CN105554901A - 随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种随机接入方法，包括：对信道的带宽资源进行正交分割，根据基站覆盖范围内所有用户的传输需求得到用于随机接入的基本传输单元，将基本传输单元的信息广播给所有用户；对随机接入查找表进行初始化，将随机接入查找表的信息广播给所有用户；在信道的发送端，活跃用户根据随机接入查找表、基本传输单元的信息、自身的信道状态信息及传输需求得到信道的发送信号；在信道的接收端，基站对得到的基本传输单元的接收信号及基本传输单元对应的导频信号进行检测和解调，以得到活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息。本发明能够使随机接入的基站控制和用户接入简单有效，并且可以充分利用逼近信道容量的多址接入技术。

Description

随机接入方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输的多址接入技术领域，特别涉及一种随机接入方法。

背景技术

在典型的移动通信系统中，基站需要与覆盖范围内的多个用户进行通信。其中，对于上行多址接入信道的随机接入场景，基站的接入控制策略、逼近多用户信道容量域的编码调制方案、以及活跃用户发送信息的编码调制模式选择仍然没有得到很好的解决，特别是面临海量小包突发业务场景对用户负载率和总传输速率的双重需求。

传统的上行多用户随机接入采用竞争信道和数据信道结合模式，通常需要信令支持。每个用户首先根据协议利用竞争信道通过竞争接入方式与基站建立连接，从而获取该用户发送信息所需的数据信道资源(包括信令资源和导频资源)，随后利用相应的数据信道资源传输用户的发送信息。

从网络信息论的角度看，竞争信道的多址接入信道模型属于随机接入(RandomAccess)模型，即在用户发送信息之前，基站并没有在不同用户间调度信道资源，从而不同活跃用户之间可能存在不可控的竞争冲突；而数据信道的多址接入信道模型属于调度接入模型(ScheduledAccess)，即在用户发送信息之前，基站将信道资源在不同用户间进行调度，从而在数据信道中不同用户上行接入所占用的信道资源由基站完全掌控，不存在竞争冲突。需要指出的是：数据信道的调度接入可以采用正交多址接入技术，也可以采用非正交多址接入技术。

传统上行多用户随机接入方法主要存在以下几方面问题：

1.通过竞争信道与基站建立连接的过程几乎不传输用户信息，从而是额外传输开销。对于传统大包大容量数据业务场景，这一额外开销的资源占比通常较小。然而，随着移动通信的发展和用户需求的推动，特别是在海量小包突发数据业务的场景下，该额外传输开销的占比逐渐增加，成为亟待优化的一部分。

2.竞争信道通常采用传统时隙ALOHA协议及其改进。如果多个活跃用户发生竞争碰撞，即多个活跃用户在竞争信道的同一个时隙中发送信号，接收端通常无法解调出其中任何一个用户的信息，从而导致该时隙传输失败。而网络信息论指出，多个活跃用户发生竞争碰撞时，由于基站接收端接收信号功率的增加，多用户接入总传输速率可优于单用户接入传输速率。根据理论计算，在竞争碰撞导致传输失败的情况下，传统时隙ALOHA协议对信道资源利用率(具体为平均用户负载率)不会超过36.8％，且当用户负载率较高时信道资源利用率将进一步降低，从而影响整个系统的性能、可靠性和稳定性；并且，随着信道资源利用率的提高，用户数据发生碰撞后丢包的概率急剧增加，导致大量的用户信息重传需求。

3.用户通过传统时隙ALOHA协议接入竞争信道时，通常不同用户的传输速率相同，并且速率较低，没有考虑到不同用户信道条件的不同。因此，信道条件更好的用户，其传输能力得不到充分利用；信道条件较差的用户，其传输能力不能保证可靠接入信道。

4.一方面，数据信道通常采用正交多址接入技术，将信道带宽资源正交分割后分配给多个用户，从而各用户之间的信号是相互正交的。正交多址接入技术实现简单、灵活，但是，网络信息论指出，采用正交多址接入时，多用户的联合可达速率域上界距离多址接入信道容量域的理论界(简称“理论界”)有较大差距。另一方面，数据信道也可以采用非正交多址接入技术，结合信道的功率资源区分不同用户，从而相同信道带宽资源的不同用户之间的信号是相互重叠的。选择合适的非正交多址接入技术可以使多用户联合可达速率域上界逼近理论界。但是，目前的非正交多址接入技术采用的编码调制方案有待优化，多用户联合可达速率域上界距离理论界仍有一定差距，例如，非正交多址接入采用的信道编码通常与正交多址接入采用的信道编码相同，如LTE和LTE-A的Turbo码，导致性能损失。

为此，有必要采用近几年提出的逼近多址接入信道容量域理论界的非正交多址接入技术。采用非正交多址接入技术，不同用户发送的信号在基站接收端直接叠加；相应地，基站接收端通过串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation，SIC)或同时译码(SimultaneousDecoding，SD)技术依次或同时解调这些叠加的信号。在调度接入下，通过设计逼近容量的编码调制方案，并在用户多址接入时选择合适的编码调制模式，基站接收端可以解调出所有叠加的用户信号。从而，当多用户发生竞争碰撞时，只要碰撞的用户数在一定数量范围内，且他们的编码调制模式选择得当，基站接收端就可以解调出所有碰撞的用户信号，显著降低用户信号碰撞后的丢包概率。另外，相比于多址接入技术，非正交多址接入的多用户联合可达速率域更大，多址接入的系统吞吐率更高。

目前典型的基于叠加编码和SIC/SD技术的非正交多址接入技术有：稀疏扩频序列的多址接入(LowDensitySignature/Spreading-MultipleAccess，LDS-MA)、稀疏码多址接入(SparseCodeMultipleAccess，SCMA)、交织多址接入(InterleaveDivisionMultipleAccess，IDMA)和迭代多用户检测的比特交织编码调制(Multi-UserBit-Interleaved-Coded-ModulationwithIterativeDecoding，MU-BICMID)。

IDMA面向低信噪比和较低速率的应用场景设计。采用IDMA时，不同用户通过不同交织方式进行区分，因此可以同时接入的用户数很多。并且IDMA有逼近多址接入信道容量域的理论界的性能。虽然IDMA可显著地增加系统同时接入的用户数，但是受限于简化的接收机算法仅适用于低信噪比区域，并且每个用户的传输速率受限，每个用户单位信息比特的运算量很大。

采用LDS-MA和SCMA时，不同用户通过采用不同的扩频码本进行区分。两种方法在接收端均采用消息传递算法(MessagePassingAlgorithm，MPA)算法实现近似的最大似然多用户检测。LDS-MA和SCMA均是多址接入信道的联合编码多址接入技术(即基于叠加编码和SD技术的多址接入技术)，但是在已有文献提供的具体方案中，通常每个用户均采用相同的单用户编码调制方案，如采用第三代移动通信合作伙伴计划(3GPP)的长期演进(LTE和LTE-A)标准规范的规则正交幅度调制(QAM)星座映射结合Turbo码的编码调制方案。由于没有面向多址接入信道条件进行联合优化，因此整个方案的性能距离多址接入信道容量域的理论界仍有一定距离。需要指出的是：一些扩频码本对应的稀疏扩频序列之间是相互正交的，因此在低负载时，SCMA和LDS-MA的方案和性能接近正交多址接入。同时，由于扩频的处理，导致每个用户信息比特的运算量急剧增加。

MU-BICMID也是一种多址接入信道的联合编码多址接入技术，同时也给出了多址接入的多用户编码调制方案。采用MU-BICMID时，通过联合优化不同用户的编码调制方案和发送功率使实际传输性能逼近多址接入信道容量域的理论界，并且传输方案适用于多址接入信道下高、中、低频谱效率的各种应用场景。MU-BICMID的基本思想是：通过用户各自的编码调制参数和发送功率区分不同用户。MU-BICMID不需要扩频处理，因此相同用户信号叠加层数下，用户负载率更高。

因此，上述多址接入技术及其编码调制方案适用于调度的数据信道。然而在竞争信道的随机多址接入场景下如何设计基站的接入控制策略、如何设计逼近多址接入信道容量域理论界的编码调制方案、如何选择合适的编码调制模式、如何适应用户负载率和信道状态信息的变化依然是亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种随机接入方法，该方法通过基站广播控制信息，用户根据自身的信道状态信息选择编码调制模式，使得随机接入的基站控制和用户接入简单有效，并且可以充分利用逼近信道容量的多址接入技术。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种随机接入方法，包括以下步骤：S1：基站以基本传输单元为单位对信道的带宽资源进行正交分割，并根据基站覆盖范围内所有用户的传输需求得到用于随机接入的基本传输单元，并将所述用于随机接入的基本传输单元的信息广播给所述所有用户；S2：所述基站构建随机接入查找表，并对所述随机接入查找表进行初始化，并将所述随机接入查找表的信息广播给所述所有用户，以将所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息映射至所述用户的编码调制模式；S3：在所述信道的发送端，活跃用户根据所述随机接入查找表、所述用于随机接入的基本传输单元的信息、自身的信道状态信息及传输需求得到所述信道的发送信号，其中，所述信道的发送信号包含所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号；以及S4：在所述信道的接收端，所述基站接收所述用于随机接入的基本传输单元的接收信号及所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号，并对所述接收信号和所述导频信号进行检测和解调，以得到活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息。

根据本发明实施例的随机接入方法，通过基站广播控制信息，用户根据自身的信道状态信息选择编码调制模式，使得随机接入的基站控制和用户接入简单有效，并且可以充分利用逼近信道容量的多址接入技术。

另外，根据本发明上述实施例的随机接入方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，还包括：S5：所述基站根据所述活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息统计所述用于随机接入的基本传输单元的随机接入参数和指标；S6：所述基站根据所述随机接入参数和指标对所述随机接入查找表及所述用于随机接入的基本传输单元进行调整和更新，并将更新后的随机接入查找表和用于随机接入的基本传输单元的信息广播给所述所有用户；以及S7：在所述信道的发送端，所述活跃用户根据历史发送信息的平均传输速率和平均中断概率对信息发送速率进行调整。

在一些示例中，所述随机接入参数和指标包括平均用户负载、信道状态的概率分布、不同信道状态下的用户平均传输速率和平均中断概率。

在一些示例中，所述基站根据所述随机接入参数和指标对所述随机接入查找表及所述用于随机接入的基本传输单元进行调整和更新，进一步包括：所述基站根据所述用于随机接入的基本传输单元的平均用户负载、信道状态的分布概率、不同信道状态下的用户平均传输速率和平均中断概率，调整所述用于随机接入的基本传输单元在不同信道状态模式下的编码调制模式。

在一些示例中，所述步骤S3进一步包括：S31：所述活跃用户根据自身的信道状态信息得到所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息；S32：所述活跃用户根据所述随机接入查找表和所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息得到所述用于随机接入的基本传输单元的编码调制模式；S33：所述活跃用户根据所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息、自身的传输需求及所述编码调制模式对用户的发送信息进行编码调制，以得到一个或多个用于随机接入的基本传输单元的待发送符号序列；以及S34：对所述待发送符号序列进行相应处理后得到所述用于随机接入的基本传输单元的发送信号，并得到所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号。

在一些示例中，在所述步骤S34中，对所述待发送符号序列进行相应处理，具体包括：对所述待发送符号序列进行正交频分复用调制、组帧、频谱成形和功率调整。

在一些示例中，所述步骤S4进一步包括：S41：基站接收端接收所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号，并根据所述导频信号得到活跃用户的数量和所述活跃用户的信道状态信息；S42：所述基站接收端根据所述活跃用户的信道状态信息和随机接入查找表得到所述活跃用户在基本传输单元上的编码调制模式；以及S43：所述基站接收端根据所述活跃用户的数量、所述活跃用户在基本传输单元上的编码调制模式及所述活跃用户的信道状态信息，对基本传输单元的接收信号进行解调解码，以得到所述活跃用户的发送信息。

在一些示例中，在所述步骤S2中，通过迭代多用户检测的比特交织编码调制技术得到所述用户的编码调制模式，其中，编码调制模式描述的发送端编码调制过程包括以下步骤：A1：每个所述用户根据编码调制的信道编码参数对信息比特进行信道编码，以得到编码比特；A2：每个所述用户根据编码调制的比特交织参数对所述编码比特进行比特交织得到交织比特；A3：每个所述用户根据编码调制的星座映射参数对所述交织比特进行星座映射以产生星座符号序列；以及A4：对所述星座符号序列进行处理，并根据所需发送功率将处理后的星座符号序列发送到多址接入信道。

在一些示例中，所述编码调制模式描述的接收端解调解码的过程包括以下步骤：B1：基站接收端接收编码调制模式和所述用户的信道状态信息；B2：所述基站接收端根据所述用户的星座映射、所述用户的信道状态信息和信道解码反馈的先验信息进行多用户联合检测，得到每个用户交织比特的外信息，其中，所述信道解码反馈的先验信息初始化时为零；B3：对每个用户交织比特的外信息进行比特软信息解交织，以得到每个用户编码比特的先验信息；B4：对每个用户编码比特的先验信息进行软入软出信道解码，以得到每个用户交织比特的先验信息，并将所述每个用户交织比特的先验信息反馈至步骤B2；以及B5：判断信道解码是否成功或者迭代是否达到最大迭代次数，并在信道解码成功或迭代达到最大迭代次数时，判定解调解码结束，并输出用户信息比特的估计值，否则，返回步骤B2继续迭代。

在一些示例中，所述基站构建随机接入查找表，进一步包括：D1：获取平均用户负载率和用户负载的概率分布，并根据所述平均用户负载率和用户负载的概率分布选择编码调制模式的用户数量；D2：根据不同用户的接收信噪比门限选择多种编码调制模式；以及D3：根据不同编码调制模式的用户接收信噪比门限，将信道状态信息划分为对应不同编码模式的区间，以得到随机接入查找表。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的随机接入方法的流程图；

图2是本发明另一个实施例的随机接入方法的流程图；

图3是本发明一个实施例的多址接入用户编码调制的流程图；

图4是根据本发明一个实施例的多址接入信道解调解码的流程图；以及

图5是本发明一个实施例的构建随机接入查找表的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的随机接入方法。

图1是根据本发明一个实施例的基于随机接入方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：基站以基本传输单元为单位对信道的带宽资源进行正交分割，并根据基站覆盖范围内所有用户(随机接入用户)的传输需求得到用于随机接入的基本传输单元，并将用于随机接入的基本传输单元的信息广播给所有用户。其中，基本传输单元是用于上行接入的信道带宽资源的基本单位，是由资源粒子(ResourceElement,RE)组成的资源块(Resourceblock,RB)，可以是时域符号、频域子载波符号、空域符号、码域符号，或时频空码域符号的任意组合。

在本发明的实施例中，上述的基站指随机多址接入信道的控制端和接收端，以及随机接入信道控制信息的发送端。上述的信道指随机多址接入信道，区别于调度的多址接入信道。随机多址接入信道占用的时、频、空、码域的符号资源统称信道带宽资源，随机多址接入信道在基站接收端接收信号的功率统称信道功率资源。如果接收信号是多个用户信号的叠加，则说明信道功率资源被多个用户分享。上述的用户例如指有上行接入需求的随机接入用户，是随机多址接入信道的潜在发送端。

步骤S2：基站构建随机接入查找表，并对随机接入查找表进行初始化，并将随机接入查找表的信息广播给所有用户，以将用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息映射至用户的编码调制模式。其中，基站例如根据协议规范对随机接入查找表进行初始化。其中，信道状态信息例如包括但不限于用户信号在基站接收端的接收信噪比(简称“用户的接收信噪比”)的概率分布。用户的接收信噪比是指基站接收到的用户信号功率与基站端等效噪声功率的比值，由用户的发送功率、用户与基站之间的等效信道增益、和基站接收端的噪声功率共同确定，其中，用户的接收信噪比在用户端可以根据基站下行的控制信号或导频信号在用户接收端测量获得，或者根据用户与基站的历史统计信息预测。其中，基站构建随机接入查找表的步骤将在后续描述中展示。

步骤S3：在随机接入信道的发送端，活跃用户根据随机接入查找表、用于随机接入的基本传输单元的信息、自身的信道状态信息及传输需求得到随机接入信道的发送信号。其中，活跃用户例如指随机多址接入信道的发送端，发送信号占用随机多址接入信道的部分或全部带宽资源和功率资源。随机接入查找表例如将信道带宽资源对应的信道状态信息映射到用户发送端的编码调制模式，活跃用户根据随机接入查找表和自己的信道状态信息得到发送端编码调制模式。

在本发明的一个实施例中，上述步骤S3进一步包括：

步骤S31：活跃用户根据自身的信道状态信息得到用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息。

步骤S32：活跃用户根据随机接入查找表和用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息得到用于随机接入的基本传输单元的编码调制模式。

步骤S33：活跃用户根据用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息、自身的传输需求及编码调制模式对用户的发送信息进行编码调制，以得到一个或多个用于随机接入的基本传输单元的待发送符号序列。其中，上述的用户的发送信息例如为数据信息或者信令信息、或者是数据信息和信令信息的组合。例如，用户有大量数据需要发送时，可以通过随机接入信道发送信令信息，预约非随机的数据信道资源。

步骤S34：对待发送符号序列进行相应处理后得到用于随机接入的基本传输单元的发送信号，并得到用于随机接入基本传输单元对应的导频信号。其中，在一些示例中，对待发送符号序列进行相应处理，具体包括：对待发送符号序列进行正交频分复用调制、组帧、频谱成形和功率调整等。

步骤S4：在随机接入信道的接收端，基站对接收到的用于随机接入的基本传输单元的接收信号和用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号进行检测和解调，以得到活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息。

在本发明的一个实施例中，上述步骤S4进一步包括：

步骤S41：基站接收端接收用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号，并根据该导频信号得到活跃用户的数量和活跃用户的信道状态信息。

步骤S42：基站接收端根据活跃用户的信道状态信息和随机接入查找表得到活跃用户在基本传输单元上的编码调制模式。

步骤S43：基站接收端根据活跃用户的数量、活跃用户在基本传输单元上的编码调制模式及活跃用户的信道状态信息，对基本传输单元的接收信号进行解调解码，以得到活跃用户的发送信息。其中，如果基本传输单元的活跃用户个数为1，则基站接收端直接解调解码活跃用户的信号；如果基本传输单元的活跃用户个数大于1，则基站接收端采用串行干扰消除、同时解码技术、或者串行干扰消除和同时解码技术的组合来解调解码多个活跃用户的信号。

进一步地，如图2所示，本发明实施例的随机接入方法例如还包括以下步骤：

步骤S5：基站根据活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息统计用于随机接入的基本传输单元的随机接入参数和指标。其中，随机接入参数和指标例如包括但不限于平均用户负载、信道状态的概率分布、不同信道状态下的用户平均传输速率和平均中断概率。

步骤S6：基站根据随机接入参数和指标对随机接入查找表及用于随机接入的基本传输单元进行调整和更新，并将更新后的随机接入查找表和用于随机接入的基本传输单元信息广播给所有用户，并返回执行步骤S3。例如，当随机接入负载率较高时，可以增加用于随机接入的基本传输单元，以降低用户的平均中断概率。

步骤S7：在随机接入信道的发送端，活跃用户根据历史发送信息的平均传输速率和平均中断概率对信息发送速率进行调整。例如，历史发送信息的平均中断概率高于某个门限时，降低平均发送速率，反之，平均中断概率高于某个门限时，保持或提高平均发送速率。

在本发明的一个实施例中，步骤S6中的基站根据随机接入参数和指标对随机接入查找表及用于随机接入的基本传输单元进行调整和更新，进一步包括：基站根据用于随机接入的基本传输单元的平均用户负载、信道状态的分布概率、不同信道状态下的用户平均传输速率和平均中断概率，调整用于随机接入的基本传输单元在不同信道状态模式下的编码调制模式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，编码调制模式包括对星座映射、比特交织、信道编码和扩频图案(或扩频码本)的规范。一种星座映射、比特交织、信道编码和扩频图案组成一种编码调制模式，其中星座映射的阶数M和信道编码的码率rate决定编码调制方案的传输速率R，R＝rate*log2(M)比特每符号。

其中，扩频是指每个用户将星座映射输出的每个符号，按照该用户的扩频码或扩频图案，产生一个N符号长的符号序列，N为该用户扩频码的长度，N为正整数，扩频码本进一步将符号在扩频图案上进行变换。例如，LDSMA和SCMA多址接入技术的多址接入用户的编码调制包括稀疏扩频的操作。显然，由于稀疏扩频，每个扩频码本只占用基本传输单元的一部分。

对多天线的发送端，编码调制模式包括对多个发射天线的星座映射、比特交织、信道编码和扩频图案的规范。

考虑到多址接入用户信道状态信息(特别是接收信噪比)的不同和基本传输单元叠加用户数(即用户负载)的不同，编码调制模式面向不同的传输和接收条件提供不同传输速率的多组编码调制模式。编码调制模式的选择与具体的多址接入实现技术有关，具体方案和参数由随机接入协议规范。

在一些示例中，设计编码调制模式可采用的多址接入实现技术例如包括但不限于稀疏扩频序列的多址接入(LowDensitySignature/Spreading-MultipleAccess，LDS-MA)、稀疏码多址接入(SparseCodeMultipleAccess，SCMA)、交织多址接入(InterleaveDivisionMultipleAccess，IDMA)、和迭代多用户检测的比特交织编码调制(MU-BICMID)等。

由于编码调制方案的一种模式通常只能面向一种传输和接收条件(包括叠加用户数、信道状态信息和解调解码算法)优化，而随机接入的基站接收端存在传输和接收条件的不确定性，因此随机接入的发送端在选择编码调制模式时必然存在折中。而兼顾传输和接收条件的不确定性，如何设计和选择编码调制模式不属于本发明考虑的范畴。

在本发明的一个实施例中，在上述步骤S2中，例如通过迭代多用户检测的比特交织编码调制(MU-BICMID)技术得到所述用户的编码调制模式。具体地说，MU-BICMID技术通过联合优化不同用户的编码调制方案，使多用户接入的实际性能逼近多址接入信道容量域的理论界。MU-BICMID技术与多层编码调制技术结合，得到多层MU-BICMID方案。

如图3所示，当单层或多层MU-BICMID系统的接入用户进行编码调制时，编码调制模式描述的发送端编码调制过程例如包括以下步骤：

步骤A1：每个用户(即随机接入用户)根据编码调制的信道编码参数对信息比特进行信道编码，以得到编码比特，其中信道编码例如采用Turbo码、串行级联卷积码、或LDPC码。

步骤A2：每个用户根据编码调制的比特交织参数对编码比特进行比特交织得到交织比特。

步骤A3：每个用户根据编码调制的星座映射参数对交织比特进行星座映射以产生星座符号序列。

步骤A4：对星座符号序列进行处理，并根据所需发送功率将处理后的星座符号序列发送到多址接入信道。

进一步地，结合图4所示，当单层MU-BICMID系统进行解调解码时，编码调制模式描述的接收端解调解码的过程例如包括以下步骤：

B1：基站接收端接收编码调制模式和用户的信道状态信息。

B2：基站接收端根据用户的星座映射、用户的信道状态信息和信道解码反馈的先验信息进行多用户联合检测，得到每个用户交织比特的外信息，其中，信道解码反馈的先验信息初始化时为零。

B3：对每个用户交织比特的外信息进行比特软信息解交织，以得到每个用户编码比特的先验信息。

B4：对每个用户编码比特的先验信息进行软入软出信道解码，以得到每个用户交织比特的先验信息，并将每个用户交织比特的先验信息反馈至步骤B2。

B5：判断信道解码是否成功或者迭代是否达到最大迭代次数，并在信道解码成功或迭代达到最大迭代次数时，判定解调解码结束，并输出用户信息比特的估计值，否则，返回步骤B2继续迭代。

类似地，两层MU-BICMID系统、三层及以上MU-BICMID系统的解调解码过程可依此类推。以下对两层MU-BICMID系统进行解调解码的具体步骤进行描述，具体包括以下步骤：

步骤C1：基站接收端首先得到两层接入信号的编码调制模式、总接收信号、和接入用户的信道状态信息。

步骤C2：假定两层信号的第一层优先级高，基站接收端将第二层所有接入用户信号视为干扰，按照前述步骤B2-B5对第一层接入用户进行解调解码，得到第一层所有接入用户信息比特的估计值。

步骤C3：基站接收端根据编码调制模式，恢复第一层所有接入用户的接收信号，并将恢复的接收信号从总接收信号中减去，得到叠加噪声和干扰的第二层所有接入用户的接收信号之和，按照前述步骤B2-B5对第二层接入用户进行解调解码，得到第二层所有接入用户信息比特的估计值。

为了便于理解，以下以MU-BICMID技术为例，结合具体地实施例说明本发明的随机多址接入的编码调制模式的具体实施方式。

MU-BICMID技术的编码调制模式与基本传输单元的用户负载和每个用户的信道状态信息密切相关。首先描述单层(即1层)MU-BICMID的编码调制模式设计。

如果基本传输单元只有一个用户，即用户负载率为1，则多用户接入蜕化为单用户接入，根据信道状态信息选择单用户编码调制模式即可。例如，假定接入信道为AWGN信道，则信道状态信息可简化为用户的接收信噪比。基站根据综合考虑选择N1种编码调制模式，第1至第N1种编码调制模式的传输速率依次递增，相应地用户接收信噪比门限SNR_{1_1}至SNR_{1_N1}也依次递增。

如果基本传输单元有两个用户，即用户负载率为2，则需要根据两个用户的信道状态信息选择每个用户的编码调制模式，编码调制模式的设计和优化比较复杂。假设接入信道为AWGN的多址接入信道，考虑到两用户在接收信噪比相同的时候，两用户之间的干扰最严重，对MU-BICMID接收端解码要求最高，同时对采用串行干扰消除的接收算法最不利，因此，如果按照两用户接收信噪比相同的条件设计编码调制方案的模式，则可以很好地工作在两用户接收信噪比不同的条件下。例如，用户1和用户2的接收信噪比分别为SNR₁和SNR₂，则用户1选择面向两用户信噪比为(SNR₁，SNR₁)的两用户接入编码调制模式，用户2选择面向两用户信噪比为(SNR₂，SNR₂)的两用户接入编码调制模式，基站接收端在两用户信噪比为(SNR₁，SNR₂)的信道条件下对两用户进行解调解码。对两用户多址接入，基站根据综合考虑选择N2种编码调制模式，第1种至第N2种编码调制模式的总传输速率依次递增，相应地，模式对应的两用户接收信噪比门限相同，依次递增的接收信噪比门限为SNR_{2_1}至SNR_{2_N2}。

以此类推，对于基本传输单元有i个用户的多址接入，基站根据综合考虑选择Ni种编码调制模式，第1种至第Ni种编码调制模式的总传输速率依次递增，相应地，模式对应的i个用户接收信噪比门限相同，依次递增的接收信噪比门限为SNR_{i_1}至SNR_{i_Ni}。

其次，描述L层MU-BICMID的编码调制模式设计，L>1。对L层MU-BICMID系统，优先级从第1层至第L层依次降低，基站接收端按照优先级由高到低依次解调解码第1至第L层。

在解调解码第i(i＝1,2,…,L-1)层信号时，基站接收端将第i+1层至第L层所有接入用户信号视为干扰；解调解码结束后，恢复第i层所有用户的接收信号，并将恢复的信号从基站接收端的总接收信号中减去(第i层用户的干扰消除)；再对第i+1层至第L层信号依次进行解调解码。

最后对第L层信号进行解调解码，无需再进行干扰消除。

因此，L层MU-BICMID的第L层编码调制模式与单层MU-BICMID的编码调制模式相同，L层MU-BICMID的第i(i＝1,2,…,L-1)层编码调制模式设计步骤如下：

将第i+1层至第L层所有接入用户信号视为干扰，得到第i层用户的等效信噪比；然后以第i层用户的等效信噪比对应的单层MU-BICMID的编码调制模式作为L层MU-BICMID第i层用户的编码调制模式。

因此，多层MU-BICMID系统和单层MU-BICMID系统的编码调制模式相同，但不同层用户的信道状态信息(如接收信噪比)需要根据低优先级用户带来的干扰进行修正。

多层MU-BICMID系统适用于两种或多种不同信道条件的用户，例如，一种用户为基站覆盖小区的中心用户，接收信噪比高，另一种用户为基站覆盖小区的边缘用户，接收信噪比低。

进一步地，作为具体的实施例，以下以单层和多层MU-BICMID编码调制方案的多种模式为例，说明本发明随机接入查找表的具体实施方式。

具体地，随机接入查找表用于将信道带宽资源对应的信道状态信息映射到用户发送端的编码调制模式，因此需要设计面向不同用户负载率的随机查找表。例如，对用户负载恒定为1的基本传输单元，不同信道状态映射到1层1用户的不同编码调制模式(即传统的用于正交多址接入的编码调制模式)；对用户负载恒定为2的基本传输单元，不同信道状态映射到1层2用户的不同编码调制模式，或者映射到2层2用户(其中第1层和第2层用户数分别为1)的不同编码调制模式；对用户负载恒定为3的基本传输单元，不同信道状态映射到1层3用户的不同编码调制模式，或者映射到2层3用户(其中第1层和第2层用户数分别为{1,2}或{2,1})的不同编码调制模式。

以此类推，对用户负载恒定为K的基本传输单元，不同信道状态可映射到L(L＝1,2,…,K)层K用户的不同编码调制模式，其中第i层用户数为K_i(i＝1,2,…,L)，并且K₁+K₂+…+K_L＝K。

实际系统中，由于用户接入的随机特性，平均用户负载率给定的条件下，每次传输中基本传输单元的用户负载是随机变量。如果实际负载高于编码调制模式的传输能力，则用户传输失败，即“中断”；如果实际负载低于编码调制模式的传输能力，则传输效率下降。因此，随机接入查找表的设计和选择需要在中断概率和传输效率之间进行折中。

结合图5所示，假定采用单层和多层MU-BICMID编码调制方案，则在步骤S2中，基站构造随机接入查找表的具体步骤如下：

步骤D1：获取平均用户负载率和用户负载的概率分布，并根据平均用户负载率和用户负载的概率分布选择编码调制模式的用户数量。

例如，选择MU-BICMID编码调制的层数和每层的用户数。

例如，平均用户负载率为1.8时，选择1层2用户的MU-BICMID方案；平均用户负载率为3.6时，选择2层4用户MU-BICMID方案，第1层和第2层各两个用户。

步骤D2：根据不同用户接收信噪比门限的不同(即频谱效率的不同)选择多种编码调制模式。

步骤D3：根据不同编码调制模式的用户接收信噪比门限，将信道状态信息划分为对应不同编码调制模式的区间，从而得到随机接入查找表。

具体地，步骤D3的一种具体实施方式如下：

假设随机多址接入信道为AWGN的多址接入信道，则信道状态信息可简化为用户接收信噪比，随机接入查找表根据平均用户负载率的不同将用户接收信噪比区间映射成不同编码调制模式。平均用户负载率为lamda时，选择Ni种1层i>lamda用户的编码调制模式，第1至第Ni种编码调制模式的传输速率依次递增，相应地用户接收信噪比门限为SNR_{i_1}至SNR_{i_Ni}，其中，用户接收信噪比门限可根据系统对余量的要求进行调整。则用户接收信噪比SNR区域分割成Ni+1个信道状态区域，每个区域对应一种编码调整模式，具体如下：

区域0：SNR<SNRi_1，选择编码调制模式0(即不发送信号)。

区域j：SNRi_j<SNR≤SNRi_j+1，选择编码调制模式j(j＝1,2,…,Ni-1)。

区域Ni：SNR>SNRi_Ni，选择编码调制模式Ni。

或者，平均用户负载率为lamda时，选择2层接入的编码调制模式，其中第一层i1个用户，第二层i2个用户，i1+i2>lamda。其中，第2层按照单层i2用户的编码调制方案设置随机接入查找表；第1层按照单层i1用户的编码调制方案设置随机接入查找表，但是第1层用户的接收信噪比需要参照第2层所有用户的平均信噪比进行修正。

需要说明的是，在本发明的实施例中，如果随机多址接入信道为频域衰落的多址接入信道，则信道状态信息由用户接收信噪比的概率分布描述，对赖斯衰落模型，用户接收信噪比的概率分布由用户平均接收信噪比和赖斯衰落参数决定。在编码调制模式不变的情况下，需要修改随机接入查找表，具体来说：将编码调制模式对应的AWNG信道下的接收信噪比门限转换为频域衰落信道下给定衰落参数的平均接收信噪比门限。活跃用户根据平均接收信噪比，结合修改的随机接入查找表，得到对应基本传输单元的编码调制模式。

由于随机接入信道实际传输条件和接收条件与信道状态模型存在差别，因此基站需要自适应调整随机接入查找表，活跃用户也需要自适应调整平均发送速率，使用户的编码调制模式与随机接入信道的信道状态和接收条件匹配。

综上，通过本发明实施例的随机接入方法：1.每个用户只需基站广播的用于随机接入的基本传输单元的信息、随机接入查找表和自己的信道状态信息，即可选择一种协议规范的编码调制模式，无需知道其他用户的当前信道状态信息；2.基站只需知道随机接入的统计信息，即可对随机接入进行控制和调整，无需预测每个用户的信道状态信息；3.基站可以根据随机接入的统计参数和性能指标，对控制信息进行调整，或者对竞争信道和数据信道资源进行调整，从而优化用户传输速率和中断概率指标，或者在二者之间取得折中，用户也可以根据发送信息的统计参数(如中断概率)，对平均发送速率进行调整。

根据本发明实施例的随机接入方法，通过基站广播控制信息，用户根据自身的信道状态信息选择编码调制模式，使得随机接入的基站控制和用户接入简单有效，并且可以充分利用逼近信道容量的多址接入技术。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基站以基本传输单元为单位对信道的带宽资源进行正交分割，并根据基站覆盖范围内所有用户的传输需求得到用于随机接入的基本传输单元，并将所述用于随机接入的基本传输单元的信息广播给所述所有用户；

S2：所述基站构建随机接入查找表，并对所述随机接入查找表进行初始化，并将所述随机接入查找表的信息广播给所述所有用户，以将所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息映射至所述用户的编码调制模式；

S3：在所述信道的发送端，活跃用户根据所述随机接入查找表、所述用于随机接入的基本传输单元的信息、自身的信道状态信息及传输需求得到所述信道的发送信号，其中，所述信道的发送信号包含所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号；以及

S4：在所述信道的接收端，所述基站接收所述用于随机接入的基本传输单元的接收信号及所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号，并对所述接收信号和所述导频信号进行检测和解调，以得到活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息。

2.根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于，还包括：

S5：所述基站根据所述活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息统计所述用于随机接入的基本传输单元的随机接入参数和指标；

S6：所述基站根据所述随机接入参数和指标对所述随机接入查找表及所述用于随机接入的基本传输单元进行调整和更新，并将更新后的随机接入查找表和用于随机接入的基本传输单元的信息广播给所述所有用户；以及

S7：在所述信道的发送端，所述活跃用户根据历史发送信息的平均传输速率和平均中断概率对信息发送速率进行调整。

3.根据权利要求2所述的随机接入方法，其特征在于，所述随机接入参数和指标包括平均用户负载、信道状态的概率分布、不同信道状态下的用户平均传输速率和平均中断概率。

4.根据权利要求3所述的随机接入方法，其特征在于，所述基站根据所述随机接入参数和指标对所述随机接入查找表及所述用于随机接入的基本传输单元进行调整和更新，进一步包括：

所述基站根据所述用于随机接入的基本传输单元的平均用户负载、信道状态的分布概率、不同信道状态下的用户平均传输速率和平均中断概率，调整所述用于随机接入的基本传输单元在不同信道状态模式下的编码调制模式。

5.根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31：所述活跃用户根据自身的信道状态信息得到所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息；

S32：所述活跃用户根据所述随机接入查找表和所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息得到所述用于随机接入的基本传输单元的编码调制模式；

S33：所述活跃用户根据所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息、自身的传输需求及所述编码调制模式对用户的发送信息进行编码调制，以得到一个或多个用于随机接入的基本传输单元的待发送符号序列；以及

S34：对所述待发送符号序列进行相应处理后得到所述用于随机接入的基本传输单元的发送信号，并得到所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号。

6.根据权利要求5所述的随机接入方法，其特征在于，在所述步骤S34中，对所述待发送符号序列进行相应处理，具体包括：

对所述待发送符号序列进行正交频分复用调制、组帧、频谱成形和功率调整。

7.根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S41：基站接收端接收所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号，并根据所述导频信号得到活跃用户的数量和所述活跃用户的信道状态信息；

S42：所述基站接收端根据所述活跃用户的信道状态信息和随机接入查找表得到所述活跃用户在基本传输单元上的编码调制模式；以及

S43：所述基站接收端根据所述活跃用户的数量、所述活跃用户在基本传输单元上的编码调制模式及所述活跃用户的信道状态信息，对基本传输单元的接收信号进行解调解码，以得到所述活跃用户的发送信息。

8.根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过迭代多用户检测的比特交织编码调制技术得到所述用户的编码调制模式，其中，编码调制模式描述的发送端编码调制过程包括以下步骤：

A1：每个所述用户根据编码调制的信道编码参数对信息比特进行信道编码，以得到编码比特；

A2：每个所述用户根据编码调制的比特交织参数对所述编码比特进行比特交织得到交织比特；

A3：每个所述用户根据编码调制的星座映射参数对所述交织比特进行星座映射以产生星座符号序列；以及

A4：对所述星座符号序列进行处理，并根据所需发送功率将处理后的星座符号序列发送到多址接入信道。

9.根据权利要求8所述的随机接入方法，其特征在于，所述编码调制模式描述的接收端解调解码的过程包括以下步骤：

B1：基站接收端接收编码调制模式和所述用户的信道状态信息；

B2：所述基站接收端根据所述用户的星座映射、所述用户的信道状态信息和信道解码反馈的先验信息进行多用户联合检测，得到每个用户交织比特的外信息，其中，所述信道解码反馈的先验信息初始化时为零；

B3：对每个用户交织比特的外信息进行比特软信息解交织，以得到每个用户编码比特的先验信息；

B4：对每个用户编码比特的先验信息进行软入软出信道解码，以得到每个用户交织比特的先验信息，并将所述每个用户交织比特的先验信息反馈至步骤B2；以及

B5：判断信道解码是否成功或者迭代是否达到最大迭代次数，并在信道解码成功或迭代达到最大迭代次数时，判定解调解码结束，并输出用户信息比特的估计值，否则，返回步骤B2继续迭代。

10.根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于，所述基站构建随机接入查找表，进一步包括：

D1：获取平均用户负载率和用户负载的概率分布，并根据所述平均用户负载率和用户负载的概率分布选择编码调制模式的用户数量；

D2：根据不同用户的接收信噪比门限选择多种编码调制模式；以及

D3：根据不同编码调制模式的用户接收信噪比门限，将信道状态信息划分为对应不同编码模式的区间，以得到随机接入查找表。