CN107371126A - 基于fdd‑lte网络的随机接入方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于FDD‑LTE网络的随机接入方法。具体步骤包括：1、生成随机数，2、判断随机数是否小于接入等级禁止ACB参数，3、发送随机接入前导码，4、基站下发随机接入响应RAR，5、接收随机接入响应RAR，6、发送调度信息，7、基站下发冲突解决响应，8、随机接入过程结束。本发明利用空闲前导码和碰撞前导码对应的物理上行共享信道PUSCH，使未通过接入等级禁止ACB检测的机器类型通信设备MTCD进行二次随机接入，解决了现有随机接入方法中前导码碰撞概率高，以及不能二次利用的技术问题，从而提高了频分双工长期演进FDD‑LTE网络的资源利用率和吞吐量。

Description

基于FDD-LTE网络的随机接入方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于频分双工长期演进FDD-LTE(Frequency Division Duplexing Long Term Evolution)网络的随机接入方法。本发明可用于将机器类型通信设备MTCD(Machine Type CommunicationDevice)随机接入到频分双工长期演进FDD-LTE基站中，能够有效地解决现有随机接入方法中前导码碰撞概率高，以及不能二次利用的技术问题，从而提高了系统资源利用率和吞吐量。
背景技术
LTE网络最初是针对H2H(Human to Human)通信设计的，不能处理大量突发的接入请求。在M2M(Machine to Machine)通信的应用场景中，MTCD数量持续增多，多个MTCD可能选择同一个前导码序列，从而产生前导码碰撞的情况。目前基于LTE网络的随机接入方法主要有两种：
重庆重邮信科通信技术有限公司在其申请的专利文献“随机接入方法、用户设备、基站及系统”(公开号：CN104754758A，申请号：CN201310737470.1，申请日期：2013年12月27日)中公开了一种划分优先级的随机接入方法。该方法通过随机接入响应消息中的冲突指示域指示出现冲突，结束本次随机接入过程或者判断本次随机接入的优先级，如果优先级高则发送接入消息，否则，结束本次随机接入过程，并重新发送再次随机选择的前导码。该方法存在的不足之处是，在优先级低的情况下，重新选择前导码进行接入，导致资源利用率低。
Zehua Wang等人在其发表的论文“Optimal access class barring forstationary machine type communication devices with timing advanceinformation”(IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.14,no.10,pp.5374-5387,Oct.2015)中提出一种联合接入等级禁止ACB(Access Class Barring)与时间提前量TA(TimingAdvance)的随机接入方法。该方法在MTCD接入基站之前，生成服从[0，1]之间均匀分布的随机数与基站广播的ACB参数对比，从而防止设备过载。再利用基站随机下发的TA索引与MTCD存储的TA索引进行匹配，从而降低前导码碰撞。该方法存在的不足之处是，在进行TA索引匹配时，由于基站采用随机下发TA索引的方法，当有多个存储相同TA索引的MTCD选择相同的前导码时，使得前导码碰撞概率高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于FDD-LTE网络的随机接入方法，以解决现有随机接入方法中存在的请求接入的机器类型通信设备MTCD较多时，前导码碰撞概率高的技术问题。
实现本发明目的的具体步骤如下：
(1)生成随机数：
对基站有接入请求的每个机器类型通信设备MTCD，均生成一个服从[0，1]之间均匀分布的随机数；
(2)机器类型通信设备MTCD，判断生成的随机数是否小于基站广播的接入等级禁止ACB参数b1，0≤b1≤1，若是，将该机器类型通信设备MTCD作为主机器类型通信设备MTCD，执行步骤(3)，否则，将该机器类型通信设备MTCD作为次机器类型通信设备MTCD，等待基站下发随机接入响应RAR后，执行步骤(5)；
(3)发送随机接入前导码：
机器类型通信设备MTCD，从前导码序列集合中随机选取一个前导码，通过系统消息块SIB中指定的物理随机接入信道PRACH，向基站发送接入请求；
(4)基站下发随机接入响应RAR：
(4a)基站利用接收到的前导码，从前导码序列集合中，检测出成功前导码、空闲前导码和碰撞前导码；
(4b)基站针对每个成功前导码，通过下行信道下发随机接入响应RAR；
(4c)基站针对空闲和碰撞前导码，通过下行信道下发r个随机接入响应RAR，r是空闲和碰撞前导码总数，随机接入响应RAR包含相同的前导码索引；
(5)接收随机接入响应RAR：
(5a)机器类型通信设备MTCD，计算随机接入无线网络临时标识RA-RNTI，采用与加扰方法对应的解扰方法，解扰随机接入响应RAR；
(5b)主机器类型通信设备MTCD，利用前导码索引和时间提前量TA，匹配随机接入响应RAR；
(5c)次机器类型通信设备MTCD，接收到r个随机接入响应RAR，计算随机接入概率，进行二次随机接入；
(6)发送调度信息：
机器类型通信设备MTCD，通过随机接入响应RAR指定的物理上行共享信道PUSCH，发送调度信息；
(7)基站下发冲突解决响应：
(7a)基站接收调度信息，生成对应的随机接入冲突已得到解决的响应；
(7b)基站将随机接入冲突已得到解决的消息，通过物理下行控制信道PDCCH，下发给机器类型通信设备MTCD；
(8)随机接入过程结束。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明基站计算前导码自相关函数，依据自相关峰值和时间提前量TA，检测出空闲前导码和碰撞前导码，以供未通过接入等级禁止ACB参数的次机器类型通信设备MTCD，二次接入使用对应的物理上行共享信道PUSCH资源，克服了现有技术在传输调度信息时，才能检测出碰撞的缺点，使得本发明具有资源利用率高的优点。
第二，本发明使用r个随机接入响应RAR包含相同前导码索引，但分配不同的物理上行共享信道PUSCH资源，以供未通过接入等级禁止ACB参数的次机器类型通信设备MTCD二次接入使用，这种随机接入响应RAR格式可与成功前导码的随机接入响应RAR格式有效区分，克服了现有技术必须增加开销才能进行二次接入的缺点，使得本发明具有资源利用率高的优点。
第三，本发明的次机器类型通信设备MTCD，计算包含相同前导码索引的随机接入响应RAR数，确定空闲和碰撞前导码对应的物理上行共享信道PUSCH资源数，计算次机器类型通信设备MTCD二次随机接入概率，降低次机器类型通信设备MTCD二次接入的碰撞概率，克服了现有技术前导码碰撞概率高的缺点，使得本发明可以在不增加开销的情况下，具有前导码碰撞概率低、吞吐量高的优点。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明方法与联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的前导码碰撞概率对比曲线图；
图3是本发明方法与联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的资源利用率对比曲线图；
图4是本发明方法与联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的吞吐量对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1，本发明的具体步骤如下。
步骤1，生成随机数。
对基站有接入请求的每个机器类型通信设备MTCD，均生成一个服从[0，1]之间均匀分布的随机数。
步骤2，机器类型通信设备MTCD，判断生成的随机数是否小于基站广播的接入等级禁止ACB参数b1，0≤b1≤1，若是，将该机器类型通信设备MTCD作为主机器类型通信设备MTCD，执行步骤(3)，否则，将该机器类型通信设备MTCD作为次机器类型通信设备MTCD，等待基站下发随机接入响应RAR后，执行步骤(5)。
步骤3，发送随机接入前导码。
机器类型通信设备MTCD，从前导码序列集合中随机选取一个前导码，通过系统消息块SIB中指定的物理随机接入信道PRACH，向基站发送接入请求。
所述的前导码序列集合是指，由Zadoff-Chu序列循环移位生成的64个相互正交的，长度为839位的序列。
步骤4，基站下发随机接入响应RAR。
基站利用接收到的前导码，从前导码序列集合中，检测出成功前导码、空闲前导码和碰撞前导码。
所述的前导码序列集合是指，由Zadoff-Chu序列循环移位生成的64个相互正交的，长度为839位的序列。
所述的检测成功前导码、空闲前导码和碰撞前导码的步骤如下：
第一步，基站将前导码序列集合中的每个前导码，分别从左滑动到右与接收到的所有前导码计算自相关函数。
第二步，基站从前导码的自相关函数中，随机选择一个自相关峰值，按照下式，计算对应的时间提前量TA，作为基站为对应的前导码指定的时间提前量TA：
其中，A表示时间提前量TA，表示向下取整操作，t表示随机选择的自相关峰值的延迟时间，Ts表示长期演进频分复用LTE-FDD网络中正交频分复用OFDM符号的采样周期，Ts＝3.072×10-7秒。
第三步，基站利用随机选择的自相关峰值的延迟时间，在[t-8Ts,t+8Ts]的时间范围内，检测除所选的自相关峰值以外的其它所有的自相关峰值。
第四步，基站将自相关函数中，没有自相关峰值的前导码作为空闲前导码，将在[t-8Ts,t+8Ts]时间范围内，只有一个幅度为1的自相关峰值的前导码作为成功前导码，将在[t-8Ts,t+8Ts]时间范围内，有多个自相关峰值的前导码作为碰撞前导码。
所述的多个自相关峰值的前导码包含多个自相关峰值叠加在一起的情况，因为频分双工长期演进FDD-LTE网络中正交频分复用OFDM符号的采样周期为Ts，当两个前导码的延迟差小于Ts时，两个前导码的自相关峰值将叠加在一起，这时自相关峰值的幅度大于1。
基站针对每个成功前导码，通过下行信道下发随机接入响应RAR。
所述的随机接入响应RAR中包含对应前导码索引、时间提前量TA索引、物理上行共享信道PUSCH资源、以及小区无线网络临时标识。
基站针对空闲和碰撞前导码，通过下行信道下发r个随机接入响应RAR，r是空闲和碰撞前导码总数，随机接入响应RAR包含相同的前导码索引，目的是与包含成功前导码的随机接入响应RAR区分。
所述的下发r个随机接入响应RAR的步骤如下：
第一步，基站计算出空闲和碰撞前导码总数。
第二步，基站从所有的空闲和碰撞前导码中随机选择一个前导码。
第三步，基站下发r个随机接入响应RAR，将随机选择的前导码作为r个随机接入响应RAR中的前导码索引。
第四步，基站对下发的r个随机接入响应RAR，分配不同的物理上行共享信道PUSCH资源。
步骤5，接收随机接入响应RAR。
机器类型通信设备MTCD，计算随机接入无线网络临时标识RA-RNTI，采用与加扰方法对应的解扰方法，解扰随机接入响应RAR。
主机器类型通信设备MTCD，利用前导码索引和时间提前量TA，匹配随机接入响应RAR。
所述的匹配随机接入响应RAR的步骤如下：
第一步，主机器类型通信设备MTCD，判断随机接入响应RAR包含的前导码与其发送的前导码是否相同，若是，执行第二步，否则，接入失败。
第二步，主机器类型通信设备MTCD，判断随机接入响应RAR包含的时间提前量TA，与其保存的时间提前量TA是否相同，若是，则该主机器类型通信设备MTCD匹配到随机接入响应RAR，否则，接入失败。
次机器类型通信设备MTCD，接收到r个随机接入响应RAR，计算随机接入概率，进行二次随机接入。
所述的计算随机接入概率，进行二次随机接入步骤如下：
第一步，次机器类型通信设备MTCD，统计具有相同前导码索引的随机接入响应RAR数。
第二步，次机器类型通信设备MTCD按照下式，计算随机接入概率：
其中，b2 *表示在不考虑时间提前量TA的前提下，次机器类型通信设备MTCD二次随机接入成功数目最多时对应的接入概率，min(·)表示取最小值操作，r表示空闲和碰撞前导码总数，N表示随机接入机器类型通信设备MTCD总数。
第三步，次机器类型通信设备MTCD，均生成一个服从[0，1]之间均匀分布的随机数。
第四步，次机器类型通信设备MTCD，判断生成的随机数是否小于若是，则从r个随机接入响应RAR中随机选择一个随机接入响应RAR，否则，接入失败。
步骤6，发送调度信息。
机器类型通信设备MTCD，通过随机接入响应RAR指定的物理上行共享信道PUSCH，发送调度信息。
步骤7，基站下发冲突解决响应。
基站接收调度信息，生成对应的随机接入冲突已得到解决的响应。
基站将随机接入冲突已得到解决的消息，通过物理下行控制信道PDCCH，下发给机器类型通信设备MTCD。
步骤8，随机接入过程结束。
下面结合仿真图对本发明做进一步的描述。
1.仿真条件：
本发明仿真实验的运行系统为Intel(R)Core(TM)i5 CPU 650@3.20GHz，64位Windows操作系统，仿真软件采用MATLAB R(2015a)。
本发明的仿真参数设置为：采用的前导码序列集合元素总数m＝64,每个前导码序列的长度为839。
2.仿真内容与结果分析：
为了验证本发明的有效性，采用本发明做了三个仿真实验，分别从前导码碰撞概率、资源利用率和吞吐量角度，与联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法进行性能对比。
仿真实验1：
在机器类型通信设备MTCD数目为0～1500时，分别进行了1000次仿真实验，得到了本发明与现有联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的前导码碰撞概率对比曲线图，如图2所示。
图2为本发明与现有技术的联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的前导码碰撞概率对比曲线图。图2中的横坐标表示对基站有接入请求的机器类型通信设备MTCD数目，纵坐标表示前导码碰撞概率。图2中以圆形标示的实线表示采用本发明的方法，得到的前导码碰撞概率的曲线。以黑点标示的虚线表示采用现有技术的联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法，得到的前导码碰撞概率的曲线。
仿真实验2：
在机器类型通信设备MTCD数目为100～1500时，分别进行了1000次仿真实验，得到了本发明与现有联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的资源利用率对比曲线图，如图3所示。
图3为本发明与现有技术的联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的资源利用率对比曲线图。图3中的横坐标表示对基站有接入请求的机器类型通信设备MTCD数目，纵坐标表示资源利用率。图3中以黑三角形标示的实线表示采用本发明的方法，得到的总资源利用率的曲线。以黑点标示的实线表示采用本发明的方法，得到的物理上行共享信道PUSCH的资源利用率的曲线。以三角形标示的虚线表示采用现有技术的联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法，得到的总资源利用率的曲线。以圆形标示的虚线表示采用现有技术的联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法，得到的物理上行共享信道PUSCH的资源利用率的曲线。
仿真实验3：
在机器类型通信设备MTCD数目为1000时，进行了1000次仿真实验，得到了本发明与现有联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的吞吐量对比曲线图，如图4所示。
图4为本发明与现有技术的联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法的吞吐量对比曲线图。图4中的横坐标表示基站广播的接入等级禁止ACB参数，纵坐标表示吞吐量。图4中以黑点标示的实线表示采用本发明的方法，得到的吞吐量的曲线。以圆形标示的虚线表示采用现有技术的联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法，得到的吞吐量的曲线。
由图2、图3和图4可以看出：本发明相比于联合接入等级禁止ACB与时间提前量TA方法，前导码碰撞概率降低了约50％，资源利用率约提高了约13％，最大吞吐量提高了约15％，表明了本发明可以有效提升随机接入的资源利用率和吞吐量。

Claims (7)

1.一种基于FDD-LTE网络的随机接入方法，包括如下步骤：
(1)生成随机数：
对基站有接入请求的每个机器类型通信设备MTCD，均生成一个服从[0，1]之间均匀分布的随机数；
(2)机器类型通信设备MTCD，判断生成的随机数是否小于基站广播的接入等级禁止ACB参数b1，0≤b1≤1，若是，将该机器类型通信设备MTCD作为主机器类型通信设备MTCD，执行步骤(3)，否则，将该机器类型通信设备MTCD作为次机器类型通信设备MTCD，等待基站下发随机接入响应RAR后，执行步骤(5)；
(3)发送随机接入前导码：
机器类型通信设备MTCD，从前导码序列集合中随机选取一个前导码，通过系统消息块SIB中指定的物理随机接入信道PRACH，向基站发送接入请求；
(4)基站下发随机接入响应RAR：
(4a)基站利用接收到的前导码，从前导码序列集合中，检测出成功前导码、空闲前导码和碰撞前导码；
(4b)基站针对每个成功前导码，通过下行信道下发随机接入响应RAR；
(4c)基站针对空闲和碰撞前导码，通过下行信道下发r个随机接入响应RAR，r是空闲和碰撞前导码总数，随机接入响应RAR包含相同的前导码索引；
(5)接收随机接入响应RAR：
(5a)机器类型通信设备MTCD，计算随机接入无线网络临时标识RA-RNTI，采用与加扰方法对应的解扰方法，解扰随机接入响应RAR；
(5b)主机器类型通信设备MTCD，利用前导码索引和时间提前量TA，匹配随机接入响应RAR；
(5c)次机器类型通信设备MTCD，接收到r个随机接入响应RAR，计算随机接入概率，进行二次随机接入；
(6)发送调度信息：
机器类型通信设备MTCD，通过随机接入响应RAR指定的物理上行共享信道PUSCH，发送调度信息；
(7)基站下发冲突解决响应：
(7a)基站接收调度信息，生成对应的随机接入冲突已得到解决的响应；
(7b)基站将随机接入冲突已得到解决的消息，通过物理下行控制信道PDCCH，下发给机器类型通信设备MTCD；
(8)随机接入过程结束。
2.根据权利要求1所述的基于FDD-LTE网络的随机接入方法，其特征在于，步骤(3)、步骤(4a)中所述的前导码序列集合是指，由Zadoff-Chu序列循环移位生成的64个相互正交的，长度为839位的序列。
3.根据权利要求1所述的基于FDD-LTE网络的随机接入方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的检测成功前导码、空闲前导码和碰撞前导码的步骤如下：
第一步，基站将前导码序列集合中的每个前导码，分别从左滑动到右与接收到的所有前导码计算自相关函数；
第二步，基站从前导码的自相关函数中，随机选择一个自相关峰值，按照下式，计算对应的时间提前量TA，作为基站为对应的前导码指定的时间提前量TA：
其中，A表示时间提前量TA，表示向下取整操作，t表示随机选择的自相关峰值的延迟时间，Ts表示长期演进频分复用LTE-FDD网络中正交频分复用OFDM符号的采样周期，Ts＝3.072×10-7秒；
第三步，基站利用随机选择的自相关峰值的延迟时间，在[t-8Ts,t+8Ts]的时间范围内，检测除所选的自相关峰值以外的其它所有的自相关峰值；
第四步，基站将自相关函数中，没有自相关峰值的前导码作为空闲前导码，将在[t-8Ts,t+8Ts]时间范围内，只有一个幅度为1的自相关峰值的前导码作为成功前导码，将在[t-8Ts,t+8Ts]时间范围内，有多个自相关峰值的前导码作为碰撞前导码。
4.根据权利要求1所述的基于FDD-LTE网络的随机接入方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的随机接入响应RAR中包含对应前导码索引、时间提前量TA索引、物理上行共享信道PUSCH资源、以及小区无线网络临时标识。
5.根据权利要求1所述的基于FDD-LTE网络的随机接入方法，其特征在于，步骤(4c)中所述的下发r个随机接入响应RAR的步骤如下：
第一步，基站计算出空闲和碰撞前导码总数；
第二步，基站从所有的空闲和碰撞前导码中随机选择一个前导码；
第三步，基站下发r个随机接入响应RAR，将随机选择的前导码作为r个随机接入响应RAR中的前导码索引；
第四步，基站对下发的r个随机接入响应RAR，分配不同的物理上行共享信道PUSCH资源。
6.根据权利要求1所述的基于FDD-LTE网络的随机接入方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的匹配随机接入响应RAR的步骤如下：
第一步，主机器类型通信设备MTCD，判断随机接入响应RAR包含的前导码与其发送的前导码是否相同，若是，执行第二步，否则，接入失败；
第二步，主机器类型通信设备MTCD，判断随机接入响应RAR包含的时间提前量TA，与其保存的时间提前量TA是否相同，若是，则该主机器类型通信设备MTCD匹配到随机接入响应RAR，否则，接入失败。
7.根据权利要求1所述的基于FDD-LTE网络的随机接入方法，其特征在于，步骤(5c)中所述的计算随机接入概率，进行二次随机接入步骤如下：
第一步，次机器类型通信设备MTCD，统计具有相同前导码索引的随机接入响应RAR数；
第二步，次机器类型通信设备MTCD按照下式，计算随机接入概率：
<mrow> <msup> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mfrac> <mi>r</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，b2 *表示在不考虑时间提前量TA的前提下，次机器类型通信设备MTCD二次随机接入成功数目最多时对应的接入概率，min(·)表示取最小值操作，r表示空闲和碰撞前导码总数，N表示随机接入机器类型通信设备MTCD总数；
第三步，次机器类型通信设备MTCD，均生成一个服从[0，1]之间均匀分布的随机数；
第四步，次机器类型通信设备MTCD，判断生成的随机数是否小于b2 *，若是，则从r个随机接入响应RAR中随机选择一个随机接入响应RAR，否则，接入失败。
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