CN112087812A - 一种基于功率退避的mMTC非正交随机接入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于功率退避的mMTC非正交随机接入方法，为解决大规模机器类通信(massive Machine Type Communications,mMTC)中冲突碰撞率高、接入吞吐量低等问题，根据设备定时提前(Timing Advance,TA)信息进行mMTC设备分组，基站利用不同设备组TA信息的差异来区分选择相同前导码设并利用迭代干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)检测设备数据信息，进而满足mMTC场景的海量接入需求，本发明能够显著提升成功接入设备数。

Description

一种基于功率退避的mMTC非正交随机接入方法

技术领域

本算法涉及在大规模机器类通信(massive MTC,mMTC)下，随机接入方案改进领域，基站利用不同设备组TA信息的差异来区分选择相同前导码设备，并利用功率退避的方法检测设备数据信息。

背景技术

在新兴的5G通信中，有一个重要的应用场景，大规模机器类通信(massiveMachine Type Communication，mMTC)。mMTC设备具有高连接密度、低功耗、广覆盖、低激活概率以及小数据包传输等特性。LTE网络下的随机接入方案主要是针对人与人(Human-to-Human，H2H)通信的业务而设计的，适合于单一服务型用户业务。若将其直接应用于5G mMTC设备接入，将会产生如下问题：由于海量设备接入网络会造成频繁的传输冲突，导致接入的吞吐量降低、资源利用率下降。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对机器类通信(Machine Type Communications,MTC)中大规模机器类通信(massive MTC,mMTC)高吞吐量的随机接入需求而采取相应的措施，本发明提出一种基于功率退避的mMTC非正交随机接入方法，根据设备定时提前(TimingAdvance,TA)信息进行分组：对于mMTC设备，基站利用不同设备组TA信息的差异来区分选择相同前导码设备，并利用迭代干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)检测设备数据信息，进而满足mMTC场景的海量接入需求。

为实现上述的目标，本专利采用的技术方案为：

一种基于功率退避的mMTC非正交随机接入方法，该方法包括以下步骤：

步骤1:将小区内的mMTC设备按TA信息的不同进行分组，过程为：采用量化间隔为16T_s对小区内所有设备的传播时延进行量化，得到所有设备的TA索引Ω，Ω＝[T₁,T₂,...,T_M]，同时采用量化距离d＝16T_sc对小区半径进行量化，得到ζ个环形空间，其中T_s表示LTE系统的最小时间单位，T_M表示第M个设备的TA索引，c表示光速，小区内的环形数

其中

表示向上取整函数；

步骤2:将同一环形区域内的所有设备作为一个设备组，具有相同的TA索引；不同环形区域内的设备为不同的设备组，具有不同的TA索引，用S_i表示第i个环，(i＝1,2,...,ζ)，其中的mMTC设备组分被称为第i个mMTC设备组；

步骤3:mMTC设备从R个前导码中随机选择一个前导码发送至基站，其中R为一个时隙中可用的前导码总数；

步骤4:为了缓解前导码冲突，对mMTC设备使用前导码放置方法；

步骤5：基站首先检测接收到的前导码，基站通过计算接收序列与特定的前导码序列r的互相关值，得到在第i个mMTC设备组中选择第r个前导码的设备数n(r,i)；

步骤6：由于mMTC设备的位置固定,每个mMTC设备在接入之前可以根据现有的一些测距技术可以知道自身与基站的距离，从而可以计算出所属分组和TA索引，在其接收并解码RAR消息后,传输数据资源；

步骤7：多个mMTC设备使用相同的数据传输资源发送数据信息时，eNB根据设备的信道功率增益对选择同一资源块的设备进行降序排列，并采用SIC算法检测各设备的数据信息，过程为：首先检测最高信道功率增益的设备数据信息；若能成功检测，则将此设备的数据信息进行干扰消除，进而检测次高功率增益的设备的数据信息，直到无法成功检测设备的数据信息。

进一步，所述步骤4中，所述前导码放置方法的过程如下：位于第i个环的mMTC设备组中的设备采用第

个子载波作为放置其选定前导码的起始位置,使得基站能够估计每个mMTC设备组中竞争同一前导码的设备数量；令

ρ_r,i表示第i个mMTC设备组中的mMTC设备发送的第_r个前导码序列，接收到的前导码信号Y表示为：

其中_ζ为环总数,n(r,i)表示第i个mMTC设备组中选择第r个前导码的设备数，N表示均值为零且方差为

的加性高斯白噪声。

更进一步，所述步骤6中，所述接收和解码RAR消息的过程如下：mMTC设备会首先比较前导码标识，确认是否与第一步中传输的前导码相匹配，比较RAR消息中的TA信息是否与自身的TA信息相等，如果相等，则解码RAR消息成功，并在相应RAR消息中所给定的数据传输资源上传输数据信息，否则，设备从分配给该设备所选择的前导码的数据传输资源中随机选择一个数据传输资源传输数据信息。

再进一步，所述步骤7中，所述采用SIC检测设备的数据信息的过程如下：选择同一上行资源块的第i个设备的发送功率表示为：

p_t,i＝min{p_max,p_u-(i-1)ρ+10log₁₀(M)+PL_i}

其中p_t,i为第i个设备的发射功率，p_max代表设备的最大传输功率,p_u表示选择同一资源块的第一个设备的到达功率，ρ作为功率退避因子，M是选择同一前导码设备组分配的上行资源块总数，PL_i是第i个设备传输过程中的信道损失；

进一步基于设备的发射功率p_t,i和信道增益h_i，第i个设备的接收功率计算为：

其中，将

定义为功率退避等效因子，q∈(0,1)，g_i为瑞利衰弱信道的增益，其满足的关系为

即指数分布，基站通过检测不同设备的信道增益g_i，并按照降序排列，以此顺序进行迭代干扰消除；

假设每个选择同一资源块的I个设备目标数据速率都为R₀，第i个设备达到的数据速率为R_a,i，将Q_i(I,q)定义为在前i-1个设备成功接入的情况下，第i个mMTC设备的数据信息能够成功被检测到的概率表示为：

其中，

是信号与干扰加噪声比SINR的阈值，而

接着采用Sukhatme的经典理论和特征函数，Q_i(I,q)表示为：

其中，

同一资源块下采用基于功率退避的非相干解调，T_PA(I,q)表示选择同一上行资源块的成功接入的设备吞吐量，T_PA(I,q)计算如下

系统成功接入的吞吐量MS表示为

其中，

表示有n个设备选取第r个前导码的概率，

表示n个设备选择相同前导码序列条件下获得u个资源块的概率。

本发明的有益效果是：

1.结合TA信息和功率退避提出一套完整的非正交随机接入方案。

2.本方案满足mMTC场景的海量接入需求。

附图说明

图1是提出的基于分组的随机接入方案图；

图2选择前导码的mMTC设备数的估计算法；

图3系统的接入吞吐量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本方案的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对方案的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参照图1，图2与图3，一种基于功率退避的非正交随机接入方法，包括以下步骤：

步骤1:将小区内的mMTC设备按TA信息的不同进行分组，具体为：采用量化间隔为16T_s对小区内所有设备的传播时延进行量化，得到所有设备的TA索引Ω，Ω＝[T₁,T₂,...,T_M]，同时采用量化距离d＝16T_sc对小区半径进行量化，得到ζ个环形空间，其中T_s表示LTE系统的最小时间单位，T_M表示第M个设备的TA索引,c表示光速，小区内的环形数

其中

表示向上取整函数；

步骤2:将同一环形区域内的所有设备作为一个设备组，具有相同的TA索引；不同环形区域内的设备为不同的设备组，具有不同的TA索引，用S_i表示第i个环，(i＝1,2,...,ζ)，其中的mMTC设备组分被称为第i个mMTC设备组；

步骤3:mMTC设备从R个前导码中随机选择一个前导码发送至基站，其中R为一个时隙中可用的前导码总数；

步骤4:为了缓解前导码冲突，对mMTC设备使用前导码放置方法，过程如下：

步骤4-1:位于第i个环的mMTC设备组中的设备采用第

个子载波作为放置其选定前导码的起始位置，使得基站能够估计每个mMTC设备组中竞争同一前导码的设备数量，令ρ_r,i表示第i个mMTC设备组中的mMTC设备发送的第_r个前导码序列，接收到的前导码信号Y表示为：

其中_ζ为环总数，n(r,i)表示第i个mMTC设备组中选择第r个前导码的设备数，N表示均值为零且方差为

的加性高斯白噪声；

步骤5：基站首先检测接收到的前导码，基站通过计算接收序列与特定的前导码序列r的互相关值，得到在第i个mMTC设备组中选择第r个前导码的设备数n(r,i)；

步骤6：由于mMTC设备的位置固定,每个mMTC设备在接入之前可以根据现有的一些测距技术可以知道自身与基站的距离，从而可以计算出所属分组和TA索引，在其接收并解码RAR消息后,传输数据资源，过程为：

mMTC设备会首先比较前导码标识，确认是否与第一步中传输的前导码相匹配，比较RAR消息中的TA信息是否与自身的TA信息相等，如果相等，则解码RAR消息成功，并在相应RAR消息中所给定的数据传输资源上传输数据信息，否则，设备从分配给该设备所选择的前导码的数据传输资源中随机选择一个数据传输资源传输数据信息；

步骤7：多个mMTC设备使用相同的数据传输资源发送数据信息时，eNB根据设备的信道功率增益对选择同一资源块的设备进行降序排列，并采用SIC算法检测各设备的数据信息，过程为：首先检测最高信道功率增益的设备数据信息；若能成功检测，则将此设备的数据信息进行干扰消除，进而检测次高功率增益的设备的数据信息，直到无法成功检测设备的数据信息；

采用SIC检测设备的数据信息的过程如下：

步骤7-1：选择同一上行资源块的第i个设备的发送功率表示为：

p_t,i＝min{p_max,p_u-(i-1)ρ+10log₁₀(M)+PL_i}

其中p_t,i为第i个设备的发射功率，p_max代表设备的最大传输功率,p_u表示选择同一资源块的第一个设备的到达功率，ρ作为功率退避因子，M是选择同一前导码设备组分配的上行资源块总数，PL_i是第i个设备传输过程中的信道损失；

步骤7-2：基于设备的发射功率p_t,i和信道增益h_i，第i个设备的接收功率可计算为：

其中，将

定义为功率退避等效因子，q∈(0,1)，g_i为瑞利衰弱信道的增益，其满足的关系为

即指数分布，基站通过检测不同设备的信道增益g_i，并按照降序排列，以此顺序进行迭代干扰消除；

步骤7-3：假设每个选择同一资源块的I个设备目标数据速率都为R₀，第i个设备达到的数据速率为R_a,i，将Q_i(I,q)定义为在前i-1个设备成功接入的情况下，第i个mMTC设备的数据信息能够成功被检测到的概率表示为：

其中，

是信号与干扰加噪声比SINR的阈值，而

步骤7-4：采用Sukhatme的经典理论和特征函数，Q_i(I,q)表示为：

其中，

步骤7-5：同一资源块下采用基于功率退避的非相干解调，T_PA(I,q)表示选择同一上行资源块的成功接入的设备吞吐量，T_PA(I,q)计算如下

步骤7-5：系统成功接入的吞吐量MS表示为

其中，

表示有n个设备选取第r个前导码的概率,

表示n个设备选择相同前导码序列条件下获得u个资源块的概率。

以上所述仅为本方案的实施例，并非因此限制本方案的专利范围，凡是利用本方案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，均同理包括在本算法的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于功率退避的mMTC非正交随机接入方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1:将小区内的mMTC设备按TA信息的不同进行分组，过程为：采用量化间隔为16T_s对小区内所有设备的传播时延进行量化，得到所有设备的TA索引Ω，Ω＝[T₁,T₂,...,T_M]，同时采用量化距离d＝16T_sc对小区半径进行量化，得到ζ个环形空间，其中T_s表示LTE系统的最小时间单位，T_M表示第M个设备的TA索引，c表示光速，小区内的环形数

其中

表示向上取整函数；

步骤2:将同一环形区域内的所有设备作为一个设备组，具有相同的TA索引；不同环形区域内的设备为不同的设备组，具有不同的TA索引，用S_i表示第i个环，(i＝1,2,...,ζ)，其中的mMTC设备组分被称为第i个mMTC设备组；

步骤3:mMTC设备从R个前导码中随机选择一个前导码发送至基站，其中R为一个时隙中可用的前导码总数；

步骤4:为了缓解前导码冲突，对mMTC设备使用前导码放置方法；

步骤5：基站首先检测接收到的前导码，基站通过计算接收序列与特定的前导码序列r的互相关值，得到在第i个mMTC设备组中选择第r个前导码的设备数n(r,i)；

步骤6：由于mMTC设备的位置固定,每个mMTC设备在接入之前可以根据现有的一些测距技术可以知道自身与基站的距离，从而可以计算出所属分组和TA索引，在其接收并解码RAR消息后,传输数据资源；

步骤7：多个mMTC设备使用相同的数据传输资源发送数据信息时，eNB根据设备的信道功率增益对选择同一资源块的设备进行降序排列，并采用SIC算法检测各设备的数据信息，过程为：首先检测最高信道功率增益的设备数据信息；若能成功检测，则将此设备的数据信息进行干扰消除，进而检测次高功率增益的设备的数据信息，直到无法成功检测设备的数据信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，所述前导码放置方法的过程如下：位于第i个环的mMTC设备组中的设备采用第

个子载波作为放置其选定前导码的起始位置,使得基站能够估计每个mMTC设备组中竞争同一前导码的设备数量；令

ρ_r,i表示第i个mMTC设备组中的mMTC设备发送的第_r个前导码序列，接收到的前导码信号Y表示为：

其中ζ为环总数,n(r,i)表示第i个mMTC设备组中选择第r个前导码的设备数，N表示均值为零且方差为

的加性高斯白噪声。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，所述接收和解码RAR消息的过程如下：mMTC设备会首先比较前导码标识，确认是否与第一步中传输的前导码相匹配，比较RAR消息中的TA信息是否与自身的TA信息相等，如果相等，则解码RAR消息成功，并在相应RAR消息中所给定的数据传输资源上传输数据信息，否则，设备从分配给该设备所选择的前导码的数据传输资源中随机选择一个数据传输资源传输数据信息。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤7中，所述采用SIC检测设备的数据信息的过程如下：选择同一上行资源块的第i个设备的发送功率表示为：

p_t,i＝min{p_max,p_u-(i-1)ρ+10log₁₀(M)+PL_i}

其中p_t,i为第i个设备的发射功率，p_max代表设备的最大传输功率,p_u表示选择同一资源块的第一个设备的到达功率，ρ作为功率退避因子M是选择同一前导码设备组分配的上行资源块总数，PL_i是第i个设备传输过程中的信道损失；

进一步基于设备的发射功率p_t,i和信道增益h_i，第i个设备的接收功率计算为：

其中，将

定义为功率退避等效因子，q∈(0,1)，g_i为瑞利衰弱信道的增益，其满足的关系为

即指数分布，基站通过检测不同设备的信道增益g_i，并按照降序排列，以此顺序进行迭代干扰消除；

假设每个选择同一资源块的I个设备目标数据速率都为R₀，第i个设备达到的数据速率为R_a,i，将Q_i(I,q)定义为在前i-1个设备成功接入的情况下，第i个mMTC设备的数据信息能够成功被检测到的概率表示为：

其中，

是信号与干扰加噪声比SINR的阈值，而

接着采用Sukhatme的经典理论和特征函数，Q_i(I,q)表示为：

其中，

同一资源块下采用基于功率退避的非相干解调，T_PA(I,q)表示选择同一上行资源块的成功接入的设备吞吐量，T_PA(I,q)计算如下

系统成功接入的吞吐量MS表示为

其中，

表示有n个设备选取第r个前导码的概率，

表示n个设备选择相同前导码序列条件下获得u个资源块的概率。

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