CN114007277A - 一种基于功率优先级的随机接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于功率优先级的随机接入方法。利用碰撞的前导码中定时提前量（Timing Advance,TA）的差异，在用户接入失败时快速进行重试，并在基站端根据用户接收功率的不同，根据用户的功率优先级并采用迭代干扰消除（Successive Interference Cancellation,SIC）算法依次解调各用户的数据信息，从而解决多个用户使用相同的上行链路资源发送数据信息而产生的碰撞。本发明针对大量设备频繁进行随机接入导致信道中发生严重冲突问题，给出了随机接入的具体方案，并且解决了多个用户使用相同的上行链路资源而导致的冲突问题，进而显著提高用户随机接入的成功率。

Description

一种基于功率优先级的随机接入方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于功率优先级的随机接入方法。
背景技术
在基于竞争的随机接入方案中，其中有一种随机接入方案是利用随机接入过程中的定时提前（Timing Advance,TA）命令来进行随机接入。即当不同用户在相同的物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）上传送相同的前导时，基站可以利用检测的TA值来区分选择同一导频的用户，从而缓解导频碰撞。
针对大量设备频繁进行随机接入导致信道中发生严重冲突问题，Jiawei Zhang等人提出了一种利用碰撞前导码中TA值差异的随机接入方案，但该方案仍然无法解决多个用户使用相同的上行链路资源而导致的冲突问题。
因此，亟需一种随机接入方法，以解决多个用户使用相同上行链路资源而导致的冲突问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于功率优先级的随机接入方法，以解决多个用户使用相同上行链路资源而导致的冲突问题。
本发明采用以下技术方案：
一种基于功率优先级的随机接入方法，包括步骤：
S1、用户进入随机接入的时隙TS1；
S2、用户在导频集合选择前导码，并将所选前导码对应的导频序列发送至基站；
S3、基站检测各用户发送的导频序列，以获取TA值；
S4、基站根据各前导码下检测的TA值，分配上行链路资源至各前导码下的用户；
S5、基站通过RAR消息，将各用户分配到的上行链路资源、所选前导码下的TA值发送至相应用户；
S6、用户利用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3，消息Msg3包括用户识别码，并执行步骤S7，未分配到上行链路资源的用户，将其所选前导码下的TA值作为候选TA值，并执行步骤S8；
S7、基站检测消息Msg3，并根据检测结果向用户发送消息Msg4，若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户，将其所选前导码下的TA值同样作为候选TA值，并执行步骤S8；
S8、用户进入随机接入的时隙TS2，并在重复步骤S2-S3之后执行步骤S9；
S9、基站根据各前导码下的TA值，以及TA值与所有候选TA值的匹配情况，分配上行链路资源至相应用户，未分配到上行链路资源的用户接入失败；
S10、基站通过RAR消息，将各用户分配到的上行链路资源、所选前导码下的TA值发送至相应用户；
S11、用户根据时隙TS2中所选前导码下的TA值与时隙TS1中所选前导码下的候选TA值的匹配情况，判断是否使用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3，若发送则执行步骤S12，若不发送则用户随机接入失败；
S12、基站检测消息Msg3，并根据检测结果向用户发送消息Msg4，若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户随机接入失败。
作为优选方案，步骤S2中，用户在相互正交的归一化导频集合中选择前导码。
作为优选方案，步骤S3中，包括步骤：
S3.1、基站对导频序列进行采样，以得到采样样本；
S3.2、将采样样本与导频序列进行自相关运算，进而检测获取所有TA值。
作为优选方案，步骤S3.2中，若基站在一个导频序列中检测到的两个TA值之差小于可检测宽度，则基站取两个TA值的平均值作为此前导码下所检测到的TA值。
作为优选方案，步骤S4中，若前导码下仅存在一个TA值，则分配上行链路资源至选择该前导码的所有用户，若存在多个TA值，则不分配上行链路资源。
作为优选方案，步骤S7与步骤S12中，基站根据用户的功率优先级对选择同一上行链路资源的用户进行降序排序，并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息。
作为优选方案，所述采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，具体为：
若上行链路资源中的每个功率等级最多被一个用户选择时，则所有用户的数据信息按照功率等级由高到底依次被解调，若相应功率等级被多个用户选择，则该功率等级对应的用户的数据信息无法被解调。
作为优选方案，步骤S9中，具体为：
若前导码下仅存在一个TA值，则分配上行链路资源至选择该前导码的所有用户，若前导码下存在多个TA值，则判断多个TA值是否存在与候选TA值匹配的TA值，若存在则分配上行链路资源至该TA值对应的用户。
作为优选方案，步骤S11中，具体为：
若用户在时隙TS2中所选前导码下只检测到一个TA值与该用户在时隙TS1中所选前导码下的候选TA值匹配，则用户使用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3，并执行步骤S12，若用户在时隙TS2中所选前导码下检测到多个TA值或没有TA值与该用户在时隙TS1中所选前导码下的候选TA值匹配，则用户随机接入失败。
作为优选方案，步骤S9与步骤S11中，时隙TS2中前导码下的TA值与时隙TS1中的候选TA值之间的差值小于匹配阈值，则匹配成功。
本发明的有益效果是：
针对大量设备频繁进行随机接入导致信道中发生严重冲突问题，给出了随机接入的具体方案，并且解决了多个用户使用相同的上行链路资源而导致的冲突问题，进而提高了用户随机接入的成功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种基于功率优先级的随机接入方法的流程示意图；
图2是时隙TS1中用户随机接入的示意图；
图3是时隙TS2中用户随机接入的示意图；
图4是用户的接入成功概率对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参照图1，本实施例提供一种基于功率优先级的随机接入方法，
包括步骤：
S1、用户进入随机接入的时隙TS1；
S2、用户在导频集合选择前导码，并将所选前导码对应的导频序列发送至基站；
S3、基站检测各用户发送的导频序列，以获取定时提前（Timing Advance，TA）值；
S4、基站根据各前导码下检测的TA值，分配上行链路资源至各前导码下的用户；
S5、基站通过随机接入响应（Random Access Response，RAR）消息，将各用户分配到的上行链路资源、所选前导码下的TA值发送至相应用户；
S6、用户利用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3（Message 3），消息Msg3包括用户识别码，并执行步骤S7，未分配到上行链路资源的用户，将其所选前导码下的TA值作为候选TA值，并执行步骤S8；
S7、基站检测消息Msg3，并根据检测结果向用户发送消息Msg4（Message 4），若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户，将其所选前导码下的TA值同样作为候选TA值，并执行步骤S8；
S8、用户进入随机接入的时隙TS2，并在重复步骤S2-S3之后执行步骤S9；
S9、基站根据各前导码下的TA值，以及TA值与所有候选TA值的匹配情况，分配上行链路资源至相应用户，未分配到上行链路资源的用户接入失败；
S10、基站通过RAR消息，将各用户分配到的上行链路资源、所选前导码下的TA值发送至相应用户；
S11、用户根据时隙TS2中所选前导码下的TA值与时隙TS1中所选前导码下的候选TA值的匹配情况，判断是否使用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3，若发送则执行步骤S12，若不发送则用户随机接入失败；
S12、基站检测消息Msg3，并根据检测结果向用户发送消息Msg4，若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户随机接入失败。
可见，本实施例针对大量设备频繁进行随机接入导致信道中发生严重冲突问题，给出了随机接入的具体方案，并且采用SIC算法进行用户数据解调解决了多个用户使用相同的上行链路资源而导致的冲突问题。进而提高了用户随机接入的成功率。
下面结合具体的例子，对方案进行详细解说：
在本实施例中，我们将用户均匀部署在半径为dc=500m的小区中，基站位于小区中心位置，整个随机接入过程被分为两个时隙，分别定义为TS1和TS2，在一个时隙中可用的前导码数为12。
首先进入时隙TS1，步骤S2中，用户随机在相互正交的归一化导频集合
Figure DEST_PATH_IMAGE001
中选择一个前导码，每个导频的长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，并将所选导频序列和导频索引发送至基站。
进一步地，
步骤S3中，包括步骤：
S3.1、基站对导频序列进行采样，以得到采样样本；
S3.2、将采样样本与导频序列进行自相关运算，进而检测获取所有TA值。
步骤S3.2中，若基站在一个导频序列中检测到的两个TA值之差小于可检测宽度，则基站取两个TA值的平均值作为此前导码下所检测到的TA值。
需要说明的是，TA平均值是指在一个导频序列中检测到两个TA值Ti与Tj，并且两TA值之差
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，则取两个TA值的平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
作为此前导码下的TA值；
进一步地，
步骤S4、S5中，对于每个要检测的前导码，如果只检测到一个TA值，则基站给该前导码分配上行链路资源，与TA值一起在RAR中传输，如果检测到多个TA值，则不分配上行链路资源。如图2及表1所示，只考虑6个用户和3个导频情况下，基站分别从导频2和导频3中检测到一个TA值，基站则为它们分配上行链路资源，导频1则不分配，因为检测到两个TA值。图2中打√的表示随机接入成功（图3中打√的含义一致）。表1中分配上行链路资源的则用“UL”表示。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表1 各时隙及各导频链路资源情况表
步骤S6中，用户检测接收的RAR消息，有两种可能情况：
如果用户所选择的前导码下只检测到一个TA值，此时用户利用步骤S4分配的上行资源向基站发送Msg3，并发送用户识别码信息，并执行步骤S7；
如果检测到多个TA值，用户并不认为这种情况是接入失败，而是记录该前导码下的多个TA值作为候选TA值，然后进入TS2重新申请接入；参照图2及表1所示，用户2和用户4都选择了导频1，并检测到2个TA值，则将0.28、1.21记录下来作为候选TA值，并执行步骤S8。
进一步，进行冲突解决：
在步骤S7中，基站检测Msg3，并根据检测结果向用户发送Msg4，若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户，将其所选前导码下的TA值同样作为候选TA值，并执行步骤S8；
其中SIC算法解调用户信息的过程如下：
在用户发送数据前，假设有预先设定好的L个功率等级
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。当用户发送数据信号时，每个用户从L个功率等级中随机选择一个功率等级P1。在冲突解决过程中，当多个用户使用相同的上行链路资源发送数据信息时，基站首先检测最高接收功率等级的用户的数据信息，若只有一个用户选择功率等级L传输信号，则能成功检测，并将此用户的数据信息进行干扰消除。同理，对于剩下的L-1个功率等级，当每个功率等级最多被一个用户选择时，则所有用户信号可以按照功率等级PL到P1的顺序成功解调。否则，基站无法正确解调此资源块其余用户的数据信息，这些用户将进TS2重新申请接入。参照图2及表1所示，用户3，用户5和用户6使用了相同的上行资源发送数据信息，假设它们在发送数据信号时，分别选择了功率等级2，2，3，则用户6能够被成功解调，用户3和用户5将进入TS2重新申请接入，此时同时记录2.01作为候选TA值。
在记录候选TA值，以及选定重新申请接入的用户后，下面即进入时隙TS2，重试阶段：
在时隙TS2中用户重新在导频集合选择前导码，并将导频序列发送至基站；
基站检测各用户发送的导频序列，以获取所有TA值，这里检测的方法与时隙TS1中所述一致，不作过多赘述。
进一步，
基站根据各前导码下的TA值，以及TA值与所有候选TA值的匹配情况，分配上行链路资源至相应用户，未分配到上行链路资源的用户接入失败，具体地：
对于仅有一个TA值的前导码，基站分配相应上行链路资源至该前导码对应的用户，对于存在多个TA值的前导码，基站判断这些TA值是否与时隙TS1中记录的候选TA值匹配，若存在匹配，则给匹配的TA值对应的用户分配相应上行链路资源。参照图3及表1所示，在TS2中，导频1和导频3被检测到多个TA值，此时基站会将这些TA值与TS1中记录的候选TA值进行比较，对于导频1，只有一个TA值（2.01us）能与TS1中的候选TA值匹配上，则上行资源被分配给TA值（2.01us）对应的用户，导频3有两个匹配的TA值（0.28us，2.02us），即给TA值（0.28us，2.02us）对应用户分配上行资源。这里需要说明的是，当TA值与候选TA值之间的差值小于匹配阈值，则匹配成功，本实施例中匹配阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
进一步，基站通过RAR消息，将各用户分配到的上行链路资源、所选前导码下的TA值发送至相应用户；
用户检测接收到的RAR消息，若用户时隙TS2中所选前导码下只检测到一个TA值与该用户时隙TS1中所选前导码下的候选TA值匹配，则用户使用相应上行链路资源向基站发送Msg3，并执行步骤S12，若用户时隙TS2中所选前导码下检测到多个TA值或没有TA值与该用户时隙TS1中所选前导码下的候选TA值匹配，则用户随机接入失败。参照图2、3以及表1，例如UE2在TS2中选择了导频3，则将新收到的TA值（0.28us，2.02us）与TS1中其所选前导码下的候选TA值（0.28us，1.21us）进行比较，UE2发现其TA值只能是0.28us，因此使用分配到的上行链路资源向基站发送Msg3；UE3也将TS2中收到的TA值（0.28us，2.02us）与TS1中其所选前导码下的候选TA值（2.01us）进行比较，并以2.02us完成匹配，并使用分配到的上行链路资源向基站发送Msg3；UE5也执行相同的操作,并以2.01us完成匹配。对于无导频碰撞的情况，如TS2中的UE4，只需进行四步握手即可完成随机接入。如果有多个TA值或没有TA值与相应候选TA值匹配，则用户随机接入失败。需要说明的是，此处判断是否匹配的匹配阈值条件与上述与所有候选TA值匹配时的匹配阈值条件一致，均为0.15。
进一步，进行冲突解决：
基站检测Msg3，并根据检测结果向用户发送Msg4，若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户随机接入失败。此步骤与时隙TS1中类似，此处不作过多赘述。
在本实例中，使用MATLAB R2018a模拟上述步骤进行仿真实验，并将用户数设置为1~20，时隙数设置为2，正交导频数设置为12，功率等级数设为3，可检测宽度dw设为0.9us，匹配阈值mt设为0.15us。计算不同用户数情况下，接入成功的用户数，将此过程多次循环，计算出用户的接入成功概率如图4所示。其中，P1, P2分别表示接入时隙TS1，TS2中用户的接入成功率，P表示两个时隙的接入成功总概率。从图中可以看出，随着用户数的增加，本文所提方案的接入成功概率明显优于TARA方案，TARA方案即上述Jiawei Zhang等人提出的一种利用碰撞前导码中TA值差异的随机接入方案。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，包括步骤：
S1、用户进入随机接入的时隙TS1；
S2、用户在导频集合选择前导码，并将所选前导码对应的导频序列发送至基站；
S3、基站检测各用户发送的导频序列，以获取TA值；
S4、基站根据各前导码下检测的TA值，分配上行链路资源至各前导码下的用户；
S5、基站通过RAR消息，将各用户分配到的上行链路资源、所选前导码下的TA值发送至相应用户；
S6、用户利用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3，消息Msg3包括用户识别码，并执行步骤S7，未分配到上行链路资源的用户，将其所选前导码下的TA值作为候选TA值，并执行步骤S8；
S7、基站检测消息Msg3，并根据检测结果向用户发送消息Msg4，若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户，将其所选前导码下的TA值同样作为候选TA值，并执行步骤S8；
S8、用户进入随机接入的时隙TS2，并在重复步骤S2-S3之后执行步骤S9；
S9、基站根据各前导码下的TA值，以及TA值与所有候选TA值的匹配情况，分配上行链路资源至相应用户，未分配到上行链路资源的用户接入失败；
S10、基站通过RAR消息，将各用户分配到的上行链路资源、所选前导码下的TA值发送至相应用户；
S11、用户根据时隙TS2中所选前导码下的TA值与时隙TS1中所选前导码下的候选TA值的匹配情况，判断是否使用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3，若发送则执行步骤S12，若不发送则用户随机接入失败；
S12、基站检测消息Msg3，并根据检测结果向用户发送消息Msg4，若用户识别码包含在Msg4，则用户随机接入成功，若否，则根据用户的功率优先级并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，解调成功的用户随机接入成功，解调失败的用户随机接入失败。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，步骤S2中，用户在相互正交的归一化导频集合中选择前导码。
3.根据权利要求1所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，步骤S3中，包括步骤：
S3.1、基站对导频序列进行采样，以得到采样样本；
S3.2、将采样样本与导频序列进行自相关运算，进而检测获取所有TA值。
4.根据权利要求3所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，步骤S3.2中，若基站在一个导频序列中检测到的两个TA值之差小于可检测宽度，则基站取两个TA值的平均值作为此前导码下所检测到的TA值。
5.根据权利要求4所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，步骤S4中，若前导码下仅存在一个TA值，则分配上行链路资源至选择该前导码的所有用户，若存在多个TA值，则不分配上行链路资源。
6.根据权利要求5所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，步骤S7与步骤S12中，基站根据用户的功率优先级对选择同一上行链路资源的用户进行降序排序，并采用SIC算法依次解调各用户的数据信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，所述采用SIC算法依次解调各用户的数据信息，具体为：
若上行链路资源中的每个功率等级最多被一个用户选择时，则所有用户的数据信息按照功率等级由高到底依次被解调，若相应功率等级被多个用户选择，则该功率等级对应的用户的数据信息无法被解调。
8.根据权利要求7所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，步骤S9中，具体为：
若前导码下仅存在一个TA值，则分配上行链路资源至选择该前导码的所有用户，若前导码下存在多个TA值，则判断多个TA值是否存在与候选TA值匹配的TA值，若存在则分配上行链路资源至该TA值对应的用户。
9.根据权利要求8所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于，步骤S11中，具体为：
若用户在时隙TS2中所选前导码下只检测到一个TA值与该用户在时隙TS1中所选前导码下的候选TA值匹配，则用户使用相应上行链路资源向基站发送消息Msg3，并执行步骤S12，若用户在时隙TS2中所选前导码下检测到多个TA值或没有TA值与该用户在时隙TS1中所选前导码下的候选TA值匹配，则用户随机接入失败。
10.根据权利要求9所述的一种基于功率优先级的随机接入方法，其特征在于：
步骤S9与步骤S11中，时隙TS2中前导码下的TA值与时隙TS1中的候选TA值之间的差值小于匹配阈值，则匹配成功。
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