CN111031611A - 一种基于非授权的导频随机接入方法 - Google Patents

一种基于非授权的导频随机接入方法 Download PDF

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Abstract

一种基于非授权(Grant‑Free)的导频随机接入方案，大规模MIMO系统的Grant‑Free导频随机接入方案省略了用户(UE)与基站(BS)之间的握手过程，允许用户直接在可用时频资源块上传输导频序列和数据信息，减小了传输时延和信令开销，但也存在难以检测用户数和估计用户与基站之间信道信息的问题。本发明让每个用户在多个时隙上的相同导频资源块上分别随机选择一个导频序列；基站接收到所有用户的导频序列和数据信息后，利用大规模MIMO系统的信道正交特性，使用迭代干扰消除算法(SIC)；可以成功计算出用户数和用户与基站之间的估计信道信息。本发明利用Matlab对上述过程进行模拟仿真，仿真结果表明该方案用较高检测用户成功检测率和较低用户估计信道误差。本发明对未来5G通信领域具有一定的应用价值。

Description

一种基于非授权的导频随机接入方法
技术领域
本发明运用5G的关键技术之一：大规模MIMO技术，以及大规模MIMO系统下的导频随机接入方法，采用Matlab软件对该方案进行模拟仿真，验证方案的有效性。本方法具体涉及的方法为：基于非授权的导频随机接入方法。
背景技术
大规模MIMO系统具有高频谱效率、低功耗、低成本、抗干扰等优点，可以满足5G高速率、高容量等需求，成为5G的关键技术之一。在5G应用场景中用户数远远大于可用导频数，为了解决导频短缺问题，考虑采用随机接入机制分配导频。用户随机选择导频，会不可避免的产生导频碰撞问题，导致基站不能准确估计用户数和每个用户的信道信息。为此需设计有效的导频随机接入方案。
现有的大规模MIMO系统的导频随机接入方案分成两类：基于授权和基于非授权的导频随机接入方案。相比较基于授权的导频随机接入方案，非授权的导频随机接入方案可以减小传输时延和信令开销。成为当今研究的主流，但该方案也存在难以检测用户数和估计用户与基站之间信道信息的问题。
发明内容
为了解决基于非授权的导频随机接入方案存在的问题，本发明提供一种基于非授权的导频随机接入方法，根据大规模MIMO系统的信道正交特性，利用迭代干扰消除算法(SIC)，优化改进方案，成功实现对用户数的检测和用户信道估计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于非授权的导频随机接入方法，包括以下步骤：
步骤1：预先规定好时隙数L，每个时隙上都有相同的导频资源块，即相互正交的归一化导频集合
Figure BDA0002354738760000011
其中
Figure BDA0002354738760000012
是一个导频序列，一个长度为τp的列向量，任意两个导频序列相互正交；
步骤2：每个用户在每个时隙上的互相正交的归一化导频集合Po中随机选择导频序列并发送至基站，基站接收到的导频序列为Yl；
步骤3：将基站端接收到的导频序列Yl与Po中的每个导频序列依次相关联，得到所有选择每个导频的用户信道信息之和Yi；
步骤4：利用大规模MIMO系统的信道正交特性，确定组成每个导频信道信息之和Yi的用户信道信息；
步骤5：将每个时隙中的每个导频上的用户信道信息之和进行组合，可以使用二分图来表示这一结果；
步骤6：根据上一步中形成的二分图，采用迭代干扰消除算法(SIC)，不断迭代更新，形成新的二分图，可以得到基站检测到的用户数和各个用户的信道信息；
所述步骤2中，基站接收到的导频序列Yl计算为：
Figure BDA0002354738760000021
其中Na表示实际用户数，pk表示用户发射功率，
Figure BDA0002354738760000022
表示用户k与基站之间的瑞利衰落信道，M代表基站天线数，sk表示用户k选择的导频序列，N表示高斯白噪声矩阵，(·)T表示转置操作。
更进一步，所述步骤3中，所有选择任一导频序列的用户的信道信息之和Yi的计算公式为：
Figure BDA0002354738760000023
其中Si表示任一导频序列，*表示共轭操作，||·||求模值操作。
更进一步，所述步骤4中，利用大规模MIMO系统的信道满足以下特性：
Figure BDA0002354738760000024
上式说明大规模MIMO系统下，当天线数趋于无穷大时，不同用户之间的信道相互正交且各用户信道功率渐进不变。
所述步骤5中，将每个时隙中的每个导频上的用户信道信息之和进行组合，形成二分图过程为：将用户和选择的导频分别表示变量节点和校验节点，如果用户i在时隙1中选择了导频序列Sj，则在变量节点i和校验节点j之间会有一条直线连接；如果用户i在时隙2中选择了导频序列Sj，则在变量节点i和校验节点j'之间会有一条虚线连接，重复以上过程形成二分图，另外，与一个节点相连的边的个数称为该节点的度。
更进一步，在步骤6中，迭代干扰消除算法(SIC)的实现过程为：根据步骤5中形成的二分图，寻找度为1的校验节点与连线，基站可以获得该用户与其选择导频序列在对应二分图上的连线信息；然后，在二分图上将这些连线删除，获得新的二分图。当新的二分图中有度为1的校验节点时，进入下一次的迭代过程，直至没有度为1的校验节点为止。使用此算法可以得到基站检测到的用户数和各个用户的信道信息。
本发明的有益效果是：
1.利用大规模MIMO系统的信道正交特性，原理简单易懂，可扩展性和应用性较高；
2.采用二分图来模拟SIC算法的实现流程，原理图简单易懂，过程清晰明了。
3.使用Matlab进行仿真实验，充分验证了方案的有效性和高效性。
4.本发明只需要较为简单的算法程序，操作较为简单，运行速度快。
附图说明
图1是基于非授权的导频随机接入方案的实现流程。
图2是一个例子：基于4个用户和3个被选择导频的SIC过程。
图3是Matlab用户成功检测率结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参照图1～图3，一种基于无授权的导频随机接入方法，包括以下步骤：
步骤1：预先规定好时隙数L，每个时隙上都有相同的导频资源块，即互相正交的归一化导频集合
Figure BDA0002354738760000035
其中
Figure BDA0002354738760000032
是一个导频序列，一个长度为τp的列向量，任意两个导频序列相互正交；
步骤2：每个用户在每个时隙上的互相正交的归一化导频集合Po中随机选择导频序列并发送至基站，基站接收到的导频序列为Yl；
步骤3：将基站端接收到的导频序列Yl与Po中的每个导频序列依次相关联，得到所有选择每个导频的用户信道信息之和Yi；
步骤4：利用大规模MIMO系统的信道正交特性，确定组成每个导频信道信息之和Yi的用户信道信息；
步骤5：将每个时隙中的每个导频上的用户信道信息之和进行组合，可以使用二分图来表示这一结果；
步骤6：根据上一步中形成的二分图，采用迭代干扰消除算法(SIC)，不断迭代更新，形成新的二分图，可以得到基站检测到的用户数和各个用户的信道信息；
所述步骤2中，基站接收到的导频序列Yl计算为：
Figure BDA0002354738760000033
其中Na表示实际用户数，pk表示用户发射功率，
Figure BDA0002354738760000034
表示用户k与基站之间的瑞利衰落信道，M代表基站天线数，sk表示用户k选择的导频序列，N表示高斯白噪声矩阵，(·)T表示转置操作。
更进一步，所述步骤3中，所有选择任一导频序列的用户的信道信息之和Yi的计算公式为：
Figure BDA0002354738760000041
其中Si表示任一导频序列，*表示共轭操作，||·||求模值。
更进一步，所述步骤4中利用大规模MIMO系统的信道满足以下特性：
Figure BDA0002354738760000042
式说明大规模MIMO系统下，当天线数趋于无穷大时，不同用户之间的信道相互正交且各用户信道功率渐进不变。
所述步骤5中，将每个时隙中的每个导频上的用户信道信息之和进行组合，形成二分图过程为：将用户和选择的导频分别表示变量节点和校验节点，如果用户i在时隙1中选择了导频序列Sj，则在变量节点i和校验节点j之间会有一条直线连接；如果用户i在时隙2中选择了导频序列Sj，则在变量节点i和校验节点j'之间会有一条虚线连接，重复以上过程形成二分图，另外，与一个节点相连的边的个数称为该节点的度。
更进一步，在步骤6中，迭代干扰消除算法(SIC)的实现过程为：根据步骤5中形成的二分图，寻找度为1的校验节点与连线，基站可以获得该用户与其选择导频序列在对应二分图上的连线信息；然后，在二分图上将这些连线删除，获得新的二分图。当新的二分图中有度为1的校验节点时，进入下一次的迭代过程，直至没有度为1的校验节点为止。使用此算法可以得到基站检测到的用户数和各个用户的信道信息。
在本实例中，使用Matlab模拟上述步骤，进行仿真实验，将用户数Na设置为1～10，正交导频数K设置为20，时隙数L设置为2，基站天线数M设置为5000。计算不同用户数情况下，基站成功检测到的用户数，循环此过程300次，计算用户平均成功检测率。仿真结果表明：随着用户数的增多，用户成功检测率缓慢下降，但是成功率最低都在0.970以上；用户估计信道与实际信道之间误差也非常小。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于非授权的导频随机接入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：预先规定好时隙数L，每个时隙上都有相同的导频资源块，即互相正交的归一化导频集合
Figure FDA0002354738750000011
其中
Figure FDA0002354738750000012
是一个导频序列，一个长度为τp的列向量，任意两个导频序列相互正交；
步骤2：每个用户在每个时隙上的互相正交的归一化导频集合Po中随机选择导频序列并发送至基站，基站接收到的导频序列为Yl；
步骤3：将基站端接收到的导频序列Yl与Po中的每个导频序列依次相关联，得到所有选择每个导频的用户信道信息之和Yi；
步骤4：利用大规模MIMO系统的信道正交特性，确定组成每个导频信道信息之和Yi的用户信道信息；
步骤5：将每个时隙中的每个导频上的用户信道信息之和进行组合，可以使用二分图来表示这一结果；
步骤6：根据上一步中形成的二分图，采用迭代干扰消除算法，不断迭代更新，形成新的二分图可以得到基站检测到的用户数和各个用户的信道信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，基站接收到的导频序列Yl计算为：
Figure FDA0002354738750000013
其中Na表示实际用户数，pk表示用户发射功率，
Figure FDA0002354738750000014
表示用户k与基站之间的瑞利衰落信道，M代表基站天线数，sk表示用户k选择的导频序列，N表示高斯白噪声矩阵，(·)T表示转置操作。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所有选择任一导频序列的用户的信道信息之和Yi的计算公式为：
Figure FDA0002354738750000015
其中Si表示任一导频序列，*表示共轭操作，||·||求模值。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，利用大规模MIMO系统的信道满足以下特性：
Figure FDA0002354738750000016
Figure FDA0002354738750000017
上式说明大规模MIMO系统下，当天线数趋于无穷大时，不同用户之间的信道相互正交且各用户信道功率渐进不变。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，将每个时隙中的每个导频上的用户信道信息之和进行组合，形成二分图过程为：将用户和选择的导频分别表示变量节点和校验节点，如果用户i在时隙1中选择了导频序列Sj，则在变量节点i和校验节点j之间会有一条直线连接；如果用户i在时隙2中选择了导频序列Sj，则在变量节点i和校验节点j'之间会有一条虚线连接，重复以上过程形成二分图，另外，与一个节点相连的边的个数称为该节点的度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，迭代干扰消除算法的实现过程为：根据步骤5中形成的二分图，寻找度为1的校验节点与连线，基站可以获得该用户与其选择导频序列在对应二分图上的连线信息；然后，在二分图上将这些连线删除，获得新的二分图。当新的二分图中有度为1的校验节点时，进入下一次的迭代过程，直至没有度为1的校验节点为止。
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