CN113692060B - 多天线mimo场景下随机接入资源的配置与更新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法，包括步骤：基站初始化；基站通过系统信息块SIB2广播可用的RACH资源；上行有数据待发送的用户在基站配置的RACH资源上发起随机接入过程；对S状态、I状态、C状态进行重新定义。本发明的有益效果是：可根据基站天线数目、RACH资源的利用率门限值来逐步动态优化RACH资源的配置，使MIMO系统在满足用户/业务接入成功概率需求的前提下，减少系统中随机接入RACH资源的浪费；充分利用MIMO的空间分集特性来提升资源的利用率；只需要基站侧更改随机接入资源的配置信息，不需要进行硬件的更改，用户终端也不需要进行任何更改。

Description

多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，尤其涉及多输入多输出（MIMO）系统中的一种基站侧随机接入资源的配置与更新方法。
背景技术
2015年9月，国际电信联盟根据终端业务的数据传输速率、时延、连接数和可靠性等方面的要求，明确了5G的三大主要应用场景，分别是：增强移动宽带（enhanced MobileBroadband，eMBB）、大规模机器通信（massive Machine Type Communications，mMTC）和超高可靠低延时通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）。上述三种应用场景对速率、可靠性和时延等指标的要求各不相同。其中，eMBB主要面向以人为中心的广域连续覆盖和局部热点覆盖通信，用于满足大流量业务的数据传输，为用户带来更高速、更极致的体验；mMTC主要面向涉及海量节点的物联网数据采集与传输等应用，该类场景下业务具有低功耗和海量连接等特点；URLLC主要面向对传输时延和通信可靠性要求极高的特殊行业应用。为了更好地支撑多样化的应用场景，探索无线网络支撑具有苛刻QoS要求的业务的可能性，需要根据无线系统的业务负载（用户数）来配置资源，只有准确的估计出无线网络中的业务负载（用户数）才能更好地利用有线的无线资源。
目前蜂窝无线通信（如4G，5G）中上行随机接入信道（Random Access CHannel，RACH）资源的配置使用几种固定的配置，在固定RACH资源的配置下，当系统中上行随机接入用户数目较少时，RACH资源得不到充分利用，造成RACH资源的闲置浪费；反之，当系统中上行随机接入用户数目较多时，RACH资源不足又会出现多个上行用户在有限的RACH资源上发起随机接入的情况，造成严重的接入冲突，用户无法在短时间内接入无线通信系统中接收服务。
在现有的蜂窝无线通信系统中RACH资源固定配置，在固定RACH资源的配置下，当系统中上行随机接入用户数目较少时，RACH资源得不到充分利用，造成RACH资源的限制浪费；反之，当系统中上行随机接入用户数目较多时，RACH资源不足使得多个上行用户在有限的RACH资源上发起随机接入，造成冲突严重，用户无法短时间内接入无线系统接收服务。此外，现有通信系统中用户发起随机接入时，多于一个用户使用同样的RACH资源即认为是冲突的。而实际上，在MIMO系统中，由于空间自由度的存在，基站侧配置
Figure 844554DEST_PATH_IMAGE001
根接收天线时，最多可以同时区分开
Figure 299937DEST_PATH_IMAGE001
个用户同时发送的数据。也即，当用户发起随机接入时，多于
Figure 841777DEST_PATH_IMAGE001
个用户使用同样的RACH资源才会被认为是冲突的。因此，现有的随机接入协议中RACH资源的配置没有随用户数目动态变化及时进行调整，也未能很好地将新一代蜂窝系统中MIMO技术的空间优势发挥出来。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种MIMO系统中随机接入资源的配置与更新方法。
这种MIMO系统中随机接入资源的配置与更新方法，包括以下步骤：
步骤1、基站初始化：配置可用的RACH资源
Figure 606471DEST_PATH_IMAGE002
，即在国家标准化组织3GPP规范TS38.211中表5.7.1-2随机/或根据用户数目的统计信息给出一种可选的RACH配置；并将RACH资源利用率
Figure 233761DEST_PATH_IMAGE003
的初始值设置为0，将RACH资源的更新次数
Figure 227256DEST_PATH_IMAGE004
的初始值设置为
Figure 826865DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤2、基站通过系统信息块SIB2广播可用的RACH资源
Figure 496880DEST_PATH_IMAGE002
；而在5G NR系统中，由于采用了多天线MIMO技术，当基站配置有K根接收天线时空间自由度最大为
Figure 611467DEST_PATH_IMAGE006
，基站每次区分出最多K个用户的序列或信号；
步骤3、上行有数据待发送的用户在基站配置的RACH资源上发起随机接入过程；
步骤4、多输入多输出MIMO系统中基站多根天线所构成的空间自由度用
Figure 657920DEST_PATH_IMAGE006
来表示，某个RACH资源上发起随机接入的用户数用
Figure 922155DEST_PATH_IMAGE007
表示，在该RACH资源上的结果用
Figure 763072DEST_PATH_IMAGE008
来表示，对S状态、I状态、C状态进行重新定义；
Figure 364955DEST_PATH_IMAGE007
的初始值为0。基站预测和估计
Figure 152782DEST_PATH_IMAGE007
的取值时，在基于非竞争的随机接入方式中由基站的寻呼配置得到，在基于竞争的随机接入方式中由长短期记忆网络（LSTM，Long Short-Term Memory）估计得到。
步骤5、基站将统计到的RACH资源利用率
Figure 789300DEST_PATH_IMAGE009
与预先设定的RACH资源利用率门限值
Figure 551851DEST_PATH_IMAGE010
进行比较，并判定
Figure 375450DEST_PATH_IMAGE011
是否超过预设的门限值
Figure 763706DEST_PATH_IMAGE012
；若满足
Figure 192414DEST_PATH_IMAGE013
，则执行步骤6至步骤7；否则，执行步骤8；
步骤6、基站将RACH资源的更新次数
Figure 375133DEST_PATH_IMAGE014
的数值增加1：
Figure 499078DEST_PATH_IMAGE014
=
Figure 628708DEST_PATH_IMAGE014
+1；
步骤7、基站按照RACH资源更新函数来得到更新后的RACH资源数
Figure 708660DEST_PATH_IMAGE015
，更新函数如下：
Figure 593439DEST_PATH_IMAGE016
上式中，非负数
Figure 142363DEST_PATH_IMAGE017
是基站第
Figure 606843DEST_PATH_IMAGE018
次更新RACH资源时的权重值，用于控制RACH资源的更新量；
Figure 806880DEST_PATH_IMAGE019
表示向上取整运算，用于保证每次更新后的RACH资源数目为蜂窝通信系统中最小资源块数目的整数倍；
Figure 596981DEST_PATH_IMAGE020
为使配置的RACH资源利用率不低于设定的阈值而新增加的RACH资源数目；通过调节非负数
Figure 636131DEST_PATH_IMAGE021
来确保每次增加的数目接近最优配置，并返回执行步骤3至步骤5，直至
Figure 904301DEST_PATH_IMAGE022
；
步骤8、在3GPP相关标准表中寻找最接近于此时
Figure 958845DEST_PATH_IMAGE023
值的RACH资源配置，对基站进行配置；重新将基站内RACH资源的利用率
Figure 919848DEST_PATH_IMAGE003
设置为初始值0，RACH资源的更新次数也设置为
Figure 630315DEST_PATH_IMAGE024
，结束RACH资源的更新过程。
作为优选，步骤1中基站包括：处理器和收发器，处理器和收发器相连；处理器用于RACH过程中更新参数值，收发器用于实现RACH配置的广播与解析接收到的Preamble码。
作为优选，步骤1中基站还包括存储器，存储器用于存储RACH更新的配置信息以及RACH过程中的中间量，如S/I/C状态的统计等。
作为优选，收发器具体为接收器和发射器；处理器为中央处理器（CentralProcessing Unit，CPU）、通用处理器、数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）、集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）、其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件中的至少一种；处理器和收发器通过总线相连。
作为优选，存储器为只读存储器（read-only memory，ROM)、可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备、随机存取存储器（random access memory，RAM)、可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备、电可擦可编程只读存储器（Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，EEPROM）、只读光盘（Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM）或其他光盘存储、光碟存储（包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等）或磁盘存储介质。
作为优选，步骤2中当基站配置有K根接收天线时空间自由度最大为K，每个RACH资源上的空闲（Idle，简称I）、成功（Success，简称S）、冲突（Collision，简称C）具体为：
当该RACH资源反馈结果为I状态时，表示该RACH资源上没有检测到用户发送的Preamble序列，该RACH空闲；
当该RACH资源反馈结果为S状态时，表示检测到至少一个但不超过K个用户发送的Preamble序列，该RACH上用户发送的Preamble序列成功；
当该RACH资源反馈结果为C状态时，表示检测到多于K个用户发送Preamble序列，该RACH上发生了冲突。
作为优选，S状态、I状态、C状态定义如下：
Figure 452909DEST_PATH_IMAGE025
上式中，I状态表示RACH资源反馈结果为空闲状态，S状态表示RACH上用户发送Preamble序列成功；C状态表示RACH上发生了冲突；
基站根据检测到的所有RACH资源上S状态总数、I状态总数和C状态总数，统计RACH资源的利用率
Figure 627538DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 759442DEST_PATH_IMAGE026
上式中，
Figure 19522DEST_PATH_IMAGE027
为所有RACH资源上S状态的总数；
Figure 380227DEST_PATH_IMAGE028
为所有RACH资源上I状态的总数；
Figure 409363DEST_PATH_IMAGE029
为所有RACH资源上C状态总数；
Figure 649852DEST_PATH_IMAGE030
为随机接入前导码集合中的Preamble码数目；
Figure 397228DEST_PATH_IMAGE031
为可用的RACH资源个数；
Figure 810892DEST_PATH_IMAGE003
为所有RACH资源的利用率。
作为优选，步骤8中相关标准表为3GPP规范TS38.211中的表5.7.1-2。
本发明的有益效果是：
本发明提出了MIMO系统中基站侧上行随机接入RACH资源的配置与更新方法；本发明可根据基站天线数目、RACH资源的利用率门限值来逐步动态优化RACH资源的配置，使MIMO系统在满足用户/业务接入成功概率需求的前提下，减少系统中随机接入RACH资源的浪费。
同时，设计的上行随机接入资源的配置与基站侧天线配置相关可充分利用MIMO的空间分集特性来提升资源的利用率；且配置更新方法在基站侧执行，只需要基站侧更改随机接入资源的配置信息，不需要进行硬件的更改。同时，用户终端也不需要进行任何更改，即可兼容传统蜂窝无线通信系统中的随机接入协议流程。
附图说明
图1为本发明实施例适用的网络架构图；
图2为现有的蜂窝无线通信系统中的随机接入实施方式流程图；
图3为本发明的上行随机接入资源的配置与更新方法流程图；
图4为MIMO系统中基站使用LSTM网络估计用户数的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种基站的结构化示意图。
附图标记说明：基站500、处理器501、收发器502、存储器503、LSTM网络600、全连接网络A700、全连接网络B800。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
如图2所示，在现有的蜂窝系统（如5G NR系统）中，随机接入过程是由用户在基站配置的固定的随机接入资源上发起的；现有蜂窝通信系统中的随机接入协议基本流程需要完成2次握手过程，共分4步：
初始化：基站通过广播的系统信息块2（System Information Block 2，SIB2）设置随机接入相关的配置消息，如PRACH的时频域位置信息、RACH信道的配置个数等。
第一次握手过程包含第一步和第二步。
第一步，用户发送Msg1（随机接入前导码，即Preamble码），基站接收Msg1。用户从基站广播的系统信息块2（System Information Block 2，SIB2）中得到随机接入相关的配置消息，然后从随机接入前导码（Preamble码）集合（将随机接入前导码集合中的Preamble码数目记为
Figure 445266DEST_PATH_IMAGE032
）中随机选择一个Preamble码，并在基站指示的
Figure 184552DEST_PATH_IMAGE033
个RACH资源，即物理随机接入信道（Physical Random Access CHannel，PRACH）上发送Msg1。相应地，基站在配置了PRACH资源的子帧中检测并解码Msg1，得到Preamble码标识。
第二步，基站反馈Msg2（随机接入响应），用户接收Msg2。基站根据检测到的Preamble码的结果，在物理下行共享信道（Physical Downlink Share Channel，PDSCH）上发送Msg2给用户，并在物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）上发送指示Msg2位置的DCI。其中，Msg2中包含了第一步中解码得到的Preamble码标识、用户标识（用户识别码）、指示Msg3时频域位置的上行调度授权（Uplink Grant，UL Grant）和重传信息（backoff参数）等。用户在随机接入响应（Random Access Response，RAR）窗内侦听PDCCH信道，以便得到指示Msg2在PDSCH上的位置的下行控制消息，并在对应位置的PDSCH上接收并解码Msg2。如果用户解码得到的Preamble码标识与自身的Preamble码标识一致时，则进入竞争解决过程，即第三步；否则，用户将在0到backoff参数之间随机选择一个数值作为退避值，当退避到0后的首个PRACH资源上，执行第一步。
在第一步中，由于用户随机选择RACH资源中的某一个在上面发起随机接入，所以在第二步中，基站在RACH资源上检测到的Preamble码的结果可能会出现三种情况：成功（Success，简写为S），冲突（Collision，简写为C），空闲（Idle，简写为I）。基站根据初始配置的随机接入信道资源上随机接入的用户状态反馈结果。也即，若某个RACH资源上没有用户发起随机接入（发送Preamble码），则该RACH资源上的结果是空闲（I）；若某个RACH资源上有且只有1个用户发起随机接入（发送Preamble码），则该RACH资源上的结果是成功（S）；否则，该RACH资源上的结果是冲突（C）。因此，用
Figure 153645DEST_PATH_IMAGE034
表示某个RACH资源上发起随机接入的用户数，用
Figure 105421DEST_PATH_IMAGE035
表示在该RACH资源上的结果，有
Figure 856952DEST_PATH_IMAGE036
这里，
Figure 439243DEST_PATH_IMAGE037
的初始值为0。在每一次RACH资源配置更新时，基站重新预测和估计
Figure 895632DEST_PATH_IMAGE038
的取值。在基于非竞争的随机接入方式中由基站的寻呼配置得到；在基于竞争的随机接入方式中基站根据上一次随机接入Preamble码的检测结果使用长短期记忆网络（LSTM，LongShort-Term Memory）估计得到。基于竞争的随机接入方式中Preamble码检测期间，基站可以获取preamble的状态。即MIMO系统中基站发送的每个Preamble码的S/I/C状态。使用三元组
Figure 651098DEST_PATH_IMAGE039
表示MIMO系统中第
Figure 509333DEST_PATH_IMAGE040
个随机接入时隙上Preamble码的状态集合。
MIMO系统中基站为了由观测到的随机变量
Figure 341154DEST_PATH_IMAGE041
的状态来估计激活用户数
Figure 284839DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 578417DEST_PATH_IMAGE043
其中，
Figure 291158DEST_PATH_IMAGE044
是随机接入的退避窗长（Backoff Window，BW）内包含的时隙数目；
Figure 28301DEST_PATH_IMAGE045
是第
Figure 459282DEST_PATH_IMAGE040
个随机接入时隙上有新数据到达等待发起随机接入的新激活用户数；
Figure 759814DEST_PATH_IMAGE046
是第
Figure 327061DEST_PATH_IMAGE047
个随机接入时隙上Preamble冲突导致随机接入失败后在第
Figure 484373DEST_PATH_IMAGE040
个随机接入时隙上重新发起随机接入的用户数。因此，随机接入检测结果
Figure 153383DEST_PATH_IMAGE048
（即激活用户数
Figure 54343DEST_PATH_IMAGE042
的概率分布函）建模如下：
Figure 741676DEST_PATH_IMAGE049
Figure 69889DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 413146DEST_PATH_IMAGE051
是MIMO系统中基站发送的每个Preamble码的S/I/C状态的观测值；
Figure 859740DEST_PATH_IMAGE052
是需要预测的结果，分别将
Figure 401580DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 900694DEST_PATH_IMAGE054
作为设计的神经网络的输入和输出。MIMO系统中基站使用LSTM网络估计任一随机接入时隙上发起随机接入的用户数
Figure 527985DEST_PATH_IMAGE055
时，LSTM网络的记忆窗长
Figure 255901DEST_PATH_IMAGE056
要设置为较大的值，比如，比如设置为
Figure 714564DEST_PATH_IMAGE057
长度的几倍。这是因为随机接入冲突的用户重新发起随机接入时要在0到
Figure 587842DEST_PATH_IMAGE058
之间随机选择退避值重新发起随机接入。如果
Figure 702428DEST_PATH_IMAGE059
设置太小，会使得LSTM网络无法记忆全部重传的用户；对应地，如果
Figure 234035DEST_PATH_IMAGE060
设置太大，会浪费计算机的内存资源。通过设置合理的
Figure 750467DEST_PATH_IMAGE061
，即可以丢弃冗余信息，又可以加速神经网络模型的训练。
当
Figure 591384DEST_PATH_IMAGE037
个用户随机选择
Figure 193267DEST_PATH_IMAGE030
个随机接入前导码集合中的Preamble码，等概率地在基站配置的
Figure 528564DEST_PATH_IMAGE033
个RACH资源上发起随机接入时，RACH资源的利用率
Figure 899503DEST_PATH_IMAGE003
定义为基站检测到的所有RACH资源上S状态总数（
Figure 911321DEST_PATH_IMAGE062
）与I状态总数（
Figure 734921DEST_PATH_IMAGE063
）和C状态总数
Figure 870979DEST_PATH_IMAGE064
之和的比值，
Figure 96424DEST_PATH_IMAGE065
可以表示记为
Figure 279144DEST_PATH_IMAGE066
第二次握手过程，即竞争解决过程，包含第三步和第四步。
第三步，用户发送Msg3（调度传输），基站接收Msg3。用户解析Msg2得到UL Grant和用户识别码，并在UL Grant指示的上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）的时频域位置上向基站发送携带用户码标识的Msg3。基站则在UL-SCH上侦听Msg3消息。
第四步，基站反馈Msg4（冲突解决），用户接收Msg4。基站接收并解码Msg3，如果能够正确解码得到用户识别码，则在竞争解决定时器时长内的PDSCH上向用户发送Msg4，同时在PDCCH上发送携带Msg4位置的下行控制消息。用户在竞争解决定时器时长内侦听PDCCH信道，以便接收到下行控制消息，并在PDSCH的相应位置上接收Msg4，表明用户成功完成随机接入。当用户在竞争解决定时器溢出时仍未接收到Msg4，则将Msg3传输次数加1，并判断是否超过Msg3传输允许的最大次数。如果没有超过，则执行第三步；如果超过，则将Msg1的传输次数加1，判断是否超过Msg1传输允许的最大次数，如果不超过，则按照重传参数执行退避后再执行第一步；如果超过，则视为用户随机接入失败。
由RACH资源的利用率
Figure 855619DEST_PATH_IMAGE003
可以知道，
Figure 532719DEST_PATH_IMAGE067
是
Figure 409408DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 28608DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure 577532DEST_PATH_IMAGE034
的函数。在上式中，基站可以根据需求的RACH资源利用率
Figure 245274DEST_PATH_IMAGE067
需求来合理的配置随机接入前导码集合中的Preamble码总数
Figure 445311DEST_PATH_IMAGE068
以及基站配置的RACH资源数
Figure 235413DEST_PATH_IMAGE070
。鉴于一般情况下
Figure 255321DEST_PATH_IMAGE071
是固定的，上行随机接入用户数
Figure 336541DEST_PATH_IMAGE034
给定时，可以由下列优化问题很容易推导出满足RACH资源的利用率门限值
Figure 391085DEST_PATH_IMAGE072
的最小RACH资源配置数
Figure 289770DEST_PATH_IMAGE069
。
Figure 62554DEST_PATH_IMAGE073
从上述随机接入流程可以看出在现有的随机接入过程中，基站在RACH资源上检测到的Preamble码的结果与基站天线数无关。而实际上，在MIMO系统中，当基站配置
Figure 888078DEST_PATH_IMAGE074
根天线时，由多天线形成的空间自由度，是可以在基站侧同时区分开
Figure 797128DEST_PATH_IMAGE075
个用户的数据的。也即，当用户发起随机接入时，多于
Figure 194611DEST_PATH_IMAGE075
个用户使用同样的RACH资源才可以被认为是冲突的。因此，现有的随机接入协议没有很好地将新一代蜂窝系统中MIMO的空间优势发挥出来。
实施例一
本申请实施例一提供了一种如图1所示随机接入资源配置的更新方法适用的网络架构图；包括基站、用户设备。在该网络架构中，随机接入过程是由用户或基站触发的。触发条件包含用户的初始接入，如UE从RRC_IDLE态到RRC_CONNETTED态；无线链路重建立，保证UE在无线链路失败后重新建立无线连接和切换等条件。由用户触发的随机接入过程，用户在基站配置的随机接入资源RACH上发起随机接入过程；由基站触发的随机接入过程基站先通过广播或寻呼信令通知用户，再由用户在基站配置的随机接入资源RACH上发起随机接入过程。
与传统蜂窝通信系统一样，在MIMO系统中，RACH资源上的结果可能会出现三种情况：成功（Success，简写为S），冲突（Collision，简写为C），空闲（Idle，简写为I）。当某个RACH资源上没有用户发起随机接入，则该RACH资源上的结果是空闲（I）；当某个RACH资源上有用户但不超过
Figure 189112DEST_PATH_IMAGE075
个用户发起随机接入，则该RACH资源上的结果是成功（S）；否则，该RACH资源上的结果是冲突（C）。但由于MIMO系统中S/I/C状态的定义与传统蜂窝通信系统中S/I/C状态定义不同。在一个基站配置
Figure 815397DEST_PATH_IMAGE075
根天线的MIMO系统中，用
Figure 47795DEST_PATH_IMAGE038
表示某个RACH资源上发起随机接入的用户数，用
Figure 85021DEST_PATH_IMAGE076
表示在该RACH资源上的结果，S/I/C状态定义如下
Figure 832397DEST_PATH_IMAGE077
和传统蜂窝通信系统类似，当
Figure 511640DEST_PATH_IMAGE034
个用户随机选择
Figure 146015DEST_PATH_IMAGE068
个随机接入前导码集合中的Preamble码，等概率地在基站配置的
Figure 557405DEST_PATH_IMAGE078
个RACH资源上发起随机接入时，RACH资源的利用率
Figure 526498DEST_PATH_IMAGE003
定义为基站检测到的所有RACH资源上S状态总数（
Figure 743852DEST_PATH_IMAGE079
）与I状态总数（
Figure 29471DEST_PATH_IMAGE080
）和C状态总数
Figure 877342DEST_PATH_IMAGE081
之和的比值，
Figure 130468DEST_PATH_IMAGE003
可以表示记为
Figure 89197DEST_PATH_IMAGE082
其中，
Figure 947432DEST_PATH_IMAGE079
是用户数
Figure 510744DEST_PATH_IMAGE034
、基站天线数
Figure 188850DEST_PATH_IMAGE075
、随机接入前导码集合中的Preamble码总数
Figure 13586DEST_PATH_IMAGE083
，以及基站配置的RACH资源数
Figure 726327DEST_PATH_IMAGE084
的函数，但与传统蜂窝通信系统不同，
Figure 916000DEST_PATH_IMAGE079
不能再像传统蜂窝网络中的
Figure 97714DEST_PATH_IMAGE085
一样可以直观地写出其表达式。因此，基站也不能再能简单地根据需求的RACH资源利用率
Figure 194983DEST_PATH_IMAGE003
需求来辅助基站直观地配置RACH资源数
Figure 27810DEST_PATH_IMAGE084
。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了一种如图3所示适用于实施例一种网络架构的随机接入资源配置的更新方法：
第一步：基站初始化配置可用的随机接入资源
Figure 185122DEST_PATH_IMAGE069
，即在国际标准化组织3GPP规范TS38.211中表5.7.1-2随机给出一种可选的RACH配置。并将RACH资源的利用率
Figure 588552DEST_PATH_IMAGE003
的初始值为0，RACH资源的更新次数
Figure 692775DEST_PATH_IMAGE086
。
第二步：基站在广播上通过系统信息块（SIB2）广播可用的随机接入RACH资源配置
Figure 380108DEST_PATH_IMAGE070
。
第三步：上行有数据要发送的用户在基站配置的RACH资源上发起随机接入过程。
第四步：基站根据检测到的所有RACH资源上S状态总数（
Figure 973900DEST_PATH_IMAGE079
）与I状态总数（
Figure 113895DEST_PATH_IMAGE087
）和C状态总数
Figure 303699DEST_PATH_IMAGE088
，统计随机接入RACH资源的利用率
Figure 845538DEST_PATH_IMAGE089
Figure 344653DEST_PATH_IMAGE090
这里，在一个基站配置
Figure 971943DEST_PATH_IMAGE091
根天线的MIMO系统中，用
Figure 980087DEST_PATH_IMAGE092
表示某个RACH资源上发起随机接入的用户数，用
Figure 642012DEST_PATH_IMAGE093
表示在该RACH资源上的结果，S/I/C状态定义如下：
Figure 312028DEST_PATH_IMAGE077
第五步：基站将统计到的随机接入RACH资源利用率
Figure 364297DEST_PATH_IMAGE094
与预先设定的随机接入RACH资源利用率门限值
Figure 410751DEST_PATH_IMAGE095
比较，并判定
Figure 943494DEST_PATH_IMAGE096
是否超过预设的门限值
Figure 784412DEST_PATH_IMAGE097
（
Figure 120715DEST_PATH_IMAGE098
）。若满足，转到第六步；否则，转到第八步。
第六步：基站将RACH资源更新次数
Figure 705280DEST_PATH_IMAGE099
的数值增加1。
第七步：基站按照RACH资源更新函数来得到更新后的RACH资源数
Figure 826951DEST_PATH_IMAGE100
，更新函数如下：
Figure 42032DEST_PATH_IMAGE101
其中，非负数
Figure 131210DEST_PATH_IMAGE102
是基站第
Figure 253887DEST_PATH_IMAGE103
次更新RACH资源时的权重值，用于控制资源的更新量；
Figure 744911DEST_PATH_IMAGE104
表示向上取整运算，是为了保证每次更新后的RACH资源数目为蜂窝通信系统中最小资源块数目的整数倍；
Figure 678363DEST_PATH_IMAGE105
是为了使配置的RACH资源利用率不低于设定的阈值而新增加的RACH资源数目。这里，可以通过调节非负数
Figure 989259DEST_PATH_IMAGE106
来确保每次增加的数目越来越近最优配置，并返回第三步。
第八步：基站在3GPP规范TS38.211中的表5.7.1-2中寻找最接近于此时
Figure 915627DEST_PATH_IMAGE070
值的配置进行配置，基站重新将RACH资源的利用率
Figure 261157DEST_PATH_IMAGE089
设置为初始值为0，RACH资源的更新次数
Figure 362581DEST_PATH_IMAGE107
，结束RACH资源的更新过程。
需要说明的是，在上述第二步中，传统的4G网络中每个RACH资源上可能有0个、1个或者多个用户发送自己的Preamble序列，即每个RACH资源上的空闲/成功/冲突（Idle/Success/Collision，I/S/C）解释如下：反馈结果为I表示该RACH资源上没有检测到用户发送Preamble序列；为S表示检测测到1个用户发送Preamble序列，因而发送成功；为C表示检测到多个用户发送其Preamble序列，发生了冲突。而在5G NR系统中，由于采用了多天线MIMO技术，当基站配置有K根接收天线时基站每次可以区分出最多K个用户的序列/信号。因此，此时每个RACH资源上的空闲/成功/冲突（Idle/Success/Collision，I/S/C）解释如下：反馈结果为I表示该RACH资源上没有检测到用户发送Preamble序列；为S表示检测测到K个用户发送Preamble序列，因而发送成功；为C表示检测到多于K个用户发送其Preamble序列，发生了冲突。
图4为本实施例中MIMO系统基站使用LSTM网络估计用户数的流程图。MIMO系统中，基站配置RACH资源时，由于无法准确获取随机接入的用户数，因此
Figure 426352DEST_PATH_IMAGE108
的初始值为0。在每一次RACH资源配置更新时，基站重新预测和估计
Figure 156411DEST_PATH_IMAGE108
的取值。在基于非竞争的随机接入方式中由基站的寻呼配置得到；在基于竞争的随机接入方式中基站根据上一次随机接入Preamble码的检测结果使用如图4所示长短期记忆网络（LSTM，Long Short-Term Memory）估计得到。基于竞争的随机接入方式中Preamble码检测期间，基站可以获取preamble的状态。即MIMO系统中基站发送的每个Preamble码的S/I/C状态。使用三元组
Figure 356448DEST_PATH_IMAGE109
表示MIMO系统中第
Figure 84232DEST_PATH_IMAGE040
个随机接入时隙上Preamble码的状态集合。
MIMO系统中基站为了由观测到的随机变量
Figure 120453DEST_PATH_IMAGE110
的状态来估计激活用户数
Figure 654202DEST_PATH_IMAGE111
，
Figure 708746DEST_PATH_IMAGE112
其中，
Figure 669749DEST_PATH_IMAGE113
是随机接入的退避窗长（Backoff Window，BW）内包含的时隙数目；
Figure 193265DEST_PATH_IMAGE114
是第
Figure 999547DEST_PATH_IMAGE040
个随机接入时隙上有新数据到达等待发起随机接入的新激活用户数；
Figure 174176DEST_PATH_IMAGE115
是随机接入Preamble冲突导致随机接入失败后在第
Figure 306080DEST_PATH_IMAGE116
个随机接入时隙上重新发起随机接入的用户数。因此，随机接入检测结果
Figure 51314DEST_PATH_IMAGE117
（即激活用户数
Figure 926866DEST_PATH_IMAGE118
的概率分布函数）建模如下：
Figure 690422DEST_PATH_IMAGE119
Figure 993228DEST_PATH_IMAGE120
其中，
Figure 228687DEST_PATH_IMAGE121
是MIMO系统中基站发送的每个Preamble码的S/I/C状态的观测值；
Figure 642351DEST_PATH_IMAGE122
是需要预测的结果，分别将
Figure 525993DEST_PATH_IMAGE123
和
Figure 999700DEST_PATH_IMAGE124
作为设计的神经网络的输入和输出。
在本实施例中，MIMO系统基站基于LSTM网络预测和估计随机接入用户数的网络中包含LSTM单元和两个全连接（Fully Connected，FC）网络。LSTM网络600的循环线长度为BW长度的最大值；对于LSTM单元而言，其输入为MIMO系统中第
Figure 719525DEST_PATH_IMAGE040
个随机接入时隙上Preamble码的状态集合，即三元组
Figure 936880DEST_PATH_IMAGE125
，因此，输入节点设置数目设置额为3；隐层节点数目越多，网络的训练性能越好，然而训练复杂度也会随之增加，为兼顾系统性能和降低复杂度，隐层节点数目设置与退避窗长
Figure 675029DEST_PATH_IMAGE126
相同。其中全连接网络A700的输入为BW维，输出为BW/2维；全连接网络B800的输入为BW/2维，输出为1维；对全连接网络（全连接网络A700和全连接网络B800）而言，输出维度从
Figure 319637DEST_PATH_IMAGE113
维降到1维，输出用于估计预测MIMO系统中发起等待发起随机接入的激活用户数
Figure 979288DEST_PATH_IMAGE127
的概率分布函数
Figure 485487DEST_PATH_IMAGE128
。
在本实施例中，MIMO系统中基站使用LSTM网络估计任一随机接入时隙上发起随机接入的用户数
Figure 343722DEST_PATH_IMAGE129
时，LSTM网络的记忆窗长
Figure 159231DEST_PATH_IMAGE130
要设置为较大的值，因为随机接入冲突的用户重新发起随机接入时要在0到
Figure 102916DEST_PATH_IMAGE131
之间随机选择退避值重新发起随机接入。如果
Figure 412806DEST_PATH_IMAGE132
设置太小，会使得LSTM网络无法记忆全部重传的用户；对应地，如果
Figure 125547DEST_PATH_IMAGE133
设置太大，会浪费计算机的内存资源。通过设置合理的
Figure 111957DEST_PATH_IMAGE134
，即可以丢弃冗余信息，又可以加速神经网络模型的训练。训练时将LSTM网络的记忆窗长设置为最大
Figure 277360DEST_PATH_IMAGE126
长度。
图5为本实施例提供了一种基站的结构化示意图。本发明实施例中的基站可以是图2至图4所示任一实施例提供的基站。图5所示的基站500包括：处理器501和收发器502。其中，处理器501用于RACH过程中更新参数值，收发器502用于实现RACH配置的广播与解析接收到的Preamble码等功能，处理器501和收发器502相连，例如通过总线相连。基站500还可以包括存储器503，用于存储RACH更新的配置信息以及RACH过程中的中间量，比如S/I/C状态的统计等。需要说明的是本实施例对处理器501和收发器502的数量不做限定，该基站500的结构并不构成对本实施例的限定。收发器502可以通过接收器和发射器来实现。
在本实施例中，处理器501可以是中央处理器（Central Processing Unit，CPU），通用处理器，数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP），集成电路（ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC），现场可编程逻辑门阵列（Field-ProgrammableGate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明的逻辑方框，模块和电路。处理器501也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。
存储器503可以是只读存储器（read-only memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器（random access memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器（ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、只读光盘（Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM）或其他光盘存储、光碟存储（包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等）、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。
具体实现中，本发明实施例中所描述的处理器501、收发器502可执行图2所示的现有的蜂窝无线通信系统中的随机接入流程或图3所示的本发明中基站所执行的随机接入方法，在此不再赘述。
计算机可读存储介质可以是任一基站的内部存储单元，例如基站的硬盘或内存。计算机可读存储介质也可以是基站的外部存储设备，例如基站上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（FlashCard）等。进一步地，计算机可读存储介质还可以既包括基站的内部存储单元也包括外部存储设备。计算机可读存储介质用于存储计算机程序以及基站所需的其他程序和数据。计算机可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

Claims (6)

1.一种多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基站初始化：配置可用的RACH资源
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；并将RACH资源利用率
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的初始值设置为0，将RACH资源的更新次数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的初始值设置为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤2、基站通过系统信息块SIB2广播可用的RACH资源
Figure 532955DEST_PATH_IMAGE001
；当基站配置有K根接收天线时空间自由度最大为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，基站每次区分出K个用户的序列或信号；
步骤3、上行有数据待发送的用户在基站配置的RACH资源上发起随机接入过程；
步骤4、为多输入多输出MIMO系统中的每个基站配置多根天线，构成的空间自由度用
Figure DEST_PATH_IMAGE006
来表示；用
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示RACH资源上等待发起随机接入的激活用户数，用
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示在该RACH资源上的结果，对S状态、I状态、C状态进行重新定义；
Figure 168205DEST_PATH_IMAGE007
的初始值为0，基站重新预测和估计
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的取值时，在基于非竞争的随机接入方式中，RACH资源上等待发起随机接入的激活用户数
Figure DEST_PATH_IMAGE010
由基站的寻呼配置得到；在基于竞争的随机接入方式中，基站根据上一次随机接入Preamble码的检测结果使用长短期记忆网络估计得到RACH资源上等待发起随机接入的激活用户数
Figure 744680DEST_PATH_IMAGE007
；S状态、I状态、C状态定义如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
上式中，I状态表示RACH资源反馈结果为空闲状态，S状态表示RACH上用户发送Preamble序列成功；C状态表示RACH上发生了冲突；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
的初始值为0；
在每一次RACH资源配置更新时，基站重新预测和估计
Figure 671047DEST_PATH_IMAGE012
的取值；在基于非竞争的随机接入方式中，RACH资源上等待发起随机接入的激活用户数
Figure 78895DEST_PATH_IMAGE012
由基站的寻呼配置得到；在基于竞争的随机接入方式中，基站根据上一次随机接入Preamble码的检测结果使用长短期记忆网络估计得到RACH资源上等待发起随机接入的激活用户数
Figure 635778DEST_PATH_IMAGE012
；基于竞争的随机接入方式中Preamble码检测期间，基站获取preamble的状态；使用三元组
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示MIMO系统中第
Figure DEST_PATH_IMAGE014
个随机接入时隙上Preamble码的状态集合；MIMO系统中基站由观测到的随机变量
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的状态来估计激活用户数
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是随机接入的退避窗长内包含的时隙数目；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
是第
Figure 152079DEST_PATH_IMAGE014
个随机接入时隙上有新数据到达等待发起随机接入的新激活用户数；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是第
Figure DEST_PATH_IMAGE021
个随机接入时隙上Preamble冲突导致随机接入失败后在第
Figure DEST_PATH_IMAGE022
个随机接入时隙上重新发起随机接入的用户数；因此，随机接入检测结果
Figure DEST_PATH_IMAGE023
建模如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
Figure DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 865826DEST_PATH_IMAGE026
是MIMO系统中基站发送的每个Preamble码的S/I/C状态的观测值，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
是需要预测的结果，分别将
Figure 331443DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029
作为长短期记忆网络的输入和输出；
基站根据检测到的所有RACH资源上S状态总数、I状态总数和C状态总数，统计RACH资源的利用率
Figure DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为所有RACH资源上S状态的总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为所有RACH资源上I状态的总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为所有RACH资源上C状态总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为随机接入前导码集合中的Preamble码数目；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为可用的RACH资源个数；
Figure 308495DEST_PATH_IMAGE002
为所有RACH资源的利用率；
步骤5、基站将统计到的RACH资源利用率
Figure DEST_PATH_IMAGE037
与预先设定的RACH资源利用率门限值
Figure DEST_PATH_IMAGE038
进行比较，并判定
Figure DEST_PATH_IMAGE039
是否超过预设的门限值
Figure DEST_PATH_IMAGE040
；若满足
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，则执行步骤6至步骤7；否则，执行步骤8；
步骤6、基站将RACH资源的更新次数
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的数值增加1：
Figure 249775DEST_PATH_IMAGE042
=
Figure 580262DEST_PATH_IMAGE042
+1；
步骤7、基站按照RACH资源更新函数来得到更新后的RACH资源数
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，更新函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
上式中，非负数
Figure DEST_PATH_IMAGE045
是基站第
Figure DEST_PATH_IMAGE046
次更新RACH资源时的权重值；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
表示对
Figure DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure DEST_PATH_IMAGE049
的乘积进行向上取整运算；通过调节非负数
Figure DEST_PATH_IMAGE050
来确保每次增加的数目接近最优配置，并返回执行步骤3至步骤5，直至
Figure DEST_PATH_IMAGE051
；
步骤8、在3GPP相关标准表中寻找最接近于此时
Figure DEST_PATH_IMAGE052
值的RACH资源配置，对基站进行配置；重新将基站内RACH资源的利用率
Figure 415232DEST_PATH_IMAGE002
设置为初始值0，RACH资源的更新次数也设置为
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，结束RACH资源的更新过程。
2.根据权利要求1所述多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法，其特征在于，步骤1中基站包括：处理器（501）和收发器（502），处理器（501）和收发器（502）相连；处理器（501）用于RACH过程中更新参数值，收发器（502）用于配置RACH的广播与解析接收到的Preamble码。
3.根据权利要求1所述多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法，其特征在于：步骤1中基站还包括存储器（503），存储器（503）用于存储RACH更新的配置信息以及RACH过程中的中间量。
4.根据权利要求2所述多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法，其特征在于：收发器（502）具体为接收器和发射器；处理器（501）为中央处理器、通用处理器、数字信号处理、集成电路、现场可编程逻辑门阵列、其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件中的至少一种；处理器（501）和收发器（502）通过总线相连。
5.根据权利要求3所述多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法，其特征在于：存储器（503）为只读存储器、静态存储设备、随机存取存储器、动态存储设备、电可擦可编程只读存储器、只读光盘、光碟存储或磁盘存储介质。
6.根据权利要求1所述多天线MIMO场景下随机接入资源的配置与更新方法，其特征在于，步骤2中当基站配置有K根接收天线时空间自由度最大为K，每个RACH资源上的空闲、成功、冲突具体为：
当该RACH资源反馈结果为I状态时，表示该RACH资源上没有检测到用户发送的Preamble序列，该RACH空闲；
当该RACH资源反馈结果为S状态时，表示检测到至少一个但不超过用户发送数量个Preamble序列，该RACH上用户发送Preamble序列成功；
当该RACH资源反馈结果为C状态时，表示检测到多于K个用户发送Preamble序列，该RACH上发生了冲突。
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