CN109168147B - Lte网中用于m2m通信的混合随机接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LTE网中用于M2M通信的混合随机接入方法，解决了现有的无线终端数据传输方法在大规模物联网应用场景下面临的数据传输时间效率，资源利用率和吞吐量低下的问题。实现步骤为：机器类通信设备在扩展的物理随机接入信道上传输其前导码；基站检测设备的类型，按类型为设备分派物理上行共享信道并向设备发送随机接入响应消息；主设备和辅设备分别采用NORA和ORA方法进行数据消息传输；基站解码数据消息并发送争用解决消息。本发明契合5G无线网络频谱效率更高，速率更快，容量更大的定位，满足5G频谱效率相对4G而言需要提升5至15倍的需求，用户接入吞吐量显著增加，所需的接入时隙数更少。
Description
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M2M通信的随机接入方法，具体是一种LTE网中用于M2M通信的混合随机接入方法。
背景技术
在无线通信中，随机接入过程是指从用户发送随机接入前导码，开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程，是用户和网络之间建立无线链路的初步必经过程。只有在随机接入完成之后，基站和用户之间才能正常进行数据互操作，所以它是LTE系统中一个基本且重要的过程。随机接入的目的是建立上行链路同步、建立一个唯一终端标识C-RNTI，请求网络分配给终端上行链路资源。所以随机接入不仅用于初始化接入，而且还可以用于切换过程中的新小区接入、无线链路失败后的接入、在有上/下行数据传输时重新恢复上行同步以及UL-SCH资源请求等。
近年来随着第五代(5G)无线通信网络的快速发展，大规模机器类型通信(MTC)设备已成为其重要组成部分，与传统的人与人(H2H)通信不同，机器对机器(M2M)通信具有高密度、低/无移动性和短包的特点。最近，来自NGMN联盟的预测显示，到2020年，MTC设备将比移动电话多10到100倍。然而，目前的蜂窝网络不适合也不支持如此大量的MTC设备。网络中每个MTC设备都需随机接入过程以实现到基站的初始接入并与基站实现同步。当大规模MTC设备部署到LTE蜂窝网络并在短时间内请求连接时，MTC设备产生的大量信令和数据将会发生频繁碰撞，从而导致网络的灾难性拥塞，这称为随机接入过载。
为了减少过载情况下的拥塞，目前已经有人提出了几种解决方案来改善随机接入性能。接入类控制(ACB)作为一种有效且实际可实施的方案，可以通过减少访问网络的活动MTC设备的数量来缓解大规模MTC设备同时接入网络造成的拥塞。D.Shen等人在其发表的论文“Performance analysis for a stabilized multichannel slotted ALOHAalgorithm”(IEEE PIMRC.,vol.1,pp.249-253,Sept.2003)中提出了具有多个随机访问通道的时隙ALOHA方案，当新的数据包到达率小于系统容量时，系统总是稳定的。Faezeh等人在其发表的论文“Two-Stage Resource Allocation for Random Access M2MCommunications in LTE Network”(IEEE Commun.Lett.,vol.20,no.5,pp.982-985,May.2016)中提出了一种两级随机接入方案:在第一阶段，基站将可用的上行链路资源准许给已经通过ACB检查的用户，然后在第二阶段，未通过ACB检查的用户利用来自第一阶段的剩余未调度资源，此方案通过有效使用可用的上行链路无线电资源增加了MTC设备的接入成功概率。
这些随机接入方案都是正交的，在数据传输阶段采用正交多址(OMA)方式，即每个资源块(RB)服务于一个MTC设备以保证数据消息的正交性。虽然这些正交随机接入(ORA)方案可以在一定程度上有效地提高访问吞吐量和资源利用率，然而，随着5G网络中M2M产业规模的快速增长，这种正交策略在频谱效率方面并不是最优的，并且无法实现高的用户接入吞吐量。
此后，J.Cho在其发表的论文“Layered Non-Orthogonal Random Access WithSIC and Transmit Diversity for Reliable Transmissions”(IEEE Trans.on Commun.,vol.66,no.3,pp.1262-1272,Mar.2018)提出了利用发射机功率差的分层随机接入方案；Y.Liang等人在其发表的论文“Non-Orthogonal Random Access for 5G networks”(IEEETrans.Wireless Commun.,vol.16,no.7,pp.4817C4831,July.2017)提出了一种利用到达时间的差异来识别多个MTC设备的随机接入方案。这些随机接入方案都是允许多个MTC设备共享相同资源块的非正交随机接入(NORA)方案。NORA方案在数据传输阶段采用非正交多址(NOMA)方式，NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除(SIC)实现正确解调，其关键技术是SIC和功率复用。
NORA方案相比于ORA方案，具有更高的频谱效率，可以实现大量MTC设备的接入，能获得低延时与低信令花费等。但NOMA方案的实现依然面临一些难题：首先是非正交传输的接收机相当复杂，要设计出符合要求的SIC接收机还有赖于信号处理芯片技术的提高，并且需要对相关的接收机处理算法进行进一步的研究；其次，功率复用技术还不是很成熟，仍然有大量的工作要做。现有的随机接入方案采用的都是单一的或ORA或NORA方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法，以获得更显著的用户访问吞吐量和更少的随机接入时隙数。
本发明是一种LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法，其特征在于，包括有如下步骤：
(1)机器类通信(MTC)设备在扩展的物理随机接入信道(PRACH)上传输其前导码：在开始随机接入过程之前，通过接入类控制(ACB)检查将活动MTC设备分为主设备和辅设备，辅设备再次执行ACB检查，成功通过两次ACB检查的活动MTC设备才能发起随机接入；对所有可用前导码进行分类，将它们划分为普通前导码和特殊前导码；所有的主设备和通过了ACB检查的辅设备分别各选择一个前导码作为其发送前导码，然后通过扩展的PRACH将所选前导码发送给基站；
(2)基站检测设备的类型，按类型为设备分配物理上行共享信道(PUSCH)并向设备发送随机接入响应(RAR)消息：基站根据接收到的前导码来检测发送此前导码的活动MTC设备为主设备还是辅设备；将所有检测到的主设备均分为若干非正交设备组，按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，将其余的PUSCH分配给辅设备；按设备类型向检测到的设备发送RAR消息以确认设备的随机接入请求；
(2a)基站根据接收到的前导码确定发送此前导码的活动MTC设备：所有的前导码都由相同的根序列生成，根序列的每个循环移位产生前导码检测区域，如果在该检测区域中存在高于阈值的峰值，基站认为活动MTC设备选择了该检测区域对应的前导码；当一个前导码仅由一个主设备选择时，基站可以成功检测到发送该前导码的主设备，并且通过检测到的ID信息知道哪个主设备选择了该前导码；当两个或更多个主设备选择相同的前导码并在相同的子载波上发送它们的ID时，基站不能正确地识别任何主设备ID，假定发生冲突，并且不将相应的PUSCH分配给选择该前导码的主设备；对于发送特殊前导码的辅设备，基站通过是否检测到特殊前导码来确认此辅设备；
(2b)基站分别为检测到的主设备和辅设备分配PUSCH并按类型发送RAR消息：基站将检测到的所有主设备均分为若干非正交设备组，按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，将其余的PUSCH分配给所有检测到的辅设备；基站向所有主设备传输非正交格式的RAR消息，向所有辅设备传输正交格式的RAR消息来确认设备的随机接入请求；
(3)主设备和辅设备分别采用NOMA和OMA方法进行数据消息传输：根据接收到的RAR消息，所有非正交设备组的主设备按非正交数据消息格式在为其分配的PUSCH上传输其数据消息，所有辅设备按正交数据消息格式，随机选择未调度的PUSCH发送它们的数据消息；
(4)基站解码数据消息并发送争用解决消息：基站采用SIC解码原理来分离数据消息，解码顺序与功率回退顺序一致，如果数据消息被成功解码，基站发送争用解决消息给设备；在发送数据消息之后，每个主设备和辅设备在争用解决时间间隔中接收争用解决消息，如果在此时间间隔内成功接收到争用解决消息，认为随机访问成功，否则，认为失败，失败的活动MTC设备和未通过ACB检查的辅设备将在下一个时隙中重新尝试上述随机访问过程。
本发明基于ORA和NORA两种方案的优点，用于解决现有的随机接入方案在大规模MTC设备应用场景下面临的随机接入吞吐量低下，所需的随机接入时隙数多而导致的频谱资源利用率低的问题。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
随着大规模智能终端的普及和应用，以及移动新业务需求持续增长，无线传输速率呈指数增长，无线通信的传输速率难以满足未来5G移动通信的需求，基于此，本发明提出了一种LTE网中用于M2M通信的混合随机接入方案，契合5G无线网络频谱效率更高，速率更快，容量更大的定位，满足5G频谱效率相对4G而言需要提升5～15倍的需求。
用户接入吞吐量显著增加：本发明在提出的方案中，采用扩展的物理随机接入信道来同时传输前导码和活动MTC设备的ID信息，这可以帮助基站快速确定MTC设备是否成功发送了前导码，减少了设备完成一次随机接入的时间；随后，主设备以NOMA方式在基站为其分配的PUSCH上发送其数据消息，有效地提高访问吞吐量；同时，为了进一步提高接入吞吐量，允许辅设备以OMA方式竞争剩余的未调度PUSCH资源。
所需的接入时隙数更少：在本发明提出的方案中，占绝大多数的主设备在随机接入过程中采用NORA方案，允许多个主设备的数据消息在同一PUSCH资源块上传递，这多个主设备传输的数据消息很大程度上能被基站正确，从而完成随机接入过程，相比于单一ORA方案，所需的接入时隙数大大减少，而占少数的辅设备采用ORA方案，保证了这些辅设备都能成功接入基站，无需再次进行随机接入尝试，这样更进一步节省了PUSCH资源块。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的信息流程示意图；
图3为本发明与现有两种方案的吞吐量的仿真对比图；
图4为本发明与现有两种方案所需总时隙与可用前导码总数m关系的仿真对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作详细描述。
实施例1
传统的ALOHA方案存在着极易发生碰撞，信道资源利用率低，系统吞吐量低，在大量数据交换时系统性能急剧下降等缺点，不适合大规模MTC设备的随机接入场景；而两级随机接入方案，每一级都采用正交随机接入方法，频谱效率和访问吞吐量不高。
本发明经过研究提出一种LTE网中用于M2M通信的混合随机接入方法，也就是混合ORA和NORA方法，参见附图1和附图2，包括有如下步骤：
(1)机器类通信(MTC)设备在扩展的物理随机接入信道(PRACH)上传输其前导码：在开始随机接入过程之前，本发明首先通过接入类控制(ACB)检查将活动MTC设备分为主设备和辅设备，辅设备再次执行ACB检查，只有主设备和成功通过第二次ACB检查的辅设备才能开始随机接入过程；对前导码进行划分，将所有可用前导码划分为普通前导码和特殊前导码；所有主设备和通过ACB检查的辅设备分别各选择一个前导码作为其发送前导码，通过扩展的PRACH将所选前导码发送给基站。
(2)基站检查设备的类型，按类型为设备分配物理上行共享信道(PUSCH)并向设备发送随机接入响应(RAR)消息：基站根据接收到的前导码来检测发送此前导码的活动MTC设备为主设备还是辅设备，将所有检测到的主设备均分为若干非正交设备组，按非正交设备组的数量为主设备PUSCH，将其余的PUSCH分配给辅设备；按设备类型向检测到的设备发送RAR消息以确认设备的随机接入请求。具体实现包括下述步骤：
(2a)基站根据接收到的前导码确定发送此前导码的活动MTC设备：所有的前导码都由相同的根序列生成，根序列的每个循环移位产生前导码检测区域，如果在该检测区域中存在高于阈值的峰值，基站认为活动MTC设备选择了该检测区域对应的前导码。当一个前导码仅由一个主设备选择时，基站可以成功检测到发送该前导码的主设备，并且通过检测到的ID信息知道哪个主设备选择了该前导码；当两个或更多个主设备选择相同的前导码并在相同的子载波上发送它们的ID时，基站不能正确地识别任何主设备ID，假定发生冲突，并且不将相应的PUSCH分配给选择该前导码的主设备；对于发送特殊前导码的辅设备，基站通过是否检测到特殊前导码来确认此辅设备；
(2b)基站分别为检测到的主设备和辅设备分配PUSCH并按类型发送RAR消息：基站将检测到的所有主设备均分为若干非正交设备组，按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，用于后续主设备采用NORA方法进行数据消息传输，将其余的PUSCH分配给所有检测到的辅设备，用于辅设备接下来采用ORA方法进行数据消息传输；然后基站向所有主设备传输非正交格式的RAR消息，向所有辅设备传输正交格式的RAR消息来确认设备的随机接入请求。
换一种说法，也可以描述为：
(2a)前导码检测原理：所有的前导码都由相同的根序列生成，具有良好的自相关和互相关特性，根序列的每个循环移位产生前导码检测区域，如果在该检测区域中存在高于阈值的峰值，基站认为活动MTC设备选择了该检测区域对应的前导码。
(2b)基站对于主设备的检测：当一个前导码仅由一个主设备选择时，基站可以成功检测到发送该前导码的主设备，并且通过检测到的ID信息知道哪个主设备选择了该前导码；当两个或更多个主设备选择相同的前导码并在相同的子载波上发送它们的ID时，由于干扰，基站不能正确地识别任何主设备的ID，基站假定发生冲突，不将PUSCH分配给选择此前导码的主设备；
对于辅设备，基站仅需检测是否选择了特殊前导码，如果检测到特殊前导码，基站确定此设备为辅设备，如果未检测到特殊前导码，基站未检测到辅设备；
(2c)基站将检测到的主设备均分为若干非正交设备组，按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，将其余的PUSCH分配给检测到的辅设备，向主设备传输非正交格式的RAR消息，向辅设备传输正交格式的RAR消息来确认设备的随机接入请求，以便活动MTC设备按混合ORA和NORA方法进行数据消息传输；RAR消息的格式包括两种类型：非正交RAR格式，正交RAR格式，非正交RAR格式用于放置非正交设备组中的主设备的RAR消息，而正交RAR格式用于放置辅设备的RAR消息。
(3)主设备和辅设备分别采用NOMA和OMA方法进行数据消息传输：根据接收到的RAR消息，所有非正交设备组的主设备按非正交数据消息格式在为其分配的PUSCH上传输其数据消息，所有辅设备按正交数据消息格式，随机选择未调度的PUSCH发送它们的数据消息。
(4)基站解码数据消息并发送争用解决消息：基站采用SIC解码原理来分离数据消息，解码顺序与功率回退顺序一致，如果数据消息被成功解码，基站发送争用解决消息给设备，在发送数据消息之后，每个主设备和辅设备在争用解决时间间隔中接收争用解决消息，如果在此时间间隔内成功接收到争用解决消息，认为随机访问成功，否则，认为失败，失败的活动MTC设备将在下一个时隙中重新尝试上述随机访问过程。此外，未通过ACB检查的辅设备也将在下一个时隙中重新尝试上述随机访问过程。本发明就是通过这样的机制实现使用混合NORA和ORA方法的随机接入过程。
本发明的技术思路是通过第一次ACB检查对活动MTC设备进行分类，将通过ACB检查的活动MTC设备称为主设备，未通过的称为辅设备，对辅设备执行第二次ACB检查；在所有可用前导码中选择一个作为特殊前导码，其他前导码作为普通前导码；每个主设备随机选择一个普通前导码、所有辅设备选择特殊前导码作为其发送前导码，然后在扩展PRACH上发送其前导码和ID信息；基站通过对接收的前导码进行检测，确认发送此前导码的设备；对所有成功检测到的主设备进行统计分组，按分组数分配PUSCH，将余下的PUSCH分配给辅设备；主设备以NOMA方式在相应的PUSCH上发送其数据消息，辅设备以OMA方式竞争空闲PUSCH；采用SIC对各个MTC设备数据消息进行解码。
实施例2
LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法同实施例1，步骤1中所述的机器类通信(MTC)设备在扩展的物理随机接入信道(PRACH)上传输其前导码，具体包括有如下步骤：
(1a)ACB检查：活动MTC设备开始执行随机访问时，首先在[0,1]之间随机选择一个随机数p，然后与ACB检查参数b进行比较，如果p<b，将此类活动MTC设备称为主设备，否则，称为辅设备，设备分类完成，辅设备再次执行参数为
的ACB检查。两次ACB检查参数b和
均是活动MTC设备从物理广播信道上广播的系统广播信息中获得。
(1b)前导码分类：在前导码向基站传输阶段，从m个可用前导码中随机选择一个作为特殊前导码，其余m-1个作为普通前导码。本发明在具体实施时，考虑N个MTC设备在小区中均匀分布的情况，而在单个小区中，可用前导码的最大数量为64，因而本发明取可用前导码总数为64，从中选取一个作为特殊前导码，其余63个作为普通前导码。
(1c)设备选择前导码：由于通过ACB检查的活动MTC设备(即主设备)占绝大多数，所以让每个主设备随机选择一个普通前导码作为其发送前导码，每个通过ACB检查的辅设备选择特殊前导码作为其发送前导码；
(1d)设备将前导码发送到基站：所有主设备和通过第二次ACB检查的辅设备在扩展的PRACH上，将设备ID信息和循环冗余校验(CRC)同发送前导码一起发送给基站。
本发明两次ACB检查的目的是通过减少参与随机接入过程的活动MTC设备的数量来减轻RAN过载，此外，首次ACB检查还将活动MTC设备分类，以作为后续主设备采用NORA方法传输数据消息，辅设备采用ORA方法传输数据消息的基础；将前导码分为普通前导码和特殊前导码，便于基站检测主设备和辅设备，并按设备类型为设备分配PUSCH，以便按混合ORA和NORA方法进行数据消息传输。
实施例3
LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法同实施例1—2，步骤(1d)中所述的扩展的物理随机接入信道(PRACH)，现有技术通常假设PRACH占用6个调度资源块(RB)来发送前导码，本发明设计了扩展的PRACH，其结构是，每个扩展的PRACH占用7个RB来发送前导码和活动MTC设备的ID信息，这7个RB包括6个PRACH RB和1个PUSCH RB，本发明增加的这一PUSCH RB用于发送活动MTC设备的ID消息，以便基站能够高效快速地检测到发送前导码的设备，减少随机接入过程的时耗，有助于提高用户访问吞吐量。
实施例4
LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法同实施例1—3，步骤(2b)中所述的基站分别为检测到的主设备和辅设备分配PUSCH具体指基站在检测到成功发送前导码的一组主设备之后，将这些成功检测到的主设备划分为若干组，每个组由K个设备组成，将每个组称为一个非正交设备组；然后，将每个非正交设备组中的所有主设备的RAR消息组合成对应于唯一PUSCH的非正交RAR消息，这意味着非正交设备组的数量等于为主设备分配的PUSCH的数量，因而基站按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，基站将其余的非预定的PUSCH分配给检测到的辅设备，完成按类型为设备分配PUSCH。本发明在具体实施时，假设三个被成功检测到的主设备被放入一个非正交设备组，本例中即每个组中的主设备总数K＝3，这意味着在数据消息传输过程中，三个设备在相同PUSCH通道以不同功率传输其数据消息，对于由三个主设备组成的非正交设备组，可以根据传输功率的顺序以连续的方式成功解码这些设备的数据消息。
实施例5
LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法同实施例1—4，步骤(3)中所述的数据消息传输，具体包括有以下步骤：
(3a)根据活动MTC设备属于主设备还是辅设备，将其数据消息格式分为两种类型:非正交数据消息格式，正交数据消息格式。
(3b)属于非正交设备组的主设备，基于发送功率原理，按非正交数据消息格式发送其数据消息，每个非正交数据消息格式包括用于发送数据消息的PUSCH，临时C-RNTI和数据消息。
(3c)被基站检测到的辅设备按照正交数据消息格式，随机选择的未调度的PUSCH发送其数据消息，正交数据消息格式包括用于发送数据消息的PUSCH，临时C-RNTI和通过ACB检查的辅设备的数据消息。
本发明提出的方案，让通过首次ACB检查的占绝大多数的活动MTC设备采用非正交随机接入，不仅提高了用户接入吞吐量，还减少了所用随机接入时隙数，进而提高了资源利用率，此外，让通过第二次ACB检查的活动MTC设备采用正交随机接入方法保证其能全部成功接入到基站，使得访问吞吐量进一步提高。
下面给出一个更加详尽的例子，参照附图1与附图2，对本发明的具体步骤做进一步的描述。
实施例6
LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法同实施例1—5，
步骤1，活动MTC设备向基站传输其前导码。
单个小区可用前导码的最大数是64，从64个可用前导码中随机选择一个作为特殊前导码，其余63作为普通前导码。
活动MTC设备在开始执行随机访问时，首先执行ACB检查对其进行分类：活动MTC设备随机在[0,1]之间选择一个随机数p，然后与ACB参数b进行比较，如果p<b，该设备通过ACB检查，将其称为主设备，否则，称为辅设备；辅设备再次执行参数为
的ACB检查，只有经过ACB检查的活动MTC设备才能开始随机接入过程。ACB检查的目的是通过减少访问设备数来缓解网络的拥塞。
每个主设备随机选择一个普通前导码，所有辅助设备选择特殊前导码作为其发送前导码。
每个主设备和辅设备在扩展的PRACH上，将其设备ID信息和循环冗余校验(CRC)同所选择的前导码一起发送给基站。
在扩展的PRACH中，每个PRACH占用7个调度资源块(RB)：6个PRACH RB用来发送前导码，1个PUSCH RB来发送活动MTC设备的ID信息。现有研究通常假设PRACH占用6个RB来发送前导信息，本发明多增了一个PUSCH RB，用于发送设备的ID消息，以帮助基站快速检测到设备，提高基站处的检测效率。
步骤2，基站向检测到的接入设备发送随机接入响应消息。
前导码检测原理：所有前导码都由相同的根序列生成，基站通过频域中的周期性循环来计算前导码的功率延迟分布(PDP)，根序列的每个循环移位产生前导码检测区域。如果在该检测区域中存在高于阈值的峰值，则认为该设备选择了前导码。
基站检测向其发送前导码的设备：当一个前导码仅由一个主设备选择时，基站可以成功检测到发送该前导码的主设备，并且通过检测到的ID信息知道哪个主设备选择了该前导码；当两个或更多个主设备选择相同的前导码并在相同的子载波上发送它们的ID时，由于干扰，基站不能正确地识别任何设备ID，因此，基站假定发生冲突，并且不将相应的PUSCH分配给选择该前导码的主设备；对于辅设备，基站通过是否检测到特殊前导码来确认此设备是否为辅设备。
基站将所有成功检测到的成功发送了前导码的主设备划分为若干非正交设备组，每个组由3个主设备组成。非正交设备组中的所有主设备的RAR消息组合成对应于唯一上行链路PUSCH的非正交RAR消息，这意味着非正交设备组的数量等于为主设备分配的PUSCH的数量，所以按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，其余的非预定PUSCH被允许用于辅助设备，以便后续使用混合ORA和NORA方法的数据消息传输。
步骤3，设备向基站传输数据消息。
属于非正交设备组的主设备，基于发送功率原理，按非正交数据消息格式发送其数据消息，每个非正交数据消息格式包括用于发送数据消息的PUSCH，用于成功主设备的临时C-RNTI和数据消息；所有辅设备随机选择包含在正交数据消息格式中的未调度PUSCH来发送它们的数据消息，正交数据消息格式包括用于发送数据消息的PUSCH，临时C-RNTI和通过ACB检测的辅设备的数据消息。
步骤4，基站恢复数据消息并向接入设备发送争用解决消息：
基站采用SIC解码原理来分离数据消息，解码顺序与功率回退顺序一致。如果数据消息被成功解码，则基站发送争用解决消息给设备。在发送数据消息之后，每个设备在争用解决时间间隔中接收争用解决消息，如果在此时间间隔内成功接收到争用解决消息，认为随机访问是成功的。否则，它将失败并将在下一个时隙中重新尝试上述随机访问过程。
本发明将活动MTC设备分为主设备和辅设备，成功发送前导码的主设备在数据传输阶段以非正交多址方式在基站为其分配的PUSCH上发送其数据消息，可获得较高的接入吞吐量，并减少了接入时隙，从而使资源利用率更高，同时，成功发送前导码的辅设备以正交多址方式竞争剩余的未调度资源，保证成功发送前导码的辅设备都能成功向基站传输数据消息，进一步提高了接入吞吐量，因而本发明可用于LTE网络中M2M设备的随机接入过程，实现快速高效地将大规模MTC设备连接到LTE网络中的基站，有效缓解随机接入过载，获得高的频谱效率。
下面通过仿真对本发明的技术效果再作说明。
实施例7
LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法同实施例1—6。
仿真模型：本发明采用的是N个活动MTC设备在小区中均匀分布的仿真模型。
仿真参数：在仿真时，取活动MTC设备数N＝300,单个小区可用前导码数m＝64,每个非正交设备组放置的主设备数K＝2。
仿真内容：通过MATLAB软件仿真获得本发明提出方案中的主设备和辅设备的吞吐量，现有两级随机接入方案和现有的具有多个随机访问通道的时隙ALOHA方案的吞吐量，并对这三种方案获得的吞吐量进行对比，为了便于对比，将现有两种方案的接入设备也分为主设备和辅设备，图3是本发明与现有两种方案的吞吐量的仿真对比图，图中横坐标是ACB检查参数b,纵坐标是吞吐量，带圆圈的实曲线和虚曲线分别是本发明获得的主设备和辅设备的吞吐量，带菱形的实曲线和虚曲线分别是现有两级随机接入方案主设备和辅设备的吞吐量，带三角形的实曲线和虚曲线分别是现有的具有多个随机访问通道的时隙ALOHA方案的主设备和辅设备的吞吐量。
从图3可以发现，对于主设备，随着ACB检查参数b的增加，本发明和两级随机接入方案，多个通道的时隙ALOHA方案获得的吞吐量先逐步增加，后逐步减小，趋势几乎相同，这是因为三种方案在分析主设备时均采用ALOHA随机接入模型。本发明获得的吞吐量略小于按其他两种方案获得的吞吐量，这是因为在本发明中，可用PUSCH的数量比其他两个方案少一个。差异主要发生在辅设备接入阶段，在辅设备接入阶段，传统ALOHA方案的吞吐量始终为0，这是由于传统的ALOHA方案不执行辅设备接入；随着随着ACB检查参数b的增加，两级随机接入方案的吞吐量逐步降为0，这是由于两级随机接入方案仅对与空闲前导码相对应的PUSCH执行辅设备接入操作；本发明获得的吞吐量一直稳定在20左右，这是因为在本发明提出的方案中，辅设备以ORA方式接入基站，保证了辅设备都能成功接入基站，因而本发明的吞吐量显著增加。将主设备和辅设备的吞吐量相加，可见本发明方案的吞吐量明显高于现有这两种方案。
实施例8
LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法同实施例1—6，所采用的仿真模型和仿真参数同实施例7。
仿真内容：通过MATLAB软件仿真获得本发明提出方案，现有两级随机接入方案和现有的具有多个随机访问通道的时隙ALOHA方案的所需总时隙数与可用前导码总数m的关系，并对这三种方案获得的所需总时隙数与可用前导码总数m的关系进行对比，图4是本发明与现有两种方案所需总时隙与可用前导码总数m关系的仿真对比图，图中横坐标是可用前导码总数m,纵坐标是所需的总的随机接入时隙数，带圆圈，带菱形，带三角形的三条曲线，分别是本发明，现有两级随机接入方案和现有的具有多个随机访问通道的时隙ALOHA方案所需总时隙与可用前导码总数m关系曲线。
从图4可以看出，对于三种方案，随着可用前导码数量的增加，所需的接入总时隙数都逐步减少，本发明所提出的随机接入方案比其他两个随机接入方案需要更少的时隙，这是由于本发明中主设备采用NORA方法，允许多个主设备的数据消息在同一PUSCH资源块上传递，这多个主设备传输的数据消息很大程度上能被基站正确，从而完成随机接入过程，相比于单一ORA方案，所需的接入时隙数大大减少，而占少数的辅设备采用ORA方案，保证了这些辅设备都能成功接入基站，无需再次进行随机接入尝试，这样更进一步节省了PUSCH资源块。
简而言之，本发明公开的一种LTE网中用于M2M通信的混合随机接入方法，解决了现有的无线终端数据传输方法在大规模物联网应用场景下面临的数据传输时间效率，资源利用率和吞吐量低下的问题。本发明的步骤为：1、机器类通信(MTC)设备在扩展的物理随机接入信道(PRACH)上传输其前导码；2、基站检测设备的类型，按类型为设备分配物理上行共享信道(PUSCH)并向设备发送随机接入响应(RAR)消息；3、主设备和辅设备分别采用NORA和ORA方法进行数据消息传输；4、基站解码数据消息并发送争用解决消息。本发明的优点是契合5G无线网络频谱效率更高，速率更快，容量更大的定位，满足5G频谱效率相对4G而言需要提升5～15倍的需求，用户接入吞吐量显著增加，所需的接入时隙数更少。
Claims (4)
1.一种LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法，其特征在于,包括有如下步骤：
(1)机器类通信(MTC)设备在扩展的物理随机接入信道(PRACH)上传输其前导码：在开始随机接入过程之前，通过接入类控制(ACB)检查将活动MTC设备分为主设备和辅设备，辅设备再次执行ACB检查，成功通过两次ACB检查的活动MTC设备才能发起随机接入；将所有可用前导码划分为普通前导码和特殊前导码；所有主设备和通过了ACB检查的辅设备分别各选择一个前导码作为其发送前导码，通过扩展的PRACH将所选前导码发送给基站；机器类通信(MTC)设备在扩展的物理随机接入信道(PRACH)上传输其前导码，具体包括有如下步骤：
(1a)ACB检查：活动MTC设备开始执行随机访问时，首先在[0,1]之间随机选择一个随机数p，然后与ACB检查参数b进行比较，如果p<b，将此类活动MTC设备称为主设备，否则，称为辅设备，辅设备再次执行参数为
的ACB检查，通过两次ACB检查的活动MTC设备才能开始随机接入过程；两次ACB检查参数b和
均是活动MTC设备从物理广播信道上广播的系统广播信息中获得；
(1b)前导码分类：在前导码向基站传输阶段，从m个可用前导码中随机选择一个作为特殊前导码，其余m-1个作为普通前导码；
(1c)设备选择前导码：每个主设备随机选择一个普通前导码作为其发送前导码，每个通过ACB检查的辅设备选取特殊前导码作为其发送前导码；
(1d)设备将前导码发送到基站：所有主设备和通过第二次ACB检查的辅设备在扩展的PRACH上，将设备ID信息和循环冗余校验(CRC)同发送前导码一起发送给基站；
(2)基站检测设备的类型，按类型为设备分配物理上行共享信道(PUSCH)并向设备发送随机接入响应(RAR)消息：基站根据接收到的前导码来检测发送此前导码的活动MTC设备为主设备还是辅设备；将所有检测到的主设备均分为若干非正交设备组，按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，将其余的PUSCH分配给辅设备；按设备类型向检测到的设备发送RAR消息以确认设备的随机接入请求；
(2a)基站根据接收到的前导码确定发送此前导码的活动MTC设备：所有的前导码都由相同的根序列生成，根序列的每个循环移位产生前导码检测区域，如果在该检测区域中存在高于阈值的峰值，基站认为活动MTC设备选择了该检测区域对应的前导码；当一个前导码仅由一个主设备选择时，基站可以成功检测到发送该前导码的主设备，并且通过检测到的ID信息知道哪个主设备选择了该前导码；当两个或更多个主设备选择相同的前导码并在相同的子载波上发送它们的ID时，基站不能正确地识别任何主设备ID，假定发生冲突，并且不将相应的PUSCH分配给选择该前导码的主设备；对于发送特殊前导码的辅设备，基站通过是否检测到特殊前导码来确认此辅设备；
(2b)基站分别为检测到的主设备和辅设备分配PUSCH并按类型发送RAR消息：基站将检测到的所有主设备均分为若干非正交设备组，按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，将其余的PUSCH分配给所有检测到的辅设备；基站向所有主设备传输非正交格式的RAR消息，向所有辅设备传输正交格式的RAR消息来确认设备的随机接入请求；
(3)主设备和辅设备分别采用NOMA和OMA方法进行数据消息传输：根据接收到的RAR消息，所有非正交设备组的主设备按非正交数据消息格式在为其分配的PUSCH上传输其数据消息，所有辅设备按正交数据消息格式，随机选择未调度的PUSCH发送它们的数据消息；
(4)基站解码数据消息并发送争用解决消息：基站采用SIC解码原理来分离数据消息，解码顺序与功率回退顺序一致，如果数据消息被成功解码，基站发送争用解决消息给设备；在发送数据消息之后，每个主设备和辅设备在争用解决时间间隔中接收争用解决消息，如果在此时间间隔内成功接收到争用解决消息，认为随机访问成功，否则，认为失败，失败的活动MTC设备和未通过ACB检查的辅设备将在下一个时隙中重新尝试上述随机访问过程。
2.根据权利要求1所述的LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法，其特征在于，步骤(1d)中所述的扩展的物理随机接入信道(PRACH)，其结构是，每个扩展的PRACH占用7个调度资源块(RB)，包括6个PRACH RB和1个上行共享信道(PUSCH)RB，来发送前导码和活动MTC设备的ID信息。
3.根据权利要求1所述的LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的基站分别为检测到的主设备和辅设备分配PUSCH具体指基站在检测到成功发送前导码的一组主设备之后，将这些主设备均分为若干组，每个组被称为一个非正交设备组，将每个非正交设备组中的所有主设备的RAR消息组合成对应于唯一PUSCH的非正交RAR消息，这意味着非正交设备组的数量等于为主设备分配的PUSCH的数量，因而基站按非正交设备组的数量为主设备分配PUSCH，基站将其余的非预定的PUSCH分配给检测到的辅设备。
4.根据权利要求1所述的LTE网中用于M2M通信的混合ORA和NORA方法，其特征在于，步骤(3)中所述的数据消息传输，具体包括有以下步骤
(3a)根据活动MTC设备属于主设备还是辅设备，将其数据消息格式分为两种类型:非正交数据消息格式，正交数据消息格式；
(3b)属于非正交设备组的主设备，基于发送功率原理，按非正交数据消息格式发送其数据消息，每个非正交数据消息格式包括用于发送数据消息的PUSCH，临时C-RNTI和数据消息；
(3c)被基站检测到的辅设备按照正交数据消息格式，随机选择的未调度的PUSCH发送其数据消息，正交数据消息格式包括用于发送数据消息的PUSCH，临时C-RNTI和辅设备的数据消息。
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