CN113423146B - 一种多小区大规模mimo系统中的非授权随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，包括：S1、利用频率复用模式建立导频复用机制，使相邻的小区选择不同组别导频、实现导频正交；S2、以最大化每个小区的平均频谱效率为目标，计算最优导频长度和用户随机接入退避概率；S3、每个用户根据基站广播的退避参数进行随机延迟激活，激活用户从本小区的导频池中随机选择导频发送给基站；S4、基站利用信号强度差异对跨小区冲突用户进行识别，对于未识别的用户则判定其接入失败、等待下一个时隙重新发起接入。本发明能够显著改善海量用户场景中用户的接入效率，大幅提升系统整体的频谱效率，方法具有较强的现实可行性，能够切实地应用于实际的通信场景中。

Description

一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法

技术领域

本发明涉及一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，越来越多的业内研究者开始尝试构建可行的未来无线通信系统架构。考虑到未来的无线通信系统内会存在大量的机器类通信，而这种机器类通信通常又具有终端数量巨大、短报文和短延迟等特点，因此传统的基于授权的随机接入方案受限于其信令开销大、消息传输延迟高等特性而不在适用。鉴于此，允许终端直接将其导频和上行数据传输到基站的非授权随机接入开始受到业界的广泛关注，非授权随机接入技术的延迟小、信令开销低，能够充分满足机器类通信绿色、高效的通信需求。

与此同时，能够支持大量用户同时发送多个信号的大规模MIMO也被视为机器类通信的关键支撑技术。大规模MIMO技术会在基站配置数十甚至数百根天线，可令系统容量大幅度提升，加之其所具有的高鲁棒性和低能耗等特性，也使其成为了第五代移动通信(5G)的核心技术之一。

现阶段的非授权随机接入方法大多是面向单小区的，对多小区系统涉及较少。多小区大规模MIMO因涉及导频污染等问题，优化其随机接入方法显得尤为重要。在多小区系统中，跨小区用户的距离往往较远，至其中一个小区基站的接收信号强度差异较大，因此跨小区冲突用户可利用其信号强度差异进行识别。由此可知，多小区系统随机接入具有跟单小区不同的策略。另外，在用户数量庞大的机器类通信场景下，可引入退避机制来优化系统性能。引入基站广播退避因子后，用户根据此参数随机产生退避时间延迟激活，且通过优化退避因子，可使系统频谱利用率到达最优。

综上可知，如果能够将非授权随机接入技术应用在多小区大规模MIMO系统上，并对其进行优化设计，那么必将对未来移动通信网络实际运行具有重要的参考价值。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，具体如下。

一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，包括如下步骤：

S1、利用频率复用模式建立导频复用机制，使相邻的小区选择不同组别导频、实现导频正交；

S2、依据导频复用因子、小区用户数及基站天线，以最大化每个小区的平均频谱效率为目标，计算最优导频长度和用户随机接入退避概率；

S3、每个用户根据基站广播的退避参数进行随机延迟激活，激活用户从本小区的导频池中随机选择导频发送给基站；

S4、基站利用信号强度差异对跨小区冲突用户进行识别，对于未识别的用户则判定其接入失败、等待下一个时隙重新发起接入。

优选地，S1具体包括如下步骤：

S11、设有L个小区，每个小区有N个用户，导频总长度为τ，正交导频共τ个；

S12、将导频分为α组、则每组的正交导频个数为τ/α，其中α为导频复用因子；

S13、令相邻的α个小区选择不同组别导频，使其实现导频正交。

优选地，S2具体包括如下步骤：

S21、将两个选择相同导频序列的用户定义为冲突用户，则每个小区内非冲突用户的平均个数为

其中，n为激活用户数目，p_b为用户退避概率；

S22、在每个小区内部进行功率控制，功率控制因子表示为

λ＝P_niβ_lni，

其中，P_ni为第i个小区第n个用户的发射功率，β_lni为第l个基站与第i个小区第n个用户之间的大尺度衰落系数，

随后利用每个小区内非冲突用户的平均个数，计算出平均频谱效率为

其中，M为基站天线数，

为与第i个小区使用相同导频的小区、即为i小区的同导频小区，z_il为第i个小区的某用户到第l个基站的大尺度衰落平均值、即z_li＝E{β_lni}，ζ_il为第i个小区的某用户到第l个基站的大尺度衰落平方平均值、即

其中E为期望算子，P为所有用户的平均发射功率；

S23、以最大化上述每小区平均频谱效率为目标，使用迭代优化算法求解优化问题、得到系统所需的最优导频长度和用户随机接入退避概率；

s.t.1≤τ<T

0<p_b≤1

其中，τ为导频长度，τ^max为最优导频长度，p_b为用户随机接入退避概率，

为最优用户随机接入退避概率，T为信道相干时间。

优选地，S23具体包括如下步骤：

S231、令初始导频长度τ₀＝1，初始退避概率

最大误差τ>0，迭代变量k＝0；

S232、将τ₀代入平均频谱效率的计算公式中，得到S_i(τ₀)、令C＝S_i(ε₀)；

S233、取C的二阶泰勒展开式，其顶点横坐标

其中，a为泰勒展开二次项系数，b为泰勒展开一次项系数，即

其中，

为第k次迭代的用户退避概率；若0<Q<1，则

若Q<0，则

若Q>1，则

其中

表示第k+1次迭代的用户退避概率；

S234、令k＝k+1，重复S233，直至

S235、将

和τ₀代入平均频谱效率的计算公式中，得到

若

则

τ^max＝τ₀，

S236、令τ₀＝τ₀+1，重复S233～S235，直至τ₀>T-1；

S237、最终得到最优用户随机接入退避概率

以及最优导频长度τ^max。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明所提出的一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，能够在不增加额外功率消耗的前提下，显著改善海量用户场景中用户的接入效率，大幅提升系统整体的频谱效率。同时，本发明的方法在设计时充分地考虑了实际的多小区系统架构，并采用了规范化的随机接入标准，使得最终的方法具有较强的现实可行性，能够切实地应用于实际的通信场景中。

此外，本发明还为多小区大规模MIMO、非授权随机接入技术的相关研究和应用提供了可以一种全新的思路，为无线通信领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸和深入研究，具有十分广阔的应用前景。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示了一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，方法具体包括如下步骤：

S1、利用频率复用模式建立导频复用机制，使相邻的小区选择不同组别导频、实现导频正交。

进一步而言，S1的步骤可以进一步细化如下。

S11、设有L个小区，每个小区有N个用户，导频总长度为τ，正交导频共τ个；

S12、将导频分为α组、则每组的正交导频个数为τ/α，其中α为导频复用因子；

S13、令相邻的α个小区选择不同组别导频，使其实现导频正交。

S2、依据导频复用因子、小区用户数及基站天线等，以最大化每个小区的平均频谱效率为目标，计算最优导频长度和用户随机接入退避概率。

进一步而言，S2的步骤可以进一步细化如下。

S21、将两个选择相同导频序列的用户定义为冲突用户，则每个小区内非冲突用户的平均个数为

其中，n为激活用户数目，p_b为用户退避概率；

S22、在每个小区内部进行功率控制，功率控制因子表示为

λ＝P_niβ_lni，

其中，P_ni为第i个小区第n个用户的发射功率，β_lni为第l个基站与第i个小区第n个用户之间的大尺度衰落系数；

随后利用每个小区内非冲突用户的平均个数，计算出平均频谱效率为

其中，M为基站天线数，

为与第i个小区使用相同导频的小区、即为i小区的同导频小区，z_li为第i个小区的某用户到第l个基站的大尺度衰落平均值、即z_li＝E{β_lni}，ζ_li为第i个小区的某用户到第l个基站的大尺度衰落平方平均值、即

其中E为期望算子，P为所有用户的平均发射功率；

S23、以最大化上述每小区平均频谱效率为目标，使用迭代优化算法求解优化问题、得到系统所需的最优导频长度和用户随机接入退避概率。

s.t.1≤τ<T

0<p_b≤1

其中，τ为导频长度，τ^max为最优导频长度，p_b为用户随机接入退避概率，

为最优用户随机接入退避概率，T为信道相干时间。

更进一步而言，S23的步骤可以进一步细化如下。

S231、令初始导频长度τ₀＝1，初始退避概率

最大误差ε>0，迭代变量k＝0；

S232、将τ₀代入平均频谱效率的计算公式中，得到S_i(τ₀)、令C＝S_i(τ₀)；

S233、取C的二阶泰勒展开式，其顶点横坐标

其中，a为泰勒展开二次项系数，b为泰勒展开一次项系数，即

其中，

为第k次迭代的用户退避概率。若0<Q<1，则

若Q<0，则

若Q>1，则

其中

表示第k+1次迭代的用户退避概率；

S234、令k＝k+1，重复S233，直至

S235、将

和τ₀代入平均频谱效率的计算公式中、得到

若

则

τ^max＝τ₀，

S236、令τ₀＝τ₀+1，重复S233～S235，直至τ₀>T-1；

S237、最终得到最优用户随机接入退避概率

以及最优导频长度τ^max。

综上所述，本发明所提出的一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，能够在不增加额外功率消耗的前提下，显著改善海量用户场景中用户的接入效率，大幅提升系统整体的频谱效率。同时，本发明的方法在设计时充分地考虑了实际的多小区系统架构，并采用了规范化的随机接入标准，使得最终的方法具有较强的现实可行性，能够切实地应用于实际的通信场景中。

此外，本发明还为多小区大规模MIMO、非授权随机接入技术的相关研究和应用提供了可以一种全新的思路，为无线通信领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸和深入研究，具有十分广阔的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用频率复用模式建立导频复用机制，使相邻的小区选择不同组别导频、实现导频正交，包括如下步骤：

S11、设有L个小区，每个小区有N个用户，导频总长度为τ，正交导频共τ个；

S12、将导频分为α组、则每组的正交导频个数为τ/α，其中α为导频复用因子；

S13、令相邻的α个小区选择不同组别导频，使其实现导频正交；

S2、依据导频复用因子、小区用户数、基站天线及每个小区内非冲突用户的平均个数，计算出每个小区的平均频谱效率，然后以最大化每个小区的平均频谱效率为目标，利用迭代优化算法计算出最优导频长度和用户随机接入退避概率，具体包括如下步骤：

S21、将两个选择相同导频序列的用户定义为冲突用户，则每个小区内非冲突用户的平均个数为

其中，n为激活用户数目，p_b为用户退避概率；

S22、在每个小区内部进行功率控制，功率控制因子表示为

λ＝P_niβ_lni，

其中，P_ni为第i个小区第n个用户的发射功率，β_lni为第l个基站与第i个小区第n个用户之间的大尺度衰落系数，随后利用每个小区内非冲突用户的平均个数，计算出第i个小区的平均频谱效率为

其中，T为信道想干时间长度，M为基站天线数，T为信道相干时间，

为与第i个小区使用相同导频的小区、即为i小区的同导频小区，z_li为第i个小区的某用户到第l个基站的大尺度衰落平均值，即z_li＝E{β_lni}，ζ_li为第i个小区的某用户到第l个基站的大尺度衰落平方平均值，即

其中E为期望算子，P为所有用户的平均发射功率；

S23、以最大化每个小区平均频谱效率S_i为目标，使用迭代优化算法求解优化问题、得到系统所需的最优导频长度和用户随机接入退避概率；

s.t.1≤τ<T

0<p_b≤1

其中，τ^max为最优导频长度，

为最优用户随机接入退避概率，p_b为用户随机接入退避概率；

S3、每个用户根据基站广播的退避参数进行随机延迟激活，激活用户从本小区的导频池中随机选择导频发送给基站；

S4、基站利用信号强度差异对跨小区冲突用户进行识别，对于未识别的用户则判定其接入失败、等待下一个时隙重新发起接入。

2.根据权利要求1所述的一种多小区大规模MIMO系统中的非授权随机接入方法，其特征在于，S23具体包括如下步骤：

S231、令初始导频长度τ₀＝1，初始退避概率

最大误差ε>0，迭代变量k＝0；

S232、将τ₀代入平均频谱效率的计算公式中，得到S_i(τ₀)、令C＝S_i(τ₀)；

S233、取C的二阶泰勒展开式，其顶点横坐标

其中，a为泰勒展开二次项系数，b为泰勒展开一次项系数，即

其中，

为第k次迭代的用户退避概率；若0<Q<1，则

若Q<0，则

若Q>1，则

其中

表示第k+1次迭代的用户退避概率；

S234、令k＝k+1，重复S233，直至

S235、将

和τ₀代入平均频谱效率的计算公式中，得到

若

则

τ^max＝τ₀，

S236、令τ₀＝τ₀+1，重复S233～S235，直至τ₀>T-1；

S237、最终得到最优用户随机接入退避概率

以及最优导频长度τ^max。

Images