CN113301662A - 基于时间提前值和分组的正交与非正交相结合的随机接入方法 - Google Patents

Abstract

一种改进的混合正交随机接入ORA和非正交随机接入NORA方案来提高接入吞吐量，该方案利用特殊的前导码放置方法，使得基站能够估计出竞争同一前导码且具有不同TA信息的设备数。随后，基于估计结果对TA信息和前导码均未冲突的MTC设备进行统计分组，同一组中的设备以非正交方式使用同一上行资源传输其上行消息。并且，为了进一步提高接入吞吐量，允许未通过接入等级限制ACB的MTC设备以正交的随机接入机制竞争剩余未调度的上行资源。该方案能够显著地提升接入的吞吐量。

Description

基于时间提前值和分组的正交与非正交相结合的随机接入 方法

技术领域

本发明涉及在基于时间提前值(Time Advance)的非正交随机接入(Non-Othogonal Random Access,NORA)领域下，一种改进的混合正交随机接入(ORA)和非正交随机接入(NORA)提高接入吞吐量的方法，可以获得良好的效果。

背景技术

机器类通信(Machine Type Communication，MTC)将在未来5G中发挥重要的作用，有着广阔的应用前景。随着物联网的快速发展，MTC设备数量激增，已经被运用到智慧城市、远程监控、智慧农业等多个领域。然而，传统的通信系统主要面向人类通信(Human TypeCommunication，HTC)通信业务设计，无法解决机器类通信设备(MTCD)的海量接入和突发随机接入请求。短时间内海量设备的接入会造成严重的碰撞，导致接入时延高、拥塞和资源短缺等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种混合正交随机接入(ORA)和非正交随机接入(NORA)提高接入吞吐量的方法，该方法利用特殊的前导码放置方法，使得基站能够估计出选择同一前导码且具有不同TA信息的设备数。随后，基于估计结果对TA信息和前导码均未冲突的MTC设备进行统计分组，同一组中的设备以非正交方式使用同一上行资源(PUSCH)传输其上行消息。同时，为了进一步提高接入吞吐量，允许未通过接入等级限制(ACB)的MTC设备以正交的随机接入机制竞争剩余未调度的上行资源。该方案能够显著地提高接入吞吐量。

为实现上述的目标，本专利采用的技术方案为：

一种基于时间提前值和分组的正交与非正交相结合的随机接入方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：基站把一个蜂窝网络分成若干个环，基站处于网络中央，N个MTC设备均匀分布在网络中，每个环中设备的时间提前值TA相同，假设第i个环为S_i,环中所有设备的TA值均为TA_i；

步骤2：每个MTC设备接入网络前，先进行接入等级限制ACB检测，随机产生一个0-1之间的数值p，与ACB因子b比较，若p<b，则为第一类设备，否则为第二类设备，将m个前导码分为普通前导码和特殊前导码，其中普通前导码有m-1个，特殊前导码有1个，第一类设备随机选择1个普通前导码，第二类设备选择特殊前导码并在上行信道上传输；

步骤3：基站收到设备传输的前导码后，根据时延计算各设备的TA值并判断其位于哪个环中；通过计算收到的信号Y与第j个前导码的自相关函数，基站得知S_i环中选择前导码j的设备数n(i,j)，其中i＝1,2,...,h,j＝1,2,...,m。当n(i,j)＝1,TA＝TA_i并包含在随机接入响应消息RAR中，基站通过物理下行信道PDSCH传输RAR，若多个处于同一环中的设备选择同一前导码，则基站无法识别，不发送RAR消息给这些设备；

步骤4：基站将成功被识别的第一类设备分组，每组I个设备，称为非正交随机接入NORA组，每组中所有设备的随机接入响应消息合成一个非正交随机接入响应消息，其包含一条上行共享物理信道PUSCH，组中设备各自选择的I个前导码ID，I个退避指示器BI和I个TA值，分配给第一类设备的上行共享物理信道的数量和组数相同，未被分配的上行共享物理信道可由第二类设备竞争接入；

步骤5：每个设备根据RAR消息中的TA值调整上行时间以保证数据在设定时间内到达基站，应用功率退避方案，使得在同一资源上传输数据的设备传输功率不同，以便在步骤6中能够成功解码，同一组中的第一类设备在同一PUSCH信道上传输连接请求信息Msg3；第二类设备在经历第二次接入等级限制SACB检测后，成功通过SACB的设备竞争未被分配的PUSCH信道，只有选择一信道的设备数为1时，该设备才能成功传输Msg3消息而不碰撞；

步骤6：基站用连续干扰消除SIC来解码在同一资源块上以不同功率传输的同一组设备发送的数据，若基站能成功解码，它会发送冲突解决信息CR给发送此数据的设备，若设备在CR时间窗结束之前收到冲突解决信息，则此次接入成功；否则，它将在随机退避后重传；

步骤7：存储上述所得结果，系统成功接入的吞吐量E[N_S]表示为

其中

表示成功传输前导码的第一类设备数，

表示第一类设备的分组数，

表示成功传输Msg3的第一类设备数，N(1-b)是第二类设备的数量，

表示未分配给第一类设备的PUSCH数量，即被第二类设备竞争的PUSCH数，

表示通过SACB检测并成功传输Msg3的第二类设备数。

进一步，所述步骤3中，收到的信号Y在频域上的表达式：

其中ρ_i,j表示S_i环中的设备选择并传输的前导码j，Z是加性高斯白噪声，若收到的信号Y和前导码j的互相关函数大于互相关的门限值，即

则表明此环中有一设备选择了前导码j，然后n(i,j)＝n(i,j)+1，Y＝Y-ρ_i,j，移除已被检测的信号，只有当n(i,j)＝1时，表示S_i环中只有一设备选择前导码j,基站才能成功识别此设备。

再进一步，所述步骤5中，应用功率退避方案，一个NORA组中第i个设备的传输功率如下：

P_t,i＝P_R-(i-1)ρ+10lg(M)+αPL_i

P_R表示一个NORA组中第一个设备的目标到达功率，ρ为功率退避因子，M是分配给一个PUSCH信道的资源块RB数量,PL_i是第i个设备的下行路径损耗，α是路径损耗衰减系数。

更进一步，所述步骤6中，需要明确一个NORA组中成功解码的设备数T_PA(I,q)，其计算如下:

其中，I表示选择同一资源块的设备总数，q为功率退避因子，Q_i(I,q)表示在前i-1个设备传输的数据被成功解码的情况下，第i个MTC设备传输的数据信息能够成功被解码的概率。

本发明涉及在基于时间提前值(Time Advance)的非正交随机接入(Non-Othogonal Random Access,NORA)领域下，一种改进的混合正交随机接入(ORA)和非正交随机接入(NORA)提高接入吞吐量的方案，可以满足MTC海量设备接入的需求，获得良好的效果。

本发明的有益效果是：

1.提出改进的混合正交随机接入(ORA)和非正交随机接入(NORA)方案。

2.该方案能够显著地提升接入的吞吐量。

附图说明

图1是系统模型示意图，小方格表示MTC设备；

图2是提出的基于分组的随机接入方案图；

图3是本发明流程图；

图4是RAR信息格式；

图5是系统的吞吐量随ACB因子b变化的曲线。

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5，一种基于时间提前值(TA)和分组的正交与非正交相结合的随机接入方法，包括如下步骤：

步骤1：基站把一个蜂窝网络分成若干个环，基站处于网络中央，N个MTC设备均匀分布在网络中，每个环中设备的时间提前值(TA)相同，假设第i个环为S_i,环中所有设备的TA值均为TA_i；

步骤2：每个MTC设备接入网络前，先进行接入等级限制(ACB)检测，随机产生一个0-1之间的数值p，与ACB因子b比较，若p<b，则为第一类设备，否则为第二类设备；将m个前导码分为普通前导码和特殊前导码，其中普通前导码有m-1个，特殊前导码有1个，第一类设备随机选择1个普通前导码，第二类设备选择特殊前导码并在上行信道上传输；

步骤3：基站收到设备传输的前导码后，根据时延计算各设备的TA值并判断其位于哪个环中，通过计算收到的信号Y与第j个前导码的自相关函数，基站得知S_i环中选择前导码j的设备数n(i,j)，其中i＝1,2,...,h,j＝1,2,...,m，当n(i,j)＝1,TA＝TA_i并包含在随机接入响应消息(RAR)中，基站通过物理下行信道(PDSCH)传输RAR；若多个处于同一环中的设备选择同一前导码，则基站无法识别，不发送RAR消息给这些设备；

明确收到的信号Y在频域上的表达式：

其中ρ_i,j表示S_i环中的设备选择并传输的前导码j，Z是加性高斯白噪声。若收到的信号Y和前导码j的互相关函数大于互相关的门限值，即

则表明此环中有一设备选择了前导码j，然后n(i,j)＝n(i,j)+1，Y＝Y-ρ_i,j，移除已被检测的信号，只有当n(i,j)＝1时，表示S_i环中只有一设备选择前导码j,基站才能成功识别此设备；

步骤4：基站将成功被识别的第一类设备分组，每组I个设备，称为非正交随机接入(NORA)组，每组中所有设备的随机接入响应消息合成一个非正交随机接入响应消息，其包含一条上行共享物理信道(PUSCH)，组中设备各自选择的I个前导码ID，I个退避指示器(BI)和I个TA值。分配给第一类设备的上行共享物理信道的数量和组数相同，未被分配的上行共享物理信道可由第二类设备竞争接入；

步骤5：每个设备根据RAR消息中的TA值调整上行时间以保证数据在设定时间内到达基站，应用功率退避方案，使得在同一资源上传输数据的设备传输功率不同，以便在步骤6中能够成功解码，同一组中的第一类设备在同一PUSCH信道上传输连接请求信息(Msg3)，第二类设备在经历第二次接入等级限制(SACB)检测后，成功通过SACB的设备竞争未被分配的PUSCH信道，只有选择一信道的设备数为1时，该设备才能成功传输Msg3消息而不碰撞；

运用功率退避方案，一个NORA组中第i个设备的传输功率如下：

P_t,i＝P_R-(i-1)ρ+10lg(M)+αPL_i

P_R表示一个NORA组中第一个设备的目标到达功率，ρ为功率退避因子，M是分配给一个PUSCH信道的资源块(RB)数量,PL_i是第i个设备的下行路径损耗，α是路径损耗衰减系数；

步骤6：基站用连续干扰消除(SIC)来解码在同一资源块上以不同功率传输的同一组设备发送的数据，若基站能成功解码，它会发送冲突解决信息(CR)给发送此数据的设备，若设备在CR时间窗结束之前收到冲突解决信息，则此次接入成功；否则，它将在随机退避后重传；

明确一个NORA组中成功解码的设备数T_PA(I,q)，其具体计算如下

其中，I表示选择同一资源块的设备总数，q为功率退避因子，Q_i(I,q)表示在前i-1个设备传输的数据被成功解码的情况下，第i个MTC设备传输的数据信息能够成功被解码的概率；

步骤7：存储上述所得结果，系统成功接入的吞吐量E[N_S]表示为

其中

表示成功传输前导码的第一类设备数，

表示第一类设备的分组数，

表示成功传输Msg3的第一类设备数，N(1-b)是第二类设备的数量，

表示未分配给第一类设备的PUSCH数量，即被第二类设备竞争的PUSCH数，

表示通过SACB检测并通过PUSCH成功传输Msg3的第二类设备数。

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)

1.一种基于时间提前值和分组的正交与非正交相结合的随机接入方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：基站把一个蜂窝网络分成若干个环，基站处于网络中央，N个MTC设备均匀分布在网络中，每个环中设备的时间提前值TA相同，假设第i个环为S_i,环中所有设备的TA值均为TA_i；

步骤2：每个MTC设备接入网络前，先进行接入等级限制ACB检测，随机产生一个0-1之间的数值p，与ACB因子b比较，若p<b，则为第一类设备，否则为第二类设备，将m个前导码分为普通前导码和特殊前导码，其中普通前导码有m-1个，特殊前导码有1个，第一类设备随机选择1个普通前导码，第二类设备选择特殊前导码并在上行信道上传输；

步骤3：基站收到设备传输的前导码后，根据时延计算各设备的TA值并判断其位于哪个环中；通过计算收到的信号Y与第j个前导码的自相关函数，基站得知S_i环中选择前导码j的设备数n(i,j)，其中i＝1,2,...,h,j＝1,2,...,m，当n(i,j)＝1,TA＝TA_i并包含在随机接入响应消息RAR中，基站通过物理下行信道PDSCH传输RAR，若多个处于同一环中的设备选择同一前导码，则基站无法识别，不发送RAR消息给这些设备；

步骤4：基站将成功被识别的第一类设备分组，每组I个设备，称为非正交随机接入NORA组，每组中所有设备的随机接入响应消息合成一个非正交随机接入响应消息，其包含一条上行共享物理信道PUSCH，组中设备各自选择的I个前导码ID，I个退避指示器BI和I个TA值，分配给第一类设备的上行共享物理信道的数量和组数相同，未被分配的上行共享物理信道可由第二类设备竞争接入；

步骤5：每个设备根据RAR消息中的TA值调整上行时间以保证数据在设定时间内到达基站，应用功率退避方案，使得在同一资源上传输数据的设备传输功率不同，以便在步骤6中能够成功解码，同一组中的第一类设备在同一PUSCH信道上传输连接请求信息Msg3；第二类设备在经历第二次接入等级限制SACB检测后，成功通过SACB的设备竞争未被分配的PUSCH信道，只有选择一信道的设备数为1时，该设备才能成功传输Msg3消息而不碰撞；

步骤6：基站用连续干扰消除SIC来解码在同一资源块上以不同功率传输的同一组设备发送的数据，若基站能成功解码，它会发送冲突解决信息CR给发送此数据的设备，若设备在CR时间窗结束之前收到冲突解决信息，则此次接入成功；否则，它将在随机退避后重传；

步骤7：存储上述所得结果，系统成功接入的吞吐量E[N_S]表示为

其中

表示成功传输前导码的第一类设备数，

表示第一类设备的分组数，

表示成功传输Msg3的第一类设备数，N(1-b)是第二类设备的数量，

表示未分配给第一类设备的PUSCH数量，即被第二类设备竞争的PUSCH数，

表示通过SACB检测并成功传输Msg3的第二类设备数。

2.根据权利要求1所述的基于时间提前值和分组的正交与非正交相结合的随机接入方法，其特征在于，所述步骤3中，收到的信号Y在频域上的表达式：

其中ρ_i,j表示S_i环中的设备选择并传输的前导码j，Z是加性高斯白噪声，若收到的信号Y和前导码j的互相关函数大于互相关的门限值，即

则表明此环中有一设备选择了前导码j，然后n(i,j)＝n(i,j)+1，Y＝Y-ρ_i,j，移除已被检测的信号，只有当n(i,j)＝1时，表示S_i环中只有一设备选择前导码j,基站才能成功识别此设备。

3.根据权利要求1或2所述的基于时间提前值和分组的正交与非正交相结合的随机接入方法，其特征在于，所述步骤5中，应用功率退避方案，一个NORA组中第i个设备的传输功率如下：

P_t,i＝P_R-(i-1)ρ+10lg(M)+αPL_i

P_R表示一个NORA组中第一个设备的目标到达功率，ρ为功率退避因子，M是分配给一个PUSCH信道的资源块RB数量,PL_i是第i个设备的下行路径损耗，α是路径损耗衰减系数。

4.根据权利要求1或2所述的基于时间提前值和分组的正交与非正交相结合的随机接入方法，其特征在于，所述步骤6中，需要明确一个NORA组中成功解码的设备数T_PA(I,q)，其计算如下:

其中，I表示选择同一资源块的设备总数，q为功率退避因子，Q_i(I,q)表示在前i-1个设备传输的数据被成功解码的情况下，第i个MTC设备传输的数据信息能够成功被解码的概率。

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