CN108260108A

CN108260108A - 一种基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法

Info

Publication number: CN108260108A
Application number: CN201810040986.3A
Authority: CN
Inventors: 李小文; 屈元远; 王丹; 陈发堂; 王华华; 刘宇; 杨艳娟; 牟泓彦; 陈其荣
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2038-01-16
Also published as: CN108260108B

Abstract

本发明请求保护一种基于非正交技术的窄带物联网NB‑IoT随机接入方法，本发明应用窄带物联网随机接入过程，用于解决随机接入成功率低的问题，有如下步骤：1‑3发送Msg1；4基站基于地理分布检测冲突的多前导并发送含多个用户的RAR(也即是Msg2)；5终端检测RAR；6用户用NPRS信号估计TA；7用户获取RAR信息，搜索RAR中与当前用户TA最接近的TA值，并获取对应的Temp C‑RNTI和Power BO；8传输Msg3，并打开竞争解决定时器CR；9基于SIC技术用户分离；10‑11发送Msg4，进行冲突解决；本发明利用用户的空间分布特性实现多前导的检测与RAR接收，并利用非正交技术传输Msg3，在基站侧进行用户分离，有效减少了前导码重传的概率，提升系统容量，以解决NB‑IoT系统大规模连接导致的网络拥塞问题。

Description

一种基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到基于非正交技术的窄带物联网(NB-IoT)随机接入机制。用于缓解NB-IoT网络中因用户数量过大导致的网络拥塞问题。

背景技术

NOMA是典型的仅有功率域应用的非正交多址接入技术，也是所有非正交多址接入技术中最简单的一种。由于NOMA采用的是多个用户信号功率域的简单线性叠加，故其对现有其他成熟的多址技术和移动通信标准的影响不大。在NOMA技术中，虽然时域频域资源单元对应的时域和频域可能同样采取正交方案，但因每个资源单元承载着非正交的多个用户信号，要区别同一资源单元中的不同用户，只能采用其他技术。

串行干扰消除技术SIC，SIC技术是非正交多址接入方式接收端必备的技术，是一种针对多用户接收机的低复杂度算法，该技术可以顺次地从多用户接收信号中恢复出用户数据。在常规匹配滤波器(MF，Matched Filter)中，每一级都提供一个用于再生接收到的来自用户信号的用户源估计，适当地选择延迟、幅度和相位，并使用相应的扩频序列对检测到的数据比特进行重新调制，从原始接收信号中减去重新调制的信号(即干扰消除)，将得到的差值作为下一级输入，在这种多级结构中，这一过程重复进行，直到将所有用户全部解调出来，SIC接收机利用串联方法可以方便地消除同频同时用户间的干扰。

功率复用技术，SIC在接收端消除多址干扰(MAI)，需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。

本发明将NOMA技术引入当NB-IoT随机接入过程中，成为NORA技术。通过对当前小区的用户使用相同时频资源的用户进行功率域复用，在基站侧使用SIC技术进行用户分离，从而使得用户接入成功率提升，系统吞吐量加大，平均接入延迟变短。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种缓解系统拥塞，同时增加系统资源利用率，有效提高系统负载较大时的成功接入用户数的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法。本发明的技术方案如下：

一种基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其包括以下步骤：

步骤1：每个用户接收物理广播信道NPBCH上广播的系统消息，获取随机接入RA的配置消息；

步骤2：用户选择导频，用户根据前导配置的时频域资源，在一个子带配置的子载波集合中随机选中一个用于前导码发送的子载波，并利用跳频规则A生成前导码；

步骤3：用户发送加循环前缀CP后的前导序列，也即是发送Msg1(消息一随机接入前导码)，所有用户在选择的导频序列上分组加CP头，并将添加CP头的前导码通过天线端口发送出去；

步骤4：基站基于不同终端的地理位置，对具有相同时频资源的多前导进行检测，获取不同终端的TA值并据此发送随机接入响应(Random access response，RAR)，该响应消息包含了被成功分离的多前导的定时提前量(TimingAdvance，TA)值、临时小区无线网络临时标识Temp C-RNTI、功率回退PowerBO的消息以及上行链路授权消息；

步骤5：用户检测基站发送的RAR；

步骤6：用户根据当前窄带定位参考信号(Narrowband Positioning ReferenceSignal，NPRS)来估计下行TA的近似值；

步骤7：根据步骤6计算的当前用户的TA近似值，用户搜索非正交随机接入(Non-orthogonal RandomAccess，NORA)RAR中消息中最接近的TA值，并获取相应的临时小区无线网络临时标识Temp C-RNTI和功率回退Power BO指示以及上行链路授权消息，用于指示当前用户的Msg3(初始层三消息也即是消息三)发送；

步骤8：用户将具有功率域复用的Msg3通过信道传输给基站：

步骤9：基站采用串行干扰消除技术进行用户分离，其中NORA组中用户的解码顺序与功率回退顺序一致，功率强的用户先被解码，基站识别Temp C-RNTI并接收Msg3，若成功分离多用户则执行步骤10，若未成功分离，执行步骤11；

步骤10：基站发送冲突解决信息，即是竞争解决过程，该竞争解决过程基于响应一个竞争解决标志消息CRI；

步骤11：若前导未到达前导重传最大次数，则退回到前导码传输步骤2，若当前前导重传次数到达最大次数，则随机接入过程结束。

进一步的，所述步骤1)随机接入RA的配置消息包括三套不同的随机接入参数，分别对应于不同的三个覆盖等级，用户根据当前所处覆盖等级选择对应等级的配置参数，主要包括NPRACH配置时域起始位置、NPRACH频率偏移、前导重复次数、当前覆盖登记下前导重传次数、RA响应窗口长度、功率回退偏移量及MAC定时器。

进一步的，所述步骤4)基站对具有相同时频资源的多前导进行检测并发送RAR，步骤如下：

4a)基站对基于到达时间检测具有相同时频资源的多前导，基站通过时域采样和频域提取得到相关的NPRACH信号，采用周期性相关计算前导码的功率延迟分布PDP，对小区内任意两个采用相同时频资源的用户能够被成功区分开的概率设为P；

4b)基站将检测到具有冲突的但能成功分离出的多个用户组装为一个NORA组RAR来响应多个采用相同资源的用户。

进一步的，所述步骤5)用户检测基站发送的RAR，具体实现步骤如下：

5a)在发送前导码以后，用户用RA-RNTI解扰NPDCCH响应窗口，若成功解码窄带物理下行控制信道(Narrowband Physical Downlink Control Channel，NPDCCH)则包含了下行链路资源块，并将用户引导到窄带物理下行共享信道(Narrowband Physical DownlinkShared Channel，NPDSCH)内相关的RAR，执行步骤5b)，如果用户没有找到相应的RA-RNTI加扰的NPDCCH则执行步骤11；

5b)用户解析NPDSCH上对应的上行链路授权消息。

进一步的，所述步骤8用户将具有功率域复用的初始层三消息通过信道传输给基站，具体包括：

8a)用户根据RAR消息中的PowerBO进行功率回退，NORA组当中的第i个用户的发射功率为P_U,i；

8b)传输功率域复用的初始层三消息，功率回退和与基站定时对准后，NORA组中的用户将在NPUSCH的相同资源块上发送各自的层三消息，消息当中包含了用户的Temp C-RNTI信息，启动竞争解决定时器。

进一步的，所述NORA组当中的第i个用户的发射功率为P_U,i：

P_U,i＝min{P_Umax,P_{O_U}-(i-1)δ+10log₁₀(M_U,i)+αPL_i}

式中，P_Umax是用户所支持的最大发送功率取值23dBM，P_{O_U}表示当假设0dB路径损耗时每个RB的接受功率，M_U,i表示上行链路授权中可用资源块的数量，PL_i表示下行链路损耗，α表示发射功率增加的减小率，δ是在NPBCH上广播的功率补偿偏移量，取值3dB，具有较大的TA值的用户将被分配较大的i，对应的发送功率较小。

进一步的，所述步骤2用户根据前导配置的时频域资源，在一个子带配置的子载波集合中随机选中一个用于前导码发送的开始子载波，并利用跳频规则A生成前导码，具体包括：

除了第一个子载波索引由用户在可用的子载波集合中随机选择，其余的N-1个4符号组按照规则A跳频，即是第一个符号组的子载波索引在第一个4符号组的第一个子载波索引基础上增加一个随机跳变量；具体的i^th符号组对应的子载波索引如下所示：

其中：

f(-1)＝0

其中n_start是发起随机接入开始子载波的索引；是基站配置的NPRACH资源的起始子载波索引；n_init是MAC层从中选中的子载波；c(n)为伪随机序列，用对伪随机序列生成器进行初始化；由规则A可知，当获知第一个符号组的位置，便可获得其它几个符号组的子载波索引。

进一步的，所述步骤4a)小区内任意两个采用相同时频资源的用户能够被成功区分开的概率为P值计算如下，假设用户在小区内均匀分布时，考虑任意两个用户到达时间间隔如下：

式中c为光速，d_i,d_j分别表示其终端到基站的距离，分布如下：

式中d_c表示小区半径，Δt分布如下：

多个终端被成功分离开的概率如下：

式中t_rms是小区扩展延迟的根均方根，P表示选择相同前导码的用户能够被成功区分的概率，U表示每个随机接入时隙到达总的用户数目。

进一步的，所述步骤4b)基站将检测到具有冲突的但能成功分离出的多个用户组装为一个NORA组RAR来响应多个采用相同资源的用户：

NORA组其内容格式如下：

其中，BI代表退避指示符用于通知退避定时器，RAPID字段寻址用户，TA为当前用户的定时提前量值，Temp C-RNTI是为当前用户的分配的用于层三消息发送时用的临时小区无线网络标识，PowerBO是为当前用户的分配用于层三消息发送时用功率回退参数。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明在功率域采用非正交的随机接入机制，使得采用相同时频资源发起随机接入的用户可以在基站侧进行分离，进而减少随机接入前导码重传次数，进而降低二次前导传输，缓解系统拥塞，同时增加系统资源利用率，有效提高系统负载较大时的成功接入用户数。该机制可以得到高于传统正交随机接入方式下吞吐量的30％。其创新步骤主要在于步骤4-9。利用地理位置对用户进行分离同时获取多个用户的TA值，并组装成一个RAR消息；对功率域资源进行复用，并将5G串行干扰消除技术引入，从而达到非正交随机接入，提升接入成功概率。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例非正交随机接入过程交互图；

图2是本发明机制NORA与传统正交随机接入机制ORA系统吞吐量仿真对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

为了更好的说明该方法的具体实施步骤，参照图1，一种基于非正交的NB-IoT随机接入机制步骤如下：

步骤1：每个用户接收NPBCH上广播的系统消息，获取RA的配置消息，其中包括三套不同的随机接入参数，分别对应于不同的三个覆盖等级，用户根据当前所处覆盖等级选择对应等级的配置参数，主要包括NPRACH配置时域起始位置，NPRACH频率偏移，前导重复次数，当前覆盖等级下前导重传次数，RA响应窗口长度，功率回退偏移量，MAC定时器等；

本实例中，考虑覆盖等级Normal Coverage(对应MCL＝144dB)，资源周期40ms，开始时间偏移8ms，子载波数目12个，前导重复次数1次，每个等级重复次数4次，RA响应窗口长度6ms，功率回退偏移量δ＝3dB，MAC定时器16ms。

步骤2：用户选择导频，用户根据前导配置的时频域资源，在一个子带配置的子载波集合中随机选中一个用于前导码发送的开始子载波，并利用如下跳频规则A生成前导码。其中，除了第一个子载波索引由用户在可用的子载波集合中随机选择，其余三个符号组按照规则A跳频，i^th符号组对应的子载波索引如下所示：

其中：

f(-1)＝0

时中n_start是发起随机接入开始子载波的索引；

是基站配置的NPRACH资源的起始子载波索引

n_init是MAC层从中选中的子载波

c(n)为伪随机序列，用对伪随机序列生成器进行初始化，取

当获知第一个符号组的位置，便可获得其它三个符号组的子载波索引。

步骤3：用户发送加CP后的前导序列，所有用户在所选择的导频序列上分组加CP头，并将添加CP头的前导码通过天线端口发送出去。

步骤4：基站对具有相同时频资源的多前导进行检测并发送RAR。实现步骤如下：

4a)基于到达时间检测多前导，基站通过时域采样和频域提取得到相关的NPRACH信号，采用周期性相关计算前导码的功率延迟分布PDP，对小区内任意两个采用相同时频资源的用户能够被成功区分开的概率为P。假设用户在小区内均匀分布时，考虑任意两个用户到达时间间隔如下：

式中d_c表示小区半径，取值500m。Δt分布如下：

多个终端被成功分离开的概率如下：

式中t_rms是小区扩展延迟的根均方根取值0.3μs，P表示选择相同前导码的用户能够被成功区分的概率，此处取值为0.6，U表示每个随机接入时隙到达总的用户数目，此处取值为0到300。

4b)基站将检测到具有冲突的但能成功分离出的多个用户组装为一个NORA组RAR来响应多个采用相同资源的用户，NORA组其内容格式如下：

其中，BI代表退避指示符用于通知退避定时器，RAPID字段寻址用户。TA为当前用户的定时提前量值，Temp C-RNTI是为当前用户的分配的用于层三消息发送时用的临时小区无线网络标识，PowerBO是为当前用户的分配用于层三消息发送时用功率回退参数。

步骤5：用户检测基站发送的RAR，具体实现步骤如下：

5a)在发送前导码以后，用户用RA-RNTI解扰NPDCCH响应窗口，若成功解码NPDCCH包含了下行链路资源块并将用户引导到NPDSCH内相关的RAR，执行步骤5b)，如果用户没有找到相应的RA-RNTI加扰的NPDCCH则执行步骤11，DCI消息格式如下：

RA-RNTI

DLRBsforPDSCH

5b)用户解析NPDSCH上对应的上行链路授权(ULGrant)消息。

步骤6：用户根据当前窄带小区特定参考信号(NRS)的接受信号强度来估计TA的近似值；

步骤7：基于步骤6计算的当前用户的TA近似值，用户搜索RARNORA组中消息中最接近的TA值，并获取相应的临时小区无线网络临时标识(Temp C-RNTI)和功率回退(PowerBO)指示。用于指示当前用户的层三消息发送。

步骤8：具有功率域复用的初始层3消息的传输，实现步骤如下：

8a)用户根据RAR消息中的PowerBO进行功率回退，NORA组当中的第i个用户的发射功率为P_U,i：

P_U,i＝min{P_Umax,P_{O_U}-(i-1)δ+10log₁₀(M_U,i)+αPL_i}

式中，P_Umax是用户所支持的最大发送功率取值23dBM，P_{O_U}表示当假设0dB路径损耗时每个RB的接受功率，M_U,i表示上行链路授权中可用资源块的数量，PL_i表示下行链路损耗，α表示发射功率增加的减小率，δ是在NPBCH上广播的功率补偿偏移量，取值3dB。具有较大的TA值的用户将被分配较大的i，对应的发送功率较小。

8b)传输功率域复用的初始层三消息，功率回退和与基站定时对准后，NORA组中的用户将在NPUSCH的相同资源块上发送各自的层三消息，消息当中包含了用户的Temp C-RNTI信息，启动竞争解决定时器，定时器时长T_CR＝1ms。层三消息格式如下：

步骤9：基站采用串行干扰消除技术(SIC)进行用户分离，NORA组中用户的解码顺序与功率回退顺序一致，接受功率强的先被解码无需单独控制信道再发送用户所分配的顺序。基站识别Temp C-RNTI并接受初始层三消息，若成功分离多用户执行步骤10，若未成功分离，执行步骤11；

步骤10：基站发送冲突解决信息，即是竞争解决过程，该过程基于响应一个竞争解决标志消息(CRI)。基站首先传送下行链路控制信息(DCI)以指定用于NPDSCH的下行传输块，DCI消息格式如下：

TempC-RNTI

DLRBsforNPDSCH

用户找到指定的NPDSCH，其内容包括逻辑信道标识(LCID)媒体接入控制子报头和CRI MAC控制元素，LCID字段用于标识随后的CRI MAC控制元素，而CRI MAC控制元素用于反应用户发送的初始层三消息，CRI包含有关后续数据传输的配置消息。CRI消息格式如下：

LCID

用户CRI

若在竞争解决定时器结束前成功解决冲突，则将在后续PUSCH上执行后续数据传输，若未成功进行冲突解决则执行步骤11。

步骤11：若前导未到达前导重传最大次数,此处前导码最大重传次数取值为4，则退回到前导码传输步骤2，若当前前导重传次数到达最大次数，则随机接入过程结束；

从附图2中可以看出在正交随机接入方案中，在一个随机接入时隙的到达用户数为53时，实现前导码传输的最大吞吐量20；相比之下，在本发明基于非正交技术的随机接入机制中，在一个随机接入时隙的到达用户数为69时，实现前导码传输27的最大吞吐量，可以实现超过30％的吞吐量改进。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：每个用户接收窄带物理广播信道NPBCH上广播的系统消息，获取随机接入RA的配置消息；

步骤3：用户发送加循环前缀CP后的前导序列，也即是发送Msg1消息一随机接入前导码，所有用户在选择的导频序列上分组加CP头，并将添加CP头的前导码通过天线端口发送出去；

步骤4：基站基于不同终端的地理位置，对具有相同时频资源的多前导进行检测，获取不同终端的TA值并据此发送随机接入响应RAR，该响应消息包含了被成功分离的多前导的定时提前量TA值、临时小区无线网络临时标识TempC-RNTI、功率回退PowerBO的消息以及上行链路授权消息；

步骤5：用户检测基站发送的RAR；

步骤6：用户根据当前窄带定位参考信号NPRS来估计下行TA的近似值；

步骤7：根据步骤6计算的当前用户的TA近似值，用户搜索非正交随机接入NORA响应中消息中最接近的TA值，并获取相应的临时小区无线网络临时标识Temp C-RNTI和功率回退PowerBO指示以及上行链路授权消息，用于指示当前用户的Msg3初始层三消息也即是消息三发送；

步骤8：用户将具有功率域复用的Msg3通过信道传输给基站：

步骤9：基站采用串行干扰消除技术进行用户分离，其中NORA组中用户的解码顺序与功率回退顺序一致，功率强的用户先被解码，基站识别TempC-RNTI并接收Msg3，若成功分离多用户则执行步骤10，若未成功分离，执行步骤11；

2.根据权利要求1所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述步骤1)随机接入RA的配置消息包括三套不同的随机接入参数，分别对应于不同的三个覆盖等级，用户根据当前所处覆盖等级选择对应等级的配置参数，主要包括NPRACH配置时域起始位置、NPRACH频率偏移、前导重复次数、当前覆盖登记下前导重传次数、RA响应窗口长度、功率回退偏移量及MAC定时器。

3.根据权利要求1所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述步骤4)基站对具有相同时频资源的多前导进行检测并发送RAR，步骤如下：

4.根据权利要求1所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述步骤5)用户检测基站发送的RAR，具体实现步骤如下：

5a)在发送前导码以后，用户用RA-RNTI解扰NPDCCH响应窗口，若成功解码窄带物理下行控制信道NPDCCH则包含了下行链路资源块，并将用户引导到窄带物理下行共享信道NPDSCH内相关的RAR，执行步骤5b)，如果用户没有找到相应的RA-RNTI加扰的NPDCCH则执行步骤11；

5b)用户解析NPDSCH上对应的上行链路授权消息。

5.根据权利要求4所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述步骤8用户将具有功率域复用的初始层三消息通过信道传输给基站，具体包括：

6.根据权利要求4所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述NORA组当中的第i个用户的发射功率为P_U,i：

P_U,i＝min{P_Umax,P_{O_U}-(i-1)δ+10log₁₀(M_U,i)+αPL_i}

7.根据权利要求1所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述步骤2用户根据前导配置的时频域资源，在一个子带配置的子载波集合中随机选中一个用于前导码发送的开始子载波，并利用跳频规则A生成前导码，具体包括：

其中：

8.根据权利要求3所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述步骤4a)小区内任意两个采用相同时频资源的用户能够被成功区分开的概率为P值计算如下，假设用户在小区内均匀分布时，考虑任意两个用户到达时间间隔如下：

式中d_c表示小区半径，Δt分布如下：

多个终端被成功分离开的概率如下：

9.根据权利要求3所述的基于非正交的窄带物联网NB-IoT随机接入方法，其特征在于，所述步骤4b)基站将检测到具有冲突的但能成功分离出的多个用户组装为一个NORA组RAR来响应多个采用相同资源的用户：

NORA组其内容格式如下：

其中，BI代表退避指示符用于通知退避定时器，RAPID字段寻址用户，TA为当前用户的定时提前量值，Temp C-RNTI是为当前用户的分配的用于层三消息发送时用的临时小区无线网络标识，Power BO是为当前用户的分配用于层三消息发送时用功率回退参数。