CN114205916B - 一种两阶段非正交随机接入的方法 - Google Patents

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Abstract

一种两阶段非正交随机接入的方法,在第一阶段中,根据设备随机选择的标记前导码将其划分若干个组;随后,在第二阶段中为组内设备分配专用的随机接入信道传输标记前导码进行非正交随机接入。所提方案能够缓解海量连接的造成接入冲突,显著提高设备的接入成功率,降低设备的接入时延。本发明提供了一种设备的接入成功率较高、有效降低设备的接入时延的两阶段非正交随机接入的方法。

Description

一种两阶段非正交随机接入的方法
技术领域
本发明属于5G随机接入领域,涉及一种两阶段非正交随机接入的方法。
背景技术
物联网下的大规模机器类型设备的接入请求会造成接入网络严重拥塞与过载,尤其是海量的物联网设备同时进行网络连接时,海量设备通过竞争有限的随机接入资源尝试与网络建立连接,必然会遭遇严重的接入冲突与碰撞,造成接入性能恶化。现有技术存在的技术问题:设备的接入成功率较低,设备的接入时延较长。
发明内容
为了克服已有随机接入方法的设备的接入成功率较低、设备的接入时延较长的不足,本发明提供了一种设备的接入成功率较高、有效降低设备的接入时延的两阶段非正交随机接入的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种两阶段非正交随机接入的方法其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:在第一阶段,每个设备随机选择一个由前导码ID与标记索引标识的标记前导码,并经由公共的随机接入信道(Common-Physical Random Access Channel,C-PRACH)将所选择的标记前导码发送至基站,C-PRACH与传统随机接入方案PRACH结构一致,其在时域与频域的位置决定于PRACH配置索引;
步骤2:标记前导码被成功检测到的设备将会接收到基站发送随机接入响应信息(Random Access Response,RAR-I),其中RAR-I消息通过物理下行信道传输,其携带了专用PRACH(D-PRACH)的分配信息,以及用于数据传输的物理上行链路(Physical UplinkShared Channel,PUSCH)资源;
步骤3:与第一个阶段固定PRACH资源分配不同,基站能够根据第一阶段发送接入请求的设备数动态地调整第二阶段的D-PRACH资源分配,基站根据第一阶段中设备选择的标记前导码对成功接收到RAR-I消息的设备进行分组,并为每组动态地分配D-PRACH资源;随后,组中地设备在D-PRACH上发送随机选择的标记前导码到基站,即启动第二阶段的接入过程;
步骤4:基站通过互相关运算来检测接收到的标记前导码,由于每个标记前导码与一个特定的标记索引相关联,因此可以区分选择相同前导码的多个设备,并将其作为一组,即非正交组;此外,基站通过标记前导码的信号检测还可获得设备的信道功率增益gi,随后,根据信道功率对每个NOMA组中的设备降序排序,并在物理下行共享信道上为相应的设备发送RAR-II消息,每个RAR-II消息都包括前导码ID、为PUSCH分配的上行资源、用于功率域复用的功率退避因子ρ,以及用于上行链路同步的定时提前信息;
步骤5:每个非正交组中的设备从接收到RAR-II消息中获知功率复用顺序与功率回退因子ρ,然后使用相同的上行资源发送消息;基站通过相关联的标签索引区分不同设备发送的消息,使用迭代干扰消除算法基于功率复用顺序并按照解码概率来译码设备的上行消息,其解码顺序与功率退避顺序一致,即首先解码具有最大接收功率的设备,成功接入的设备会接收到冲突解决信息,该消息中包含了成功接入的设备唯一标识,如果在竞争解决定时器到期之前,设备没有接收到来自基站的响应信息,则被认为接入失败,会返回到发送PRACH前导码的过程。
进一步,所述步骤3中,基站根据第一阶段中设备选择的标记前导码对其分组,所述过程如下:当小区内活跃的设备数为MC,划分的平均组数算为
其中,NDPmax为第二阶段可用的标记前导码数,为在第一阶段设备选择的平均前导码数。
更进一步,所述步骤5中,一个非正交组的解码概率计算过程如下:基站在接收到非正交组的设备上行消息后,使用SIC算法实现设备的分离,当设备的目标数据速率为R0,每个上行资源接收功率为PO_U,其解码概率计算为
其中,I为一个非正交组中设备数,当高斯白噪声的方差为σ2,信道功率增益均值为u2时,ψ=σ2/(PO_U·2u2),式中q为等效功率退避因子表示为q=10-ρ/10,则ai,n=(1/n)((1/β)·qi-1-(qi-qn)/(1-q)),进而系数/>由推导的解码概率,进一步计算每个非正交组的接入吞吐量为
由于各个组间相互独立,不同组中的设备不会竞争相同的接入资源,因此可求得所提方法的接入吞吐量表示为
其中,RD为第二阶段可用的前导码数,MD为第二阶段的总设备数,其表示为
本发明中,在第一阶段中,根据设备随机选择的标记前导码将其划分若干个组;随后,在第二阶段中为组内设备分配专用的随机接入信道传输标记前导码进行非正交随机接入。所提方法能够显著提高设备的接入成功率,同时降低了平均接入时延。
本发明的有益效果主要表现在:1、能够显著提高设备的接入成功率,同时降低了平均接入时延;2、提出了一种两阶段非正交随机接入的方法以应对5G大规模机器类设备的海量接入请求;推导了所提方法的接入吞吐量。
附图说明
图1是系统模型示意图。
图2是两阶段非正交随机接入的方法接入过程图。
图3是基于第一阶段设备选择的前导码在第二阶段对其分组示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图3,一种两阶段非正交随机接入的方法,由两个阶段组成,包括如下步骤:
步骤1:在第一阶段,每个设备随机选择一个由前导码ID与标记索引标识的标记前导码,并经由公共的随机接入信道(Common-Physical Random Access Channel,C-PRACH)将所选择的标记前导码发送至基站,C-PRACH与传统随机接入方案PRACH结构一致,其在时域与频域的位置决定于PRACH配置索引;
步骤2:标记前导码被成功检测到的设备将会接收到基站发送随机接入响应信息(Random Access Response,RAR-I),其中RAR-I消息通过物理下行信道传输,其携带了专用PRACH(D-PRACH)的分配信息,以及用于数据传输的物理上行链路(Physical UplinkShared Channel,PUSCH)资源;
步骤3:与第一个阶段固定PRACH资源分配不同,基站能够根据第一阶段发送接入请求的设备数动态地调整第二阶段的D-PRACH资源分配,具体来说:基站根据第一阶段中设备选择的标记前导码对成功接收到RAR-I消息的设备进行分组,并为每组动态地分配D-PRACH资源。随后,组中地设备在D-PRACH上发送随机选择的标记前导码到基站,即启动第二阶段的接入过程;
步骤3-1:基站根据第一阶段中设备选择的标记前导码对其分组,当小区内活跃的设备数为MC,划分的平均组数计算为
其中,NDPmax为第二阶段可用的标记前导码数,为在第一阶段设备选择的平均前导码数。
步骤4:基站通过互相关运算来检测接收到的标记前导码,由于每个标记前导码与一个特定的标记索引相关联,因此可以区分选择相同前导码的多个设备,并将其作为一组,即非正交组;此外,基站通过标记前导码的信号检测还可获得设备的信道功率增益gi,随后,根据信道功率对每个NOMA组中的设备降序排序,并在物理下行共享信道上为相应的设备发送RAR-II消息,每个RAR-II消息都包括前导码ID、为PUSCH分配的上行资源、用于功率域复用的功率退避因子ρ,以及用于上行链路同步的定时提前信息;
步骤5:每个非正交组中的设备从接收到RAR-II消息中获知功率复用顺序与功率回退因子ρ,然后使用相同的上行资源发送消息;基站通过相关联的标签索引区分不同设备发送的消息,使用迭代干扰消除算法基于功率复用顺序并按照解码概率来译码设备的上行消息,其解码顺序与功率退避顺序一致,即首先解码具有最大接收功率的设备,成功接入的设备会接收到冲突解决信息,该消息中包含了成功接入的设备唯一标识,如果在竞争解决定时器到期之前,设备没有接收到来自基站的响应信息,则被认为接入失败,会返回到发送PRACH前导码的过程;
所述步骤5中,一个非正交组的解码概率计算过程如下:
基站在接收到非正交组的设备上行消息后,使用SIC算法实现设备的分离,当设备的目标数据速率为R0,每个上行资源接收功率为PO_U,其解码概率计算为
其中,I为一个非正交组中设备数,当高斯白噪声的方差为σ2,信道功率增益均值为u2时,ψ=σ2/(PO_U·2u2)。,式中q为等效功率退避因子表示为q=10-ρ/10,则ai,n=(1/n)((1/β)·qi-1-(qi-qn)/(1-q)),进而系数/>由推导的解码概率,进一步可计算每个非正交组的接入吞吐量为
由于各个组间相互独立,不同组中的设备不会竞争相同的接入资源,因此求得所提方法的接入吞吐量表示为
其中,RD为第二阶段可用的前导码数。MD为第二阶段的总设备数,其表示为
本实施例中,在第一阶段中,根据设备随机选择的标记前导码将其划分若干个组;随后,在第二阶段中为组内设备分配专用的随机接入信道传输标记前导码进行非正交随机接入。所提方法能够显著提高设备的接入成功率,同时降低了平均接入时延。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种两阶段非正交随机接入的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
步骤1:在第一阶段,每个设备随机选择一个由前导码ID与标记索引标识的标记前导码,并经由公共的随机接入信道C-PRACH将所选择的标记前导码发送至基站,C-PRACH在时域与频域的位置决定于PRACH配置索引;
步骤2:标记前导码被成功检测到的设备将会接收到基站发送随机接入响应信息RAR-I,其中RAR-I消息通过物理下行信道传输,其携带了D-PRACH的分配信息,以及用于数据传输的物理上行链路PUSCH资源;
步骤3:与第一个阶段固定PRACH资源分配不同,基站能够根据第一阶段发送接入请求的设备数动态地调整第二阶段的D-PRACH资源分配,基站根据第一阶段中设备选择的标记前导码对成功接收到RAR-I消息的设备进行分组,并为每组动态地分配D-PRACH资源;随后,组中地设备在D-PRACH上发送随机选择的标记前导码到基站,即启动第二阶段的接入过程;
步骤4:基站通过互相关运算来检测接收到的标记前导码,由于每个标记前导码与一个特定的标记索引相关联,因此可以区分选择相同前导码的多个设备,并将其作为一组,即非正交组;此外,基站通过标记前导码的信号检测还可获得设备的信道功率增益gi,随后,根据信道功率对每个NOMA组中的设备降序排序,并在物理下行共享信道上为相应的设备发送RAR-II消息,每个RAR-II消息都包括前导码ID、为PUSCH分配的上行资源、用于功率域复用的功率退避因子ρ,以及用于上行链路同步的定时提前信息;
步骤5:每个非正交组中的设备从接收到RAR-II消息中获知功率复用顺序与功率回退因子ρ,然后使用相同的上行资源发送消息;基站通过相关联的标签索引区分不同设备发送的消息,使用迭代干扰消除算法基于功率复用顺序并按照解码概率来译码设备的上行消息,其解码顺序与功率退避顺序一致,即首先解码具有最大接收功率的设备,成功接入的设备会接收到冲突解决信息,该消息中包含了成功接入的设备唯一标识,如果在竞争解决定时器到期之前,设备没有接收到来自基站的响应信息,则被认为接入失败,会返回到发送PRACH前导码的过程;
所述步骤3中,基站根据第一阶段中设备选择的标记前导码对其分组,所述过程如下:当小区内活跃的设备数为MC,划分的平均组数计算为
其中,NDPmax为第二阶段可用的标记前导码数,为在第一阶段设备选择的平均前导码数;
所述步骤5中,一个非正交组的计算过程如下:基站在接收到非正交组的设备上行消息后,使用SIC算法实现设备的分离,当设备的目标数据速率为R0,每个上行资源接收功率为PO_U,其解码概率计算为
其中,I为一个非正交组中设备数,当高斯白噪声的方差为σ2,信道功率增益均值为u2时,ψ=σ2/(PO_U·2u2),式中q为等效功率退避因子表示为q=10-ρ/10,则ai,n=(1/n)((1/β)·qi-1-(qi-qn)/(1-q)),进而系数/>由推导的解码概率,进一步计算每个非正交组的接入吞吐量为
由于各个组间相互独立,不同组中的设备不会竞争相同的接入资源,因此可求得所提方法的接入吞吐量表示为
其中,RD为第二阶段可用的前导码数,MD为第二阶段的总设备数,其表示为
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