CN103249171A - Ofdma系统随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDMA系统随机接入方法，包括步骤：基站根据发送信号的符号持续时间以及小区半径确定随机接入相位偏移集；在得到的相位偏移集中，小区内接入用户随机挑选偏移相位，并生成频域信号；小区内的接入用户发起随机接入过程，在上行链路发送接入信号，基站对信号进行检测，判定是否有用户接入系统；确定接入系统的用户序号，并对其传输时延进行估计。本发明的方法通过不同的接入用户在接收端的检测窗口中的时间延迟不同，综合处理同一用户不同天线的信号，检测出随机接入的用户数目，并估计各自的传输时延。本发明的方法降低了高多普勒环境下的随机接入的误检率和漏检率，对各用户的传输时延有较好的估计。

Description

OFDMA系统随机接入方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种随机接入多用户检测方案。

背景技术

正交频分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Access）是一种基于正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）数字调制技术的多用户接入的形式。第三代合作伙伴计划（3GPP，The 3rd Generation Partnership Project）和美国电气及电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）以及WiMAX论坛制定的移动通信系统标准，使用正交频分多址接入技术，以及MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)的分集天线技术。

LTE/WiMAX系统中，随机接入是很关键的环节。因为在终端设备（UE，User Equipment）与小区基站进行通信之前，小区基站需要通过随机接入过程才能识别不同的UE，并针对不同UE的信道环境配置相应的时频资源，调整各自UE的信号发送时间，从而保证不同用户信号到达基站接收端的正交性。终端用户在小区搜索之后建立通信链路之前，或者在小区之间进行切换都要通过随机接入过程向基站请求相应的时频资源。随机接入过程分为两类：当终端用户已经与系统取得上行同步时称为同步随机接入过程（Synchronized Random Access），否则称为非同步随机接入过程（Non-synchronized Random Access）。二者最大的区别在于，非同步随机接入要估计和调整终端的发送时钟，保证同步误差控制在循环前缀（CP,CyclicPrefix）范围之内。

随机接入过程一般包含两部分，多用户检测和时延估计。传统的随机接入方案过程是：小区基站在全小区广播正交码集，不同的用户在随机接入码集中随机挑选正交码，然后在特定的子载波上传输不同的正交码，基站则在这些指定的子载波上提取信号，将信号与正交码集合中所有的正交码作相关运算，根据相关值区分不同的用户，再根据运算得到的峰值位置估计检测到的不同用户的传输时延。基站通过下行控制信道向检测到的接入用户发送确认信息及调整参数，随机接入过程结束。如果接入用户没有收到基站的确认信息，则调整自己的发送时间和发送功率再次重复发送接入码。

传统的随机接入过程利用相干检测的方法确定随机接入用户的数目，并根据计算得到的峰值位置来确定每个用户的传输时延，因此系统容量由随机接入码集的大小决定。在系统频偏比较小的情况下，这样的相干检测方法高效准确，但当频偏较大尤其是高速移动时，信道环境在多个发送符号之间急剧变化，由于OFDMA系统对频偏天然的敏感性使得频域信号失真严重，这导致信号之间的正交性遭到严重破坏，从而损害了检测性能，时延估计的偏差增大。此外由于基站端对接收信号都要和每一个随机接入码集的码字作相关运算，造成计算的复杂度也比较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有双衰落（多径衰落和快衰落）信道环境下的OFDMA系统中上行随机接入方案存在的上述问题，提出了一种OFMDA系统中随机接入方案，称为抗双衰落随机接入方案；该方案的OFMDA系统的基站有M根天线，接入用户有1根天线。

本发明的具体技术方案为：一种OFDMA系统随机接入方法，包括如下步骤：

S1.基站根据发送信号的符号持续时间以及小区半径确定随机接入相位偏移集；

S2.在步骤S1得到的相位偏移集中，小区内接入用户随机挑选偏移相位，并生成频域信号；

S3.小区内的接入用户发起随机接入过程，在上行链路发送接入信号，基站对信号进行检测，判定是否有用户接入系统。

S4.根据步骤S3的判定确定接入系统的用户序号，并对其传输时延进行估计。

进一步的，步骤S1所述的确定随机接入相位偏移集具体计算过程如下：

P_set={0,L,2L,...,(K-1)L}    式(1)

其中，P_set为随机接入相位偏移集，

为观察窗口长度，

为最大随机接入用户的数目，floor表示向下取整运算，r为小区半径，T_sym为OFDMA符号持续时间，c表示光速，t_c表示多径信道的最大传输时延。

进一步的，步骤S2的具体过程如下：

对于第i个随机接入用户，首先从基站的广播信息中获得的随机接入相位偏移集P_set中挑选一个相位

然后产生第i个用户的频域随机接入信号：

式(2)

其中，A_i表示功率系数，N_s表示系统分配给第i个随机接入用户的随机接入信道的子载波的个数，C(k)表示随机接入码，

表示相位旋转因子，N表示FFT长度。

更进一步的，步骤S3具体过程如下：

假设第i个随机接入用户的传输时延是d_i，并且第i个随机接入用户和第m根天线之间的信道频域响应是H_i,m(k)，那么当所有用户都接入系统时，最后第m根天线上接收到的信号：

$Y_m\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)H_{i,m}\left(k\right)W_N^{d_{i}k}+Z_m\left(k\right)$ 式(3)

其中，Z_m(k)是第m根天线端的高斯白噪声，m=1，…，M；

根据式(3)得到了基站端接收天线接收信号，将式(3)左右两边同时除以C(k)，记为

式(4)

假定C(k)是一个常数或者傅里叶正交基，为一常数，对式(4)做N点IFFT，得到时域上的结果，记为

根据得到的

计算判决参量D_i用于判定第i个用户是否接入系统：

$D_i=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=(i-1)L+1}{\overset{\mathrm{iL}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_m^{\′}\left(n\right)\right|}^2$

估计噪声的方差

${\mathrm{\σ}}_w^2=\frac{1}{\mathrm{ML}}\underset{n=\mathrm{KL}+1}{\overset{(K+1)L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_m^{\′}\left(n\right)\right|}^2;$

假定信道是瑞利多径信道，以固定虚警率的方法推算判决门限η_i满足： $p_f=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{{\mathrm{\η}}_i-\mathrm{\μ}}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}}\right),$ 其中，p_f为固定虚警率， $\mathrm{erfc}\left(x\right)={\∫}_x^{\∞}2/\sqrt{\mathrm{\π}}\·e^{{-u}^2}\mathrm{du},$ $\mathrm{\μ}=L\·A_i^2\·{10}^{-\mathrm{SNR}/10},$ $\mathrm{\σ}=A_i^2\·{10}^{-\mathrm{SNR}/10}\·\sqrt{L/M};$

如果D_i>η_i，则第i个用户接入系统，否则该用户未发起随机接入过程。

本发明的有益效果：本发明的随机接入方法通过不同的接入用户在接收端的检测窗口中的时间延迟不同，综合处理不同天线的信号，检测出随机接入的用户数目，并估计各自的传输时延。本发明的方法降低了高多普勒环境下的随机接入的误检率和漏检率，对各用户的传输时延有较好的估计，并且因为采用非相干能量检测方法使得复杂度大大降低。

附图说明

图1为本发明实施例中OFDMA系统结构示意图。

图2为本发明实施例中OFDMA系统随机接入方法的流程示意图。

图3为本发明公式（5）中

的时域示意图。

图4为本发明实施例中在双衰落环境下的单用户漏检率曲线图。

图5为本发明实施例中在双衰落环境下的单用户虚警率曲线图。

图6为120kmph双衰落环境中的多用户的漏检率曲线。

图7为120kmph双衰落环境中的多用户虚警率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

实施例中OFDMA系统结构示意图如图1所示，图2给出了OFDMA系统随机接入方法的流程示意图，具体包括如下步骤：

S1.基站根据发送信号的符号持续时间以及小区半径确定随机接入相位偏移集；

S2.在步骤S1得到的相位偏移集中，小区内接入用户随机挑选偏移相位，并生成频域信号；

S3.小区内的接入用户发起随机接入过程，在上行链路发送接入信号，基站对信号进行检测，判定是否有用户接入系统。

S4.根据步骤S3的判定确定接入系统的用户序号，并对其传输时延进行估计。

下面通过具体实施例对各步骤进行具体描述。

S1.假设小区半径是r，OFDMA符号持续时间是T_sym，信道多径时延扩展是t_c，则随机接入相位偏移集：

P_set={0,L,2L,...,(K-1)L}    式(1)

其中，

为观察窗口长度，

为最大随机接入用户的数目，floor表示向下取整运算，r为小区半径，T_sym为OFDMA符号持续时间，c表示光速，t_c表示多径信道的最大传输时延，预留一个最后一个长度为L的观察窗口用来估计噪声的方差。

S2.利用步骤S1计算得到的随机接入相位偏移集，可以让不同的随机接入用户选择一个相位偏移，然后在该用户的频域上加载相位偏移，由此产生每个随机接入用户的发送信号。

根据步骤S1产生的P_set可知在同一时刻系统的最大随机接入用户数目为K=|P_set|，其中，绝对值代表的是集合的元素个数。假定每个随机接入用户使用相同的随机接入码C，并且接入码的长度等于系统分配给每个用户的随机接入信道的子载波的个数N_s，所有的随机接入用户都在相同的子载波上发送信号。

对于第i个随机接入用户，首先从基站的广播信息中获得的P_set中挑选一个相位

然后产生第i个用户的频域随机接入信号：

式(2)

其中，A_i是功率系数，C(k)是随机接入码，

是相位旋转因子，N是FFT长度。这里A_i与噪声方差

满足关系式：

S3.基站接收小区接入用户发送的接入信号，对其信号进行检测，判定是否有用户接入系统。

假设第i个随机接入用户的传输时延是d_i，并且第i个随机接入用户和第m根天线之间的信道频域响应是H_i,m(k)，那么当所有用户都接入系统时，最后第m根天线上接收到的信号：

$Y_m\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)H_{i,m}\left(k\right)W_N^{d_{i}k}+Z_m\left(k\right)$ 式(3)

其中，Z_m(k)是天线端的高斯白噪声。

依照式(3)得到了基站端接收天线接收信号，将式(3)左右两边同时除以C(k)，得到下面的结果：

式(4)

假定C(k)是一个常数或者傅里叶正交基，假设其为常数，那么对上面的结果做N点的IFFT，就可以得到时域上的结果：

式(5)

从上面的结果可以看到，因为信号的多径时延扩展与信号传输时延的和小于观察窗口的长度L，所以第i个随机接入用户和第m根天线之间的多径信道时域信号就不会和其他随机接入用户的时域信号相互影响，最后在时域上不同随机接入用户的信号被一个个长度为L的观察窗口自然区分开，如图3所示。

从式（5）可以看出，如果第i个用户接入系统，第i个观察窗口就会有多径信道的时域响应，如果该用户没有接入系统，那第i个观察窗口就只有高斯白噪声，因为信号和高斯白噪声能量之间的差异，就可以依据下面的式（6）判决参量来判定第i个用户是否接入系统：

$D_i=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=(i-1)L+1}{\overset{\mathrm{iL}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_m^{\′}\left(n\right)\right|}^2$ 式(6)

这里，判决参量D_i的计算公式，实际上就是不同天线上的每个搜索窗口中的信号能量的均值。

利用最后一个没有用户接入的窗口数据估计噪声的方差

可以得到

${\mathrm{\σ}}_w^2=\frac{1}{\mathrm{ML}}\underset{n=\mathrm{KL}+1}{\overset{(K+1)L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_m^{\′}\left(n\right)\right|}^2$ 式(7)

假定信道是瑞利多径信道，以固定虚警率的方法推算得知其判决门限η_i满足：

$p_f=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{{\mathrm{\η}}_i-\mathrm{\μ}}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}}\right)$ 式(8)

其中， $\mathrm{erfc}\left(x\right)={\∫}_x^{\∞}2/\sqrt{\mathrm{\π}}\·e^{{-u}^2}\mathrm{du},$ $\mathrm{\μ}=2\·L\·{\mathrm{\σ}}_w^2,$ $\mathrm{\σ}=2{\mathrm{\σ}}_w^2\·\sqrt{L/M},$ 查表就可以求得固定虚警率p_f下的判决门限，而 ${\mathrm{\σ}}_w^2=A_i^2\·{10}^{-\mathrm{SNR}/10}/2,$ 因此 $\mathrm{\μ}=L\·A_i^2\·{10}^{-\mathrm{SNR}/10},$

可见最后的门限值是信噪比SNR和天线数目M和信号窗口长度L的函数。如果D_i>η_i，则第i个用户接入系统，否则该用户未发起随机接入过程。

S4.根据步骤S3的判定确定随机接入用户的序号，估计随机接入用户的传输时延，即对于第i个用户检测多径信道响应的峰值，将响应的峰值去掉相位在时域上引入的时延，就是该用户的传输时延。即：

式(9)

至此，多用户识别检测和时延估计结束。

下面通过具体的仿真来说明本发明方法的有益效果。

仿真结果与LTE中的多用户随机接入方案进行比较，具体的仿真环境如下：二者采用相同的信道带宽1.08MHz，最大多普勒频移777Hz，信道模型为扩展典型城市模型（ETU,Extended Typical Urban），二者均采用839个子载波，FFT长度512，支持小区半径为2km。

图4和图5表示双衰落环境下不同天线不同车速下的单用户检测的虚警率和漏检率曲线，明显可以看出本发明的随机接入方法中基站具有4根天线的漏检率低于LTE的漏检率，20%的漏检率抗双衰落性能具有大约1.5dB的增益，2根天线的漏检率介于LTE的120km/h和350m/h的仿真性能之间，30%的漏检率它比LTE的350km/h具有0.5dB的增益，但是却和120km/h相比具有1dB的损失，1根天线的检测性能最差。此外，还可以看出在双衰落信道中，不同的相对速度下同一天线的新的接入方案的漏检率相差无几，因此新的接入方案对于不同移动速度下的高多普勒环境具有更强的鲁棒性。对于虚警率曲线，首先进行横向比较，天线数目相同移动终端速度相同的新的接入方案下，天线数目越多，虚警率越低。天线数目相同，移动终端速度不同，但是新随机接入方案的虚警率相差不大，几乎维持在同一水平。但是LTE接入方案的虚警率却会因为速度的升高而升高，因此本发明的方法的虚警率对于不同高速移动环境具有更强的鲁棒性。然后是纵向比较，两种方案的优劣显而易见，即便是1根天线的虚警率也远远低于LTE的虚警率，所以整体而言，在双衰落环境中本发明的方法的方案优于LTE的随机接入方案。

图6和图7分别表示多用户接入系统时的检测率曲线，从中明显可以看出抗双衰落随机接入方案（本发明的方法）的漏检率明显优于LTE的随机接入方案的漏检率，虚警率也大大低于LTE的随机接入方案，新随机接入方案的检测优势明显。

本发明的方法并没有利用正交码的相关运算检测随机接入用户数目，因此本发明的技术方案具有较低的运算复杂度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种OFDMA系统随机接入方法，包括如下步骤：

S1.基站根据发送信号的符号持续时间以及小区半径确定随机接入相位偏移集；

S2.在步骤S1得到的相位偏移集中，小区内接入用户随机挑选偏移相位，并生成频域信号；

S3.小区内的接入用户发起随机接入过程，在上行链路发送接入信号，基站对信号进行检测，判定是否有用户接入系统。

S4.根据步骤S3的判定确定接入系统的用户序号，并对其传输时延进行估计。

2.根据权利要求1所述的OFDMA系统随机接入方法，其特征在于，步骤S1所述的确定随机接入相位偏移集具体计算过程如下：

P_set={0,L,2L,...,(K-1)L}    式(1)

其中，P_set为随机接入相位偏移集，

为观察窗口长度，

为最大随机接入用户的数目，floor表示向下取整运算，r为小区半径，T_sym为OFDMA符号持续时间，c表示光速，t_c表示多径信道的最大传输时延。

3.根据权利要求1或2所述的OFDMA系统随机接入方法，其特征在于，步骤S2的具体过程如下：

对于第i个随机接入用户，首先从基站的广播信息中获得的随机接入相位偏移集P_set中挑选一个相位

然后产生第i个用户的频域随机接入信号：

式(2)

其中，A_i表示功率系数，N_s表示系统分配给第i个随机接入用户的随机接入信道的子载波的个数，C(k)表示随机接入码，

表示相位旋转因子，N表示FFT长度。

4.根据权利要求3所述的OFDMA系统随机接入方法，其特征在于，步骤S3具体过程如下：

假设第i个随机接入用户的传输时延是d_i，并且第i个随机接入用户和第m根天线之间的信道频域响应是H_i,m(k)，那么当所有用户都接入系统时，最后第m根天线上接收到的信号：

$Y_m\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\left(k\right)H_{i,m}\left(k\right)W_N^{d_{i}k}+Z_m\left(k\right)$ 式(3)

其中，Z_m(k)是第m根天线端的高斯白噪声，m=1，…，M；

根据式(3)得到了基站端接收天线接收信号，将式(3)左右两边同时除以C(k)，记为

式(4)

假定C(k)是一个常数或者傅里叶正交基，为一常数，对式(4)做N点IFFT，得到时域上的结果，记为

根据得到的

计算判决参量D_i用于判定第i个用户是否接入系统：

$D_i=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=(i-1)L+1}{\overset{\mathrm{iL}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_m^{\′}\left(n\right)\right|}^2$

估计噪声的方差

${\mathrm{\σ}}_w^2=\frac{1}{\mathrm{ML}}\underset{n=\mathrm{KL}+1}{\overset{(K+1)L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_m^{\′}\left(n\right)\right|}^2;$

假定信道是瑞利多径信道，以固定虚警率的方法推算判决门限η_i满足： $p_f=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{{\mathrm{\η}}_i-\mathrm{\μ}}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}}\right),$ 其中，p_f为固定虚警率， $\mathrm{erfc}\left(x\right)={\∫}_x^{\∞}2/\sqrt{\mathrm{\π}}\·e^{{-u}^2}\mathrm{du},$ $\mathrm{\μ}=L\·A_i^2\·{10}^{-\mathrm{SNR}/10},$ $\mathrm{\σ}=A_i^2\·{10}^{-\mathrm{SNR}/10}\·\sqrt{L/M};$

如果D_i>η_i，则第i个用户接入系统，否则该用户未发起随机接入过程。

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