_ij(w)，其中选取缩放因子α_j以确保等式(7)成立。还假定选取(w_k)使得：

E{G_ij(w_k)G_ij(w_k)}＝δ_kl          (9)

利用等式(5)的慢功率控制，图4的设备等效于图5中示出的设备。

每个频率处的平均SNR则定义为：

$\mathrm{SNR}\&equiv;E\left\{\frac{{\left|G_{\mathrm{ij}}\left(w_k\right)X_j\left(w_k\right)\right|}^2}{N_0}\right\}---\left(10\right)$

$=\frac{P_0}{N_0}---\left(11\right)$

在图5中能以频率w_k可靠发射的最大总和信息速率是：

$R_{\mathrm{\&Sigma;}}\left(w_k\right)=\log \det (I_{N_{\mathrm{rx}},N_{\mathrm{rx}}}+\mathrm{SNR\; G}\left(w_k\right)G^{*}\left(w_k\right))---\left(12\right)$

即使有固定的总和速率R_∑，第m个UT可与AP通信的单独速率取决于采用的具体的发射机/接收机架构。作为示例，如果AP处的接收机使用其中在解码来自第n个UT的信号之前将来自第m个UT的信号解码的串行干扰消除(SIC)算法，则第n个UT可用的速率高于第m个UT可用的速率。利用SIC，不同发射机可用的速率取决于将来自这些发射机的信号解码的顺序。

然而，在基于竞争的多接入系统中，不知道哪个UT将进行发射。因此，不可能在开始发射之前将特定解码顺序指定给不同的UT。这排除了在AP处使用SIC接收机的可能性。

利用并行干扰消除(PIC)接收机，不同发射机可用的速率独立于解码顺序。因此，图5中的AP可使用PIC接收机，并且每个单独UT能以总和速率的1/M进行发射。换句话说：

$R\left(i\right)=\frac{1}{M}{R}_{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\mathrm{SNR}\right)$   i＝1，K，M   (16)

通常，PIC接收机比SIC接收机在计算上更复杂。因此，期望PIC接收机的低复杂性备选方案。优选地，由AP使用无串行消除的最小均方误差(MMSE)接收机来将UT发射的信息位解码。利用MMSE接收机，来自每个UT的信号被单独解码，同时将来自所有其他UT的干扰当作有色高斯噪声。另外，对于每个UT，AP可支持的信息速率独立于在AP处将不同的UT解码的顺序。在低SNR，MMSE接收机的执行非常接近于最佳、容量实现的SIC接收机，因为在低SNR的性能由热噪声且不由UT间的相互干扰控制。

下列是利用MMSE接收机在各SNR能实现的速率的数量表达式。为此，令g_i(w_k)表示信道矩阵G(w_k)的第i列。在从第i个UT接收信号时看到的噪声+干扰的协方差是：

$K_z(i,w_k)=N_0{I}_{N_{\mathrm{rx}},N_{\mathrm{rx}}}\underset{l\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{P_0}{M}{g}_l\left(w_k\right)g_l^{*}\left(w_k\right)---\left(17.1\right)$

$=N_0(I_{N_{\mathrm{rx}},N_{\mathrm{rx}}}+\underset{l\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{P_0}{{\mathrm{MN}}_0}{g}_l\left(w_k\right)g_l^{*}\left(w_k\right))---\left(17.2\right)$

并且对于第i个UT在频率w_k上可实现的速率是：

$R_{\mathrm{MMSE}}(i,w_k)=\log (1+\frac{P_0}{M}{g}_i^{*}\left(w_k\right)K_z^{-1}(i,w_k)g_i\left(w_k\right))---\left(18\right)$

第i个UT可用的基于竞争的多接入平均信息速率(在子载波的数量L上平均)则是：

$R_{\mathrm{MMSE}}\left(i\right)=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{\mathrm{MMSE}}(i,w_k)---\left(19\right)$

$=\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log (1+\frac{P_0}{M}{g}_i^{*}\left(w_k\right)K_z^{-1}(i,w_k)g_i\left(w_k\right))---\left(20\right)$

用表达式替换等式(20)中的K_z(i，w_k)，为第i个UT可用的平均信息速率提供下列表达式：

$R_{\mathrm{MMSE}}\left(i\right)+\frac{1}{L}\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log (1+\frac{P_0}{{\mathrm{MN}}_0}{g}_i^{*}\left(w_k\right){(I+\underset{l\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{P_0}{{\mathrm{MN}}_0}{g}_i\left(w_k\right)g_l^{*}\left(w_k\right))}^{-1}{g}_i\left(w_k\right))---\left(21\right)$

重要的是注意到等式(21)中的R_MMSE(i)是信道g_i(w_k)的特定实现的函数，并且它是P₀的函数。

因为，特定发射移动装置不知道与该移动装置同时发射的其他移动装置的信道(甚至不知道其身份)，所以特定移动装置从不知道R_MMSE(i)的确切值。换句话说，只要关注发射移动装置，R_MMSE(i)是标量值(scalar-valued)随机变量。令

表示R_MMSE(i)的累积分布函数(CDF)，即

$\mathrm{CDF}(R;\frac{P_0}{N_0})=\mathrm{Pr}(R_{\mathrm{MMSE}}\left(i\right)<R).---\left(22\right)$

注意到随机变量R_MMSE(i)对于所有i具有相同统计分布是重要的，因为所有移动装置和AP之间的信道在统计上是相同的。因此，R_MMSE(i)中的标号“i”将在此后去掉。

可基于信道g_i(w_k)的已知统计、已知值P₀/N₀、和R_MMSE、g_i(w_k)以及P₀/N₀之间的已知关系(该关系由等式21给出)来在分析上或通过一次离线蒙特卡罗仿真计算等式(22)中的CDF。

其次，重要的是要注意到，只要第i个UT发射的平均信息速率(在由第i个UT使用的L个子载波上平均)小于或等于R_MMSE(i)，AP将能够正确解码第i个移动装置发射的分组。与等式(21)相结合的该事实暗示：如果第i个UT发射的平均信息速率设为R0，则AP将不正确解码第i个UT发射的分组的概率(即，信道gi(wk)导致R_MMSE(i)小于R₀的概率)是：

$P_e\left(R_0\right)=\mathrm{CDF}(R_0;\frac{P_0}{N_0})---\left(23\right)$

总之，本发明提供一种无线系统，其中如果N_rx或更少UT同时向AP发射分组，则它们所有的分组能由AP以给定的期望可靠性解码。则该系统可与图2的多接入协议组合以实现无线环境中的多分组、基于竞争的多接入系统。

虽然在附图中示出并在前面的具体实施方式中描述了本发明的优选实施例，但应理解本发明不局限于所公开的实施例，而是在不偏离本发明的范围的情况下，能够进行各种重新设置、修改和替换。说明书预期属于所附权利要求定义的本发明范围的任何所有修改。

Claims (18)

1.一种用于在无线电信网络中向用户终端提供对接入点的访问的设备，其中多个用户终端利用具有定义带宽的基于竞争的多接入上行链路信道与所述接入点通信，所述设备包括：

具有N_rx个接收天线的接入点，其中N_rx>1，所述接收天线用于从多个用户终端接收同时的上行链路发射，其中在给定时隙上发射的用户终端的数量小于或等于N_rx；

功率控制部件，用于控制所述用户终端的每一个的发射功率以便在所述接入点提供相等平均功率的接收信号；

用于指示所述用户终端的每一个基于所述接入点处的噪声水平选择其发射数据速率的部件；以及

所述接入点中的接收机，用于接收从所述用户终端发射的分组并用于将从每个用户终端接收的分组解调和解码。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述功率控制部件包括：

在每个用户终端内用于调节发射功率的发射功率控制器；以及

在所述接入点中用于实现与每个用户终端的慢功率控制的功率指示部件，其中所述功率指示部件控制每个用户终端的发射功率以补偿距离相关路径损耗和遮蔽，使得对所述上行链路信道的定义带宽求平均的、在所述接入点从每个用户终端接收的信号的平均功率频谱密度对于每个用户终端相同。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述接入点中的接收机是最小均方误差(MMSE)接收机。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述MMSE接收机是无串行干扰消除(SIC)的MMSE接收机。

5.如权利要求1所述的设备，还包括每个用户终端内的用于将每个发射的分组扩展在多个独立频率上的扩展部件，其中所述独立频率充分远离使得所述独立频率处的信道互不相关。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述指示所述用户终端的每一个选择其发射数据速率的部件包括：

用于从用户接收将正确接收和解码由所述接入点接收的分组的期望概率的部件；以及

用于指示所述用户终端的每一个选择其发射数据速率以实现将正确接收和解码由所述接入点接收的分组的所述期望概率的部件。

7.一种用于向用户终端提供对接入点的访问的无线电信网络中的方法，其中所述接入点配备有多个、即N_rx个接收天线，并且其中多个用户终端利用具有定义带宽的基于竞争的多接入上行链路信道与所述接入点通信，所述方法包括：

从多个用户终端接收同时的上行链路发射，其中在给定时隙上发射的用户终端的数量小于或等于N_rx；

控制所述用户终端的每一个的发射功率以便在所述接入点提供相等平均功率的接收信号；

指示所述用户终端的每一个基于所述接入点处的噪声水平选择其发射数据速率；以及

将从每个用户终端接收的发射分别解调和解码。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述接收同时的上行链路发射的步骤包括接收各扩展在多个独立频率上的上行链路发射，所述多个独立频率充分远离使得所述独立频率处的信道互不相关。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述控制所述用户终端的每一个的发射功率的步骤包括：

利用所述接入点和每个用户终端之间的慢功率控制来调节每个用户终端的发射功率，其中所述接入点向每个用户终端发送命令来调节每个用户终端的发射功率以补偿距离相关路径损耗和遮蔽。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述利用慢功率控制的步骤包括根据所接收的命令调节每个用户终端的发射功率，使得对所述上行链路信道的定义带宽求平均的、在所述接入点从每个用户终端接收的信号的平均功率频谱密度对于每个用户终端相同。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述接收同时的上行链路发射的步骤包括利用无串行干扰消除(SIC)的最小均方误差(MMSE)接收机接收上行链路发射。

12.如权利要求7所述的方法，其中在所述用户终端中分组到达之后在随机选择的时隙中从所述用户终端向所述接入点发射所述分组，执行所述发射步骤时不从所述接入点请求资源。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

由所述用户终端检测其之前发射的分组是否由所述接入点正确地接收；

如果所述接入点正确地接收了所有之前发射的分组，则结束所述访问方法；以及

如果所述接入点未正确地接收发射的分组，则所述用户终端重新发射未正确接收的分组，在随机的随后时隙中重新发射所述分组时不从所述接入点请求资源。

14.如权利要求7所述的方法，其中所述指示所述用户终端的每一个选择其发射数据速率的步骤包括：

从用户接收将正确接收和解码由所述接入点接收的分组的期望概率；

将所述期望概率广播给所述用户终端；以及

由每个用户终端选择提供将正确接收和解码由所述接入点接收的分组的所述期望概率的发射数据速率。

15.一种用于向用户终端提供对网络的接入的无线电信网络中的接入点，其中多个用户终端利用具有定义带宽的基于竞争的多接入上行链路信道与所述接入点通信，所述接入点包括：

多个、即N_rx个接收天线，用于从多个用户终端接收同时的上行链路发射，其中在给定时隙上发射的用户终端的数量小于或等于N_rx；

功率控制部件，用于将功率控制命令发送给所述用户终端的每一个，所述命令指示所述用户终端的每一个调节其发射功率以便在所述接入点提供相等平均功率的接收信号；

数据速率控制部件，用于指示所述用户终端的每一个以基于所述接入点处的噪声水平的数据速率发射分组；以及

接收机，用于接收从所述用户终端发射的分组并用于将从所述用户终端发射的分组分别解调和解码。

16.如权利要求15所述的接入点，其中所述接收机适于接收各扩展在多个独立频率上的同时的上行链路发射，所述多个独立频率充分远离使得所述独立频率处的信道互不相关。

17.如权利要求16所述的接入点，其中所述接收机是无串行干扰消除(SIC)的最小均方误差(MMSE)接收机。

18.如权利要求16所述的接入点，其中所述数据速率控制部件包括：

用于从用户接收将正确接收和解码由所述接入点接收的分组的期望概率的部件；

用于指示所述用户终端的每一个选择其发射数据速率以实现将正确接收和解码由所述接入点接收的分组的所述期望概率的部件。

Images