CN109314993B - 通过随机接入方案进行的消息传输 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及展现非等长帧持续时间和低延时的随机接入方案。RA消息和数据消息具有时间单元不同的持续时间，并且RA消息的时隙比一个数据帧的持续时间短得多。被设计成对冲突具有鲁棒性的特定签名在RA请求期间被发送，该签名是唯一序列或压缩签名。用户设备装置在通过示出位于不同频率子带或相同频率子带中的相邻数据帧之间的时间未对准的帧结构接收到其资源之后立即发送数据消息。频率保护带插入在用户设备装置的资源与分配给另一用户设备装置的相邻资源之间，频率保护带具有根据时间未对准水平及时间未对准对失真的影响的自适应大小。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，并且更特别地涉及通过随机接入方案进行的消息传输。
背景技术
新兴的通信服务例如通过车辆联网保障交通安全、对关键基础设施进行实时远程监控以及工业自动化控制，为移动和无线广播网络带来了新的挑战。最关键的要求之一是对低延时(即小于几毫秒)和高可靠性(即故障率接近零)的支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够支持大量用户设备装置的无冲突和低延时的随机接入方案。
该目的通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书和附图，本发明的其他实施方式是明显的。
根据第一方面，本发明涉及用于在无线通信系统中通过随机接入过程来发送数据消息的用户设备装置，其中，所述用户设备装置适于发送随机接入请求以及数据消息，随机接入请求和数据消息具有各自的具有不同的时间单元的持续时间，并且随机接入请求的时间单元比数据消息的时间单元短。
由此，可以使帧持续时间变为非等长的，以便具有由减小的持续时间的随机接入请求时隙引起的时间延迟而导致的减小的延时。因此，随机接入步骤之后的数据传输可以更快地开始。
根据依据第一方面的用户设备装置的第一实现方式，用户设备装置适于接收来自基站的响应于向基站发送随机接入请求的随机接入响应，随机接入响应的时间单元不同于数据消息的时间单元。
由此，由随机接入消息(即随机接入请求和随机接入响应)时隙引起的时间延迟而导致的延时可以进一步减小，使得随机接入消息传输之后的数据传输仍然可以快速开始。
根据依据第一方面的用户设备装置的第二实现方式，用户设备装置适于具有呈短序列形式的唯一签名，该签名通过发送随机接入请求来发送。
由此，可以支持大量的用户设备装置，并且可以获得可靠的随机接入方案。实际上，每个用户设备装置可以由接收装置(即基站或当处于装置对装置通信中时的用户设备装置)通过其唯一签名来个别地识别，然后接收装置可以区分来自不同用户设备装置的请求并且向每个用户设备装置分配不同的资源。因此，不可能将用于数据传输的同一资源分配给多个用户设备装置，使得可以避免数据传输期间的任何冲突：这种非竞争(即无冲突)信令方案允许获得可靠的随机接入方案。因此，可以避免由于冲突引起的任何数据重传(这导致额外延迟)，并且随机接入过程中的延时可以被进一步减小。
根据依据第一方面的用户设备装置的第三实现方式，用户设备装置适于通过将压缩感测矩阵和与用户设备装置的唯一标识对应的二进制序列相乘来得到压缩签名，压缩签名具有与二进制序列的长度相比非常小的长度，并且所述压缩签名通过随机接入请求的发送来发送。
由此，相对于未压缩的唯一签名的情况需要为随机接入请求的传输保留较少的带宽，相对于未压缩的唯一签名的情况可以支持更多数目的用户设备装置并且可以获得可靠的随机接入方案。因此，可以避免冲突之后所需的任何数据重传(这导致额外延迟)，并且随机接入过程中的延时可以被进一步减小。实际上，每个用户设备装置可以由接收装置(即基站或当处于装置对装置通信中时的用户设备装置)通过其唯一标识和压缩签名来个别地识别，接收装置可以收集相应的发送的压缩签名的线性组合，区分来自不同用户设备装置的请求，并且将用于数据传输的不同资源分配给每个用户设备装置，以便通过非竞争即无冲突的信令方案获得可靠的随机接入方案。
根据依据第一方面的用户设备装置的第四实现方式，通过装置对装置通信将随机接入请求发送给另一用户设备装置，并且用户设备装置适于具有由每个用户设备装置预先知道并且分别归因于每个用户设备装置的预定顺序编号，并且适于从分配给处于装置对装置通信中的用户设备装置的组的预定资源池中获取用于所述用户设备装置向其他用户设备装置的传输的资源，如果多个用户设备装置希望通过装置对装置通信同时向其他用户设备装置发送数据消息，则按照根据预定顺序编号的优先级的顺序来执行资源的获取。
因此，可以通过跳过提供随机接入响应的步骤来减小由随机接入信道时隙引起的时间延迟，并且可以获得可靠的随机接入方案。由于每个用户设备装置具有其自己的顺序编号或等级，因此不可能将用于数据传输的同一资源分配给多个用户设备装置，从而可以避免数据传输期间的冲突。这种非竞争即无冲突的信令方案允许获得可靠的随机接入方案。时间延迟的减小和低冲突概率可以进一步减小随机接入过程中的延时。
根据依据第一方面的第一实现方式或第四实现方式的用户设备装置的第五实现方式，用户设备装置适于在其资源已分配时通过数据帧结构发送数据消息，其中，在位于相邻的频率子带中的两个数据帧之间发生时间未对准，这两个数据帧分开地并且分别从用户设备装置和另一用户设备装置发送。
由此，数据帧结构不必须是网格结构，在网格结构中数据信号(或者更准确地说为数据帧)在完全同步传输中与传输时间间隔网格时间对准。因此，一旦用户设备装置识别出其频率资源，用户设备装置就可以通过“不规则”结构以非同步或准异步方式进行发送，该“不规则”结构示出位于不同频率子带或相同频率子带中的相邻数据帧之间的时间未对准。
根据依据第一方面的第五实现方式的用户设备装置的第六实现方式，自适应频率保护带插入在所述户设备装置的资源与分配给其他用户设备装置的相邻资源之间，该频率保护带适于具有基于以下的自适应大小：位于相邻频率子带中的两个数据帧之间的时间未对准的水平；用于数据传输的脉冲形状的衰减功率；以及通过用于两个数据帧中的每一个的传输的相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平。
由此，可以将由时间未对准引起的干扰保持在减小的水平，频率保护带的大小(或者更确切地说为宽度)根据时间未对准而变化，并且可以通过考虑两个用户设备装置中的每一个所使用的发送信号(特别是用于传输的脉冲形状)和时间未对准对用户设备装置使用的用于其数据传输的信号的失真的影响来最优地调整频率保护带的大小以节省频率资源。
根据依据第一方面的第六实现方式的用户设备装置的第七实现方式，用户设备装置适于基于从基站接收到的关于以下的信息来确定频率保护带的大小：时间未对准；通过用于位于相邻频率子带中的两个数据帧的传输的相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平；以及用于位于相邻频率子带中的数据帧的传输的脉冲形状。
由此，基站可以使用随机接入响应来向用户设备装置发送用于确定频率保护带的大小所需的信息，并且用户设备装置可以在本地确定频率保护带的大小：因此可以提出对由基站确定保护带大小的替选方案。
根据依据第一方面的第六实现方式的用户设备装置的第八实现方式，当处于与另一用户设备装置的装置对装置通信中时，用户设备装置适于通过以下来确定频率保护带的大小：基于对接收到的从其他用户设备装置发送并且位于相邻频率子带中的数据帧的检测来确定时间未对准，并且考虑通过相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平以及用于位于相邻频率子带中的数据帧的传输的脉冲形状。
由此，装置对装置通信中的每个用户设备装置可以用与基站通信的替选方式来确定频率保护带的大小。因为在装置对装置通信中跳过随机接入确认和资源分配的步骤，所以关于通过相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平和用于位于相邻频率子带中的数据帧的传输的脉冲形状的信息应被预先限定并且由每个用户设备装置预先知道，或者替选地通过用户设备装置中的任何一个广播。
根据第二方面也解决了以上目的。
根据第二方面，本发明涉及一种基站，该基站适于与根据第一方面或第一方面的实现方式中的任何一个所述的至少一个用户设备装置交换信息，并且从至少一个用户设备装置接收数据消息。
根据依据第二方面的基站的第一实现方式，基站适于基于以下来确定频率保护带的大小：时间未对准；通过用于位于相邻频率子带中的两个数据帧的传输的相应脉冲形状要达到的期望功率抑制水平；以及用于相应的两个数据帧的传输的相应脉冲形状，并且基站向用户设备装置通知关于所确定的频率保护带的大小。
由此，对频率保护带的大小的确定可以完全由基站执行。
根据第三方面也解决了以上目的。
根据第三方面，本发明涉及一种用于在无线通信系统中通过随机接入过程来发送数据消息的系统，该系统包括：根据第一方面或者第一方面的实现方式中的任何一个所述的至少一个用户设备装置；以及根据第二方面或者第二方面的第一实现方式所述的至少一个基站。
根据第四方面也解决了以上目的。
根据第四方面，本发明涉及用于在无线通信系统中通过随机接入过程来发送数据消息的方法，所述方法包括以下步骤：发送随机接入消息以及发送数据消息，其中，随机接入消息和数据消息具有各自的具有不同时间单元的持续时间，并且其中，随机接入消息的时间单元比数据消息的时间单元短。
根据第五方面也解决了以上目的。
根据第五方面，本发明涉及用于确定无线传输系统中的频率保护带的大小的方法，所述方法包括以下步骤：检查位于第一频率子带中的第一数据帧和位于与第一频率子带相邻的第二频率子带中的第二数据帧之间的时间未对准的大小是否大于循环前缀的大小，并且当时间未对准的大小大于循环前缀的大小时，应用以下步骤：基于用于位于所述第一频率子带中的第一数据帧的传输的第一脉冲形状的功率谱密度来确定频率保护带的第一大小；基于用于位于与第一频率子带相邻的第二频率子带中的第二数据帧的传输的第二脉冲形状的功率谱密度来确定频率保护带的第二大小；以及将频率保护带的大小选择为第一大小和第二大小中的最高值。
由此，频率保护带可以具有根据时间未对准的水平、用户设备使用的脉冲形状以及时间未对准对发送信号的失真的影响的自适应大小或宽度，其允许使频域中的信号功率泄露最小化。
根据第六方面也解决了以上目的。
根据第六方面，本发明涉及一种包括程序代码的计算机程序，用于在计算机上执行时执行根据第四方面和第五方面中的任何一个的方法。
由此，该方法可以以自动并且可重复的方式执行。
计算机程序可以由以上设备或装置中的任何一个来执行。设备或装置可以可编程地布置成执行计算机程序。
本发明的实施方式可以用硬件、软件或其任何组合来实现。
还应理解，本发明的优选实施方式也可以是从属权利要求或以上实施方式与相应独立权利要求的任何组合。
参考下文描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得以阐明。
附图说明
在本公开内容的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例性实施方式更详细地解释本发明，在附图中：
图1示出了LTE系统中为有限数目用户(UE)保留的不同资源的活动状态和空闲状态的示意表示；
图2示出了LTE系统中用户设备(user equipment，UE)装置和基站(base station，BS)之间的传统的基于LTE竞争的随机接入过程；
图3示出了在TTI持续时间减少时的随机接入延迟的示例；
图4示出了根据本发明的第一实施方式的具有不同时间单元的随机接入消息和数据消息的持续时间的示意表示；
图5示出了根据本发明第二实施方式的从其分配直到其接收和检测的唯一签名的示意表示；
图6示出了根据本发明的第三实施方式的从其压缩直到其接收和检测的压缩签名的示意表示；
图7示出了根据本发明的第四实施方式的随机接入方案中的直接装置对装置通信的示例；
图8示出了根据本发明的第五实施方式的应用于数据帧的标准网格结构和新的不规则结构中的比较TTI网格；
图9示出了根据本发明的第六实施方式的新的不规则数据帧结构中的TTI网格，其中，频率保护带的宽度可以根据时间未对准来优化；
图10示出了根据本发明的第七实施方式的使用CP-OFDM和P-OFDM的不规则数据帧结构中的频率保护带的不同大小；
图11示出了根据本发明的第八实施方式的在(a)CP-OFDM、(b)P-OFDM(K＝1.07)和(c)P-OFDM(K＝4)中使用的脉冲形状的功率谱密度；以及
图12示出了根据本发明的第九实施方式的描述用于确定随机接入方案中的频率保护带的最优大小的步骤的流程图。
相同的附图标记用于相同的或至少功能等同的特征。
具体实施方式
为了满足低延时和高可靠性的要求，当前的通信网络(例如长期演进(long termevolution,LTE)网络)中可以存在两种场景：将用户保持在始终连接的模式或者应用随机接入(random access，RA)请求/确认过程。
在用户永久保持连接的第一场景中，为每个潜在用户分配或保留用于控制信令的专用资源，即使这些用户实际上没有业务需求。因此，资源必须足以支持可靠的通信链路，该通信链路可以根据不同服务的服务质量(quality of service，QoS)要求而变化。然而，由于网络容量限制，网络只能支持有限数目的用户。在用户具有随机突发业务的情况下，所保留资源大部分时间处于空闲。例如，在根据3GPP TS 36.213版本11.0.0版11的5MHz LTE系统中，可以同时支持少于30个的用户设备(UE)装置，如在图1中的八个UE的示例性情况下描绘的，其中只有为UE3和UE7保留的两个资源是活动的，其余(UE1、UE2、UE4、UE5、UE6、UE8)的资源为空闲。
在参照图2并且在其中例如使用根据3GPP TS 36.213版本11.0.0版11或3GPP TS36.331版本10.1.0版10的LTE标准来应用随机接入请求/确认过程的第二场景中，用户在第一步骤(步骤1)中使用前导码来初始化随机接入请求，并且网络在第二步骤(步骤2)中根据请求分配所需的资源。然而，这种场景中的主要问题是较大的延时。实际上，在第三步骤(步骤3)中实现信息的实际传输之前，在随机接入过程中需要至少两个步骤，即至少两个传输时间间隔(transmission time intervals，TTI)。另外，如果许多用户试图同时接入网络，则可能存在高冲突概率，由此导致由于重传造成的较大延迟。
此外，存在随机接入方案的一些变型，例如具有冲突避免的载波监听多路接入(carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA/CA)方案和免授权随机接入方案。
在CSMA/CA方案中，发送装置在实际数据传输之前监听并检测来自其他装置的信号。然而，CSMA/CA方案由于装置监听信道是否空闲的时间段而意味着一定的延迟。该方案存在可扩展性问题，并且因为信息传输可能由于发送装置之间的冲突而被延迟，因此该方案并不合适用于确保拥塞场景中关键任务应用的QoS要求。另外，CSMA/CA方案基于这样的假设：一个发送器可以检测来自一定距离处的其他发送器的信号。这可以被解释为实际限制，特别是在具有超过几百米的小区半径的区域的情况下。因此，发送器必须被定位成彼此靠近以便能够检测到其他发送器，否则CSMA/CA方案将遭受类似于WLAN中的隐藏节点问题。
在免授权随机接入方案中，装置在没有协调的情况下开始传输。因此，消除了由分别与图2中的步骤1和步骤2对应的随机接入请求/确认引起的延迟。然而，可能存在同一无线资源被多于一个装置使用的风险，使得在不使用冲突解决方案的情况下，可能由于装置之间的干扰而导致检测错误的高发生率，这由此导致传输故障的高可能性。
考虑到LTE标准中的普通随机接入过程，一旦终端或用户设备(UE)装置具有未调度的传输请求，其将启动随机接入(RA)过程，该过程详细包括图2的四个步骤(编号1至4)，其中RNTI代表无线网络临时标识符并且HARQ代表混合自动重复请求。
在第一步骤(步骤1)中，UE装置使用随机选择的前导序列向基站(BS)发送随机接入请求。该组前导序列在UE和BS处是已知的，因此，前导码可以同时用作训练序列和签名。BS可以检测不同的前导码并且向已经使用相应前导码的各个UE装置发送响应。
在第二步骤(步骤2)中，响应于检测到的前导序列，BS在下行链路共享信道中发送响应。对于每个检测到的前导序列，BS通过传达关于要由UE装置用于其传输的定时提前量的信息来调整定时，并将上行链路资源分配给对应的UE装置。
在第三步骤(步骤3)中，UE装置使用由BS在其先前步骤的响应中分配的资源向BS发送其标识和其他消息。
在第四步骤(步骤4)中，BS回应在第三步骤中接收到的UE装置标识。
然而，如果在第一步骤(步骤1)中多个装置选择相同的随机接入时隙处的相同前导码，则BS可能不区分来自不同UE装置的请求。因此，在第二步骤(步骤2)中可能将同一上行链路资源分配给若干UE装置，并且如果在第三步骤(步骤3)中它们使用同一资源进行传输，则将发生冲突。因此，如果在第三步骤(步骤3)中发送的数据消息不能被正确解码，则相应的UE装置在第四步骤(步骤4)中将不会接收到确认，并且这些UE装置将在经过一定时间段之后重新初始化前导码传输。虽然根据3GPP TS 36.213版本11.0.0版11和3GPP TR25.912版本10.0.0版10，总的无冲突过程持续几十毫秒，但是在冲突的情况下过程完成时间将延长。
用于减小RA过程完成时间的标准解决方案是缩短传输时间间隔(TTI)的长度，目的是缩短以上RA过程中每个步骤的持续时间，如在METIS，Deliverable D2.4“Proposedsolutions for new radio access”，2015年2月28日中教导的。在当前LTE和其他通用移动通信系统(universal mobile telecommunications system，UMTS)标准中，TTI是用于调度和时域资源分配的最小单元。一个TTI等于数据帧的持续时间并且构成用于发送随机接入消息(即随机接入前导码或随机接入响应)的时隙。
图3示出了在TTI的持续时间减小时的随机接入延迟的示例。通过忽略额外的开销，由随机接入请求和随机接入响应引起的最小延迟占用两个随机接入时隙并且在一个TTI的持续时间从1ms改变为0.5ms时将从2ms减小到1ms。
然而，关于减小TTI长度有一定的限制。事实上，如果系统对每个数据帧应用与TTI长度减小之前的频率资源相同的频率资源，则缩短TTI将导致可以削弱信道编码的性能的减小的码块大小，并且导致用于循环前缀(cyclic prefix，CP)和保护期(guard period，GP)的更高的开销。如果系统保持与TTI长度减小之前的长度相同的码块长度，则每帧的采样率和频率带宽将会增加。由此，系统将需要更高的频率带宽以及更快的信号处理能力，这将增加无线通信系统的成本。
图4示出了根据本发明的第一实施方式的具有不同时间单元的随机接入消息和数据消息的持续时间的示意表示。
从图中可以看出，作为随机接入请求和随机接入响应的时间单元的传输时间间隔(TTI)与数据消息的数据帧不同，使得可以获得非等长TTI。实际上，随机接入请求和/或随机接入响应的持续时间被设计成比数据消息的每个数据帧的传输持续时间短得多。在配置中，随机接入消息的持续时间可以减少，并且持续时间对于数据帧可以保持不变。例如，随机接入请求或随机接入响应可以具有等于71.9微秒的一个符号长度的持续时间，而数据帧可以具有1毫秒的标准长度。
在随机接入请求期间，用户设备装置可以以短序列的形式发送特定签名。该签名被设计成对冲突具有鲁棒性，以避免随机接入请求的任何可能的重传，因为冲突发生时可能发生重传。
因此，随机接入签名可以是预先分配给每个用户设备(UE)装置的唯一序列。这种唯一签名的示例可以是可以提供少于M位的M个不同序列的不完美序列(例如Gold序列)，可用序列M的数目总是大于要支持的UE装置的数目。
图5示出了根据本发明的第二实施方式的从其分配给UE装置直到由接收装置接收和检测到其的这种唯一签名的示意表示。
如从图5中可以看出，分别为每个用户设备(UE)装置(表示为UE1，UE2，...，UE5)保留不同的序列，每个序列与相应的唯一签名对应。如图5中所描绘的，两个活动UE装置(UE2、UE5)发送它们各自的随机接入请求，并且然后它们的签名由接收装置例如基站(BS)或在设备对设备(device-to-device，D2D)通信的情况下的其他UE装置接收。随后通过对接收到的信号应用例如相关滤波器来检测来自这两个UE装置(UE2、UE5)中的每一个的随机接入请求。
参照图6，其示出了根据本发明的第三实施方式的从其压缩直到其接收和检测的压缩签名的示意表示，在随机接入请求由具有稀疏特性的异常事件触发的情况下，随机接入签名可以替选地为压缩签名，该压缩签名被分配给每个活动UE装置。
如图6中所描绘的，活动UE装置(UE1、UEn)均发送比上述唯一签名短得多的压缩签名。活动装置和非活动装置的总数为N，压缩签名是通过将每个UE装置的原始标识(identity，ID)与具有M行和N列的压缩感测矩阵(A)相乘而生成的。原始装置ID是唯一ID，其可以通过具有稀疏水平1(即仅具有1个非零条目)的长度-N二进制序列来建模。通过与压缩感测矩阵A相乘，可以将每个原始装置ID压缩成长度为M的签名，其中M<<N，其与感测矩阵A中的某个列对应。所发送的压缩签名被叠加在无线信道中并且接收装置收集这些发送的压缩签名的线性组合。然后，使用诸如基追踪的一些凸优化算法或者诸如正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit，OMP)和迭代硬阈值(iterative hard thresholding，IHT)的一些贪婪算法来重建每个活动UE装置的原始装置ID。为了提供信息的目的，将OMP和IHT算法分别总结在下面的表I和表II中：
表I
表II
与唯一签名方案相比，压缩签名方案需要较少的带宽保留用于随机接入请求的传输，因为压缩感测方案中的发送签名要短得多。
一旦由基站(BS)检测到随机接入请求，基站(BS)根据图2的步骤2通过发送随机接入确认进行响应并且为数据消息传输分配资源。
在随机接入请求在UE装置之间广播并且由UE装置直接接收的直接D2D通信的情况下，可以跳过包括发送随机接入确认以及分配资源的步骤2。由此，可以减小由随机接入信道时隙引起的时间延迟。为此，应将资源池预先分配给UE装置的组。
因此，等级或顺序编号被预先限定并且归因于每个UE装置，使得组中的每个UE装置提前知道其自己的等级或者顺序编号。等级限定了当多个UE装置想要通过D2D通信同时发送数据消息时UE装置将从资源池获得或获取资源的优先级的顺序。由此，可以避免数据传输期间的冲突，因为然后不可能将同一资源分配给多个UE装置。
时间延迟和冲突概率两者的降低提供了减小随机接入过程中的延时的益处。
图7示出了根据本发明的第四实施方式的随机接入方案中的直接装置对装置通信的示例。
如图7所描绘的，两个活动UE装置(UE1、UE3)在相同时隙发送随机接入请求(步骤编号1)，并且相应的随机接入请求在UE装置的组中被广播或多播并且由该组内的每个UE装置检测。如果假设UE1相比于UE3具有从资源池中获得或获取资源的更高等级，则UE1将从资源池获得第一可用资源用于其数据传输(步骤编号2)，并且然后UE3将获得第二可用资源用于其数据传输(步骤编号2)。
一旦UE装置从BS接收资源分配信息或者在直接D2D通信的情况下识别并获取其数据消息传输所需的资源，数据传输将立即开始。
图8示出了根据本发明的第五实施方式的应用于数据帧的标准网格结构和新的不规则结构的比较TTI网格，其中，不同的频率(f)资源被分配给三个UE装置(UE1、UE2、UE3)用于允许它们随时间(t)的数据传输。
传统的LTE系统依赖于完全同步的数据传输，其中，UE装置适于发送其与标准TTI网格对准的数据信号或数据消息的数据帧，如图8的网格结构中所描绘的。由于这种对准，由不同UE装置发送的数据信号之间的干扰可以保持在最小水平。然而，由于数据传输将被暂停直到下一个TTI开始，所以所述传统LTE系统的主要缺点在于延迟临界随机接入场景。
为了避免这个问题，本发明中的数据传输应能够在随机接入(RA)请求和响应的先前步骤之后立即开始，如图8中的不规则结构所描绘的。然而，不能保证来自不同UE装置的发送数据信号在时间(t)上完全对准，从而在时间未对准(Δt)的情况下可能在UE装置的数据信号之间产生相互干扰。为了减轻这种相互干扰，不规则数据帧结构提供了插入在分配给不同UE装置的频率资源对之间的频率保护带，如示出了根据本发明的第六实施方式的新的不规则数据帧结构中的TTI网格的图9所描绘的。由于预先即在资源分配之前知道不同UE装置之间的时间未对准(Δt)，所以可以根据时间未对准(Δt)的水平和所述时间未对准(Δt)对失真的影响来即时优化频率保护带的大小(w)即宽度(w)。
如果根据基于循环前缀(CP)的正交频分复用(orthogonal frequency-divisionmultiplexing，OFDM)方案对数据消息进行调制，则在UE装置的数据帧与来自另一UE装置的相邻数据帧之间的时间未对准(Δt)超过CP的大小的情况下，所需频率保护带的大小可能变大，这两个数据帧位于相邻频率子带中。由此，由于也称为基本正弦函数的相应sinc函数的大旁瓣，可能在频域中发生高信号功率泄漏。
为了适应超过CP长度的这种时间未对准(Δt)，有利的是使用使得信号功率分配被严格限制在频域中的诸如以下的具有滤波/脉冲成形的多载波调制方案：滤波器组多载波(filter bank multi-carrier，FBMC)(例如，如在以下文献中指定的：B.Farhang-Boroujeny，“OFDM Versus Filter Bank Multicarrier”，IEEE信号处理期刊，第28卷，第3期，第92页至112页，2011年5月)；脉冲形正交频分复用(pulse shaped orthogonalfrequency-division multiplexing，P-OFDM)(例如，如在以下文献中指定的：Z.Zhao，M.Schellmann，Q.Wang，X.Gong等人，“Pulse shaped OFDM for asynchronous uplinkaccess”，关于信号、系统和计算机的Asilomar会议，美国蒙特利，2015年11月)；以及通用滤波OFDM(universal filtered OFDM，UF-OFDM)(例如，如在以下文献中指定的：T.Wild，F.Schaich和Y.Chen，“5G Air Interface Design based on Universal Filtered(UF-)OFDM”，数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)国际会议，香港，2014年8月)。由此，可以使分配给不同UE装置的频率资源之间所需的频率保护带最小化，同时实现不同UE装置的数据信号的适当隔离。
就此而言，图10示出了根据本发明的第七实施方式的使用两种多载波调制方案即CP-OFDM和P-OFDM的新的不规则数据帧结构中的频率保护带的不同大小。从图10中可以看出，用于P-OFDM的频率保护带的大小(wF)可以相对于用于CP-OFDM的频率保护带的大小(wO)减小。
数据信号的分离所需的频率保护带的大小(w)取决于UE装置使用的用于其数据信号的传输的脉冲形状/滤波器的功率衰减和用于传输另一UE装置的数据信号的相邻频带中的期望的功率抑制水平。
图11示出根据本发明的第八实施方式的在(a)CP-OFDM、(b)P-OFDM(K＝1.07)和(c)P-OFDM(K＝4)中使用的脉冲形状的功率谱密度。
具体地，图11基于以下三种不同的脉冲形状示出了在带有陷波的多载波信号即其连续子载波组被设置为零的多载波信号的带边缘处的功率衰减：(a)在CP-OFDM中使用的矩形脉冲；(b)在P-OFDM中使用的脉冲，具有频率上改善的功率局部化以及总计达到1.07T的略微延长的时间持续，其中T是数据传输的符号间隔(由此允许转换到窗口OFDM系统)；以及(c)在P-OFDM中使用的脉冲，具有总计达到4T的较长时间持续和频域中良好定位的信号功率。
从其中可以看出，与CP-OFDM相比，对于P-OFDM，频谱陷波的带边缘处的功率衰减的陡度显著增加。相应地，对于CP-OFDM，为了达到相同的期望功率抑制水平需要选择的频率保护带将具有较大的大小。例如，假设作为典型值的40dB的期望功率抑制水平。对于图11(a)中所示的CP-OFDM，在接近陷波的中心(如由黑色方块符号所指示的)处达到该值，使得从带边缘延伸直到该中心点的带应被选择用于频率保护带。对于在图11(b)和图11(c)中所示的P-OFDM，在接近带边缘(如由黑色方块符号所指示的)处达到40dB的水平，使得用于P-OFDM的频率保护带的大小将远小于用于CP-OFDM的频率保护带的大小。虽然在相应P-OFDM中使用的两个脉冲之间的差异在视觉上并不突出，但是如在图11(c)中所示的用于P-OFDM(K＝4)的频率保护带的大小相对于如图11(b)所示的用于P-OFDM(K＝1.07)的频率保护带的大小被显著减小到60％。
如果位于第一频率子带中的第一数据帧和位于与第一频率子带相邻的第二频率子带中的第二数据帧之间的时间未对准(Δt)的大小比循环前缀(CP)的大小大，则系统可以被认为是异步的，并且需要频率保护带以使所发送的数据信号之间所产生的干扰最小化。
图12示出了根据本发明的第九实施方式的描述用于确定随机接入方案中的频率保护带的最优大小的步骤的流程图。
参照图12，可以通过更详细地应用以下步骤来最佳地确定这种频率保护带的大小(w)。
在第一步骤(S1)中，基于由发送UE装置(在下文中表示为第一UE装置)用于其数据帧的传输的脉冲形状来计算该第一UE装置的子载波的功率谱密度(PSD-1)。
在第二步骤(S2)中，限定表征施加在由另一发送UE装置(下文中表示为第二UE装置)占用的相邻频率子带上的最大干扰的期望功率抑制水平(Pi1)。
在第三步骤(S3)中，根据PSD-1确定要达到Pi1所需的频率保护带的大小(wG1)。
在第四步骤(S4)中，基于第二UE装置用于其数据帧的传输的脉冲形状来计算该第二UE装置的子载波的功率谱密度(PSD-2)。
在第五步骤(S5)中，限定表征施加在由第一UE装置占用的频率子带上的最大干扰的期望功率抑制水平(Pi2)。
在第六步骤(S6)中，根据PSD-2确定达到Pi2所需的频率保护带的大小(wG2)。
在第七和最终步骤(S7)中，必要的频率保护带的大小(w)被选择为wG1和wG2中的最高值。
在第一场景中，基站可以适于确定频率保护带的大小(w)并且借助于其随机接入响应将所述大小(w)与关于资源块的分配的信息一起发送给发送UE装置。然后，UE装置将连同将其频率子带与相邻频率子带分离的保护带发送其位于由资源块分配的频率子带中的数据帧。
在第二场景中，基站可以适于将关于时间未对准(Δt)、期望功率抑制水平(Pi2)和相邻频率子带上的脉冲形状的信息与关于资源块分配的信息一起发送给发送UE装置。由此，发送UE装置可以在本地确定保护带的大小。作为该场景的变型，还可以在网络中预先指定期望功率抑制水平(Pi1、Pi2)和脉冲形状，使得不必每次都将关于它们的信息发送给发送UE装置。
在涉及跳过随机接入确认和资源分配的步骤的直接D2D通信的第三场景中，关于期望功率抑制水平(Pi1、Pi2)和相邻频率子带上的脉冲形状的信息应当被预先限定并且由每个UE装置预先知道。可以基于在相邻频率子带上检测从另一UE装置发送的数据信号来确定时间未对准(Δt)。
总之，本发明涉及展现非等长帧持续时间和低延时的可靠的随机接入方案。随机接入消息和数据消息具有时间单元不同的持续时间，并且随机接入消息的时隙比数据帧的持续时间短得多。被设计成对冲突具有鲁棒性的特定签名在随机接入消息的随机接入请求期间被发送，该签名是唯一序列或压缩签名。用户设备装置在接收到其资源之后立即通过以下帧结构发送数据消息，该帧结构示出位于不同频率子带或相同频率子带中的相邻数据帧之间的时间未对准。频率保护带插入在用户设备装置的资源与分配给另一用户设备装置的相邻资源之间，频率保护带具有根据时间未对准水平及时间未对准对失真的影响的自适应大小。
虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施方式。通过阅读本公开内容，其他修改对于本领域技术人员而言将是明显的。这样的修改可以涉及本领域已知的以及可以替代本文已经描述的特征或者除本文已经描述的特征以外被使用的其他特征。
已经结合本文的各种实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，可以理解和实现所公开实施方式的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求书中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式例如经由因特网或其他有线或无线电信系统分发。
虽然已经参照本发明的具体特征和实施方式描述了本发明，但是明显的是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其进行各种修改和组合。相应地，说明书和附图仅被简单认为是由所附权利要求限定的本发明的说明，并且预期覆盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同物。
Claims (14)
1.一种用于在无线通信系统中通过随机接入过程来发送数据消息的用户设备(UE)装置，其中，所述UE装置包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器运行时，执行以下操作：
发送随机接入请求和数据消息，所述随机接入请求和所述数据消息具有各自的具有不同的时间单元的持续时间，并且所述随机接入请求的时间单元比所述数据消息的时间单元短，
其中，所述随机接入请求的时间单元指代用于发送随机接入请求的时隙，
所述数据消息的时间单元指代用于发送数据帧的时隙。
2.根据权利要求1所述的UE装置，其中，所述UE装置适于：
接收来自基站(BS)的响应于向所述BS发送所述随机接入请求的随机接入响应，所述随机接入响应的时间单元不同于所述数据消息的时间单元。
3.根据权利要求1所述的UE装置，其中，所述UE装置适于：
具有呈短序列形式的唯一签名，所述签名通过所述随机接入请求的发送来发送。
4.根据权利要求1所述的UE装置，其中，所述UE装置适于：
通过将压缩感测矩阵A和与所述UE装置的唯一标识(ID)对应的二进制序列相乘来得到压缩签名，所述压缩签名具有与所述二进制序列的长度相比非常小的长度并且所述压缩签名通过所述随机接入请求的发送来发送。
5.根据权利要求1所述的UE装置，其中，所述随机接入请求通过装置对装置(D2D)通信被发送给另一UE装置，并且所述UE装置适于：
具有由每个UE装置预先知道并且分别归因于每个UE装置的预定顺序编号；以及
从分配给D2D通信中的UE装置的组的预定资源池中获取用于所述UE装置向其他UE装置的传输的资源，如果多个UE装置希望通过所述D2D通信同时向其他UE装置发送所述数据消息，则按照根据所述预定顺序编号的优先级的顺序来执行资源的获取。
6.根据权利要求2所述的UE装置，其中，所述UE装置适于：
在所述UE装置的资源已分配时通过数据帧结构发送所述数据消息，其中，时间未对准Δt发生在位于相邻频率子带中的两个数据帧之间，所述两个数据帧分开地并且分别从所述UE装置和另一UE装置发送。
7.根据权利要求6所述的UE装置，其中，自适应频率保护带插入在所述UE装置的资源与分配给其他UE装置的相邻资源之间，所述频率保护带适于：
具有基于以下的自适应大小w：位于相邻频率子带中的两个数据帧之间的时间未对准Δt的水平；用于数据传输的脉冲形状的衰减功率；以及通过用于所述两个数据帧中的每一个的传输的相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平Pi1、Pi2。
8.根据权利要求7所述的UE装置，其中，所述UE装置适于：
基于从所述BS接收到的关于以下的信息来确定所述频率保护带的大小w：所述时间未对准Δt；通过用于位于相邻频率子带中的两个数据帧的传输的相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平Pi1、Pi2；以及用于位于所述相邻频率子带中的数据帧的传输的脉冲形状。
9.根据权利要求7所述的UE装置，当处于与另一UE装置的D2D通信中时，其中，所述UE装置适于：
通过以下来确定所述频率保护带的大小w：基于对接收到的从其他UE装置发送并且位于所述相邻频率子带中的数据帧的检测来确定所述时间未对准Δt，并且考虑通过所述相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平Pi1、Pi2和用于位于所述相邻频率子带中的数据帧的传输的脉冲形状。
10.一种基站(BS)，所述BS适于：
与根据权利要求1至9中任一所述的至少一个用户设备(UE)装置交换信息；以及
从所述至少一个UE装置接收所述数据消息。
11.根据权利要求10所述的BS，其中，所述BS适于：
基于以下来确定频率保护带的大小w：时间未对准Δt；通过用于位于相邻频率子带中的两个数据帧的传输的相应脉冲形状所要达到的期望功率抑制水平Pi1、Pi2；以及用于所述相应的两个数据帧的传输的相应脉冲形状；以及
向所述UE装置通知关于所确定的频率保护带的大小w。
12.一种用于在无线通信系统中通过随机接入过程发送数据消息的系统，所述系统包括：
根据权利要求1至9中任一所述的至少一个用户设备(UE)装置；以及
根据权利要求10至11中任一所述的至少一个基站(BS)。
13.一种用于在无线通信系统中通过随机接入过程来发送数据消息的方法，所述方法包括：
发送随机接入消息；以及
发送所述数据消息，
其中：
所述随机接入消息和所述数据消息具有各自的具有不同时间单元的持续时间；并且
所述随机接入消息的时间单元比所述数据消息的时间单元短，
其中，所述随机接入消息的时间单元指代用于发送随机接入消息的时隙，
所述数据消息的时间单元指代用于发送数据帧的时隙。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储包括程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上执行时执行根据权利要求13所述的方法。
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