CN114785648B - 一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备 - Google Patents

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CN114785648B CN202210707814.3A CN202210707814A CN114785648B CN 114785648 B CN114785648 B CN 114785648B CN 202210707814 A CN202210707814 A CN 202210707814A CN 114785648 B CN114785648 B CN 114785648B
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Abstract

本发明公开了一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备,通过使用基于布隆过滤器的编码和硬判决包络检波,整个方案仅需极低的硬件和计算复杂度,且基站无需估计信道状态信息。相比现有的免授权大规模多址接入方法,本发明可以在极大的降低系统硬件及算法复杂度的同时实现有效的识别用户设备并进行消息传输,从而降低实际部署难度,同时也避免接入用户设备数量受信道相干时间限制。

Description

一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及通信领域,尤其涉及一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备。
背景技术
大规模多址接入是未来旨在支持物联网(IoT)和机器类型通信(MTC)的无线蜂窝网络的一项关键需求。在IoT和MTC中,蜂窝基站可能需要连接大量设备,但是IoT和MTC流量的关键特征是设备活动通常是不定时发生的,因此在任何给定时间只有一小部分潜在设备处于活动状态。
然而,传统的蜂窝网络是基于活动用户设备在时隙或频率时隙的调度而设计的。在单独的控制信道上调度大量偶发活动的用户会带来相当大的开销。即使当前提出了一些基于竞争的方案来解决这个问题。但这种随机访问协议的主要缺点是需要争用解决,因此在大量设备的情况下依然不可避免地会发生很多冲突,造成极大的通信延时。因此3GPP提出了一种极有前景的被称为无授权随机接入方式以替代传统接入方法,它允许活跃用户设备在没有任何许可的情况下直接向基站(BS)传输签名和消息,从而确保低通信延迟和高频谱效率。
近年来,无授权随机接入方法得到了广泛研究。目前提出的多数方法使用相干接收,同时现有方法都依赖于极高复杂度的译码算法,往往需要部署多天线甚至超多天线来确保方案的可行性。然而,相干接收方法以及硬件复杂度和算法复杂度都极高的方法在很多重要的IoT和MTC应用场景中可能极难适用。首先,相干接收方法需要额外开销支持信道训练,且会导致用户设备接入数量受到信道相干时间严格限制。其次在很多IoT和MTC场景中,过高的硬件复杂度和算法复杂度,以及多天线将导致实际部署会极为困难。因此,用户设备接入数量受相干时间限制,以及极高硬件复杂度和算法复杂度是现有方法的不足之一。此外现有方法通常需要用户设备同步条件,但由于大规模多址接入庞大的用户设备数量该条件在实际中也很难达成。
发明内容
本发明的目的是提供一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备,可以识别上行链路中零星的活跃用户设备并译码其发送消息,使用无需信道训练,仅需极低的硬件和计算复杂度,且可在用户设备非同步条件运行,相比于现有方案,本方案能够在多址信道、用户非同步条件下中取得可靠接入性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,包括:
结合设定的活跃概率,为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本;
所述用户设备在进行上行传输时,将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列,获得消息序列,并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输;
基站使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带,获得基带信号,根据当前信道场景,通过硬判决获得硬判决序列,并根据当前信道场景使用相应的译码方式,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息,再识别出活跃用户设备并确定对应消息。
一种应用于大规模多址接入的收发系统,包括:分配单元、用户设备与基站;其中:
所述分配单元,用于结合设定的活跃概率,为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本;
所述用户设备包括:信息存储单元,用于存储身份序列和消息码本;无线信号发送单元,用于在进行上行传输时,将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列,获得消息序列,并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输;
所述基站包括:无线信号采样判决单元,用于使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带,获得基带信号,根据当前信道场景,通过硬判决获得硬判决序列;译码单元,其包含多个子单元,不同子单元使用不同的译码方式,根据信道场景通过相应子单元,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息;活跃与译码判定单元,用于根据译码单元的输出结果识别出活跃用户设备并确定对应消息。
一种用户设备,包括存储器和处理器,所述存储器,用于存储程序,所述处理器,用于执行所述程序,实现前述方法中与所述用户设备相关的步骤。
一种基站,包括存储器和处理器,所述存储器,用于存储程序,所述处理器,用于执行所述程序,实现前述方法中与所述基站相关的步骤。
由上述本发明提供的技术方案可以看出,通过使用基于布隆过滤器的编码和硬判决包络检波,整个方案仅需极低的硬件和计算复杂度,且基站无需估计信道状态信息,从而降低系统部署成本。相比现有的免授权大规模多址接入方法,本发明可以在极大的降低系统硬件及算法复杂度的同时实现有效的识别用户设备并进行消息传输,从而降低实际部署难度,同时也避免接入用户设备数量受信道相干时间限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例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,对于本领域的普通技术人员来讲,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附图。
图1为本发明实施例提供的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法的流程图;
图2为本发明实施例提供的用户设备工作流程图;
图3为本发明实施例提供的基站工作流程图;
图4为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的单径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线;
图5为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的单径衰落信道场景下错误概率随码长L的变化曲线;
图6为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的多径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线;
图7为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的多径衰落信道场景下错误概率随码长L的变化曲线;
图8为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的单径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线;
图9为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的单径衰落信道场景下错误概率随码长L的变化曲线;
图10为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的多径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线;
图11为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的多径衰落信道场景下错误概率随码长L的变化曲线;
图12为本发明实施例提供的一种低复杂度免授权大规模多址接入系统的示意图;
图13为本发明实施例提供的一种用户设备的示意图;
图14为本发明实施例提供的一种基站的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明:
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述,应被解释为非排它性的包括。例如:包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等),应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素,还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
下面对本发明所提供的一种低复杂度免授权大规模多址接入方案进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者,按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例一
如图1所示,一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,主要包括如下步骤:
步骤1、结合设定的活跃概率,为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本。
本发明实施例中,将总的用户设备数目设为N,在任意一次传输中,每一用户设备以独立的活跃概率
Figure 974151DEST_PATH_IMAGE001
活跃,平均活跃用户设备数目为
Figure 882064DEST_PATH_IMAGE002
;每次传输每个活跃用户设备传输
Figure 315582DEST_PATH_IMAGE003
比特消息,J为设定的正整数;为每一用户设备分配一个参数为(L 1,K 1)的独立布隆过滤器随机序列作为其身份序列,同时分配J个参数为(L 2,K 2)的独立布隆过滤器随机序列作为其消息码本以编码其要传输的
Figure 17958DEST_PATH_IMAGE003
比特消息;其中,
Figure 786194DEST_PATH_IMAGE004
Figure 215907DEST_PATH_IMAGE005
Figure 815516DEST_PATH_IMAGE006
Figure 626477DEST_PATH_IMAGE007
分别为身份序列和消息码本序列的稀疏调节参数;参数为(L i ,K i )的布隆过滤器随机序列生成步骤包括:1)初始化一个长度为L i 的全0序列;2)产生K i 个hash函数,每个hash函数都独立且均匀地随机选择全0序列中的一个位置并将相应位置的值设置为1;其中,i=1,2。按照上述方式生成分配给每一用户设备的独立的身份序列和独立的消息码本,并传输给对应用户设备,并将所有用户设备的独立的身份序列和独立的消息码本传输给基站。
本发明实施例中,J个布隆过滤器是用于编码
Figure 706777DEST_PATH_IMAGE003
比特消息,共有J个不同的
Figure 425334DEST_PATH_IMAGE003
比特消息。
步骤2、所述用户设备在进行上行传输时,将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字,获得消息序列,并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输。
如图2所示,用户设备的执行步骤包括:1)存储被分配的基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本;2)根据自身情况确定待发送的消息,再结合消息码本映射得到对应的消息码字,获得相应的消息序列;3)将消息序列与身份序列进行调制后通过上行链路传输。示例性的,可采用OOK(开关键控)调制。
步骤3、基站使用混频器将接收到的免授权上行传输信号下变频至基带,获得基带信号,根据当前信道场景,通过硬判决获得硬判决序列,并根据当前信道场景使用相应的译码方式,先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息,最后识别出活跃用户设备并获得对应消息。
如图3所示,本步骤主要包括三个阶段:第一个阶段,接收免授权上行传输的信号,根据应用场景,通过采样和硬判决,得到硬判决序列B。第二个阶段,根据当前信道场景使用相应的译码方式,先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息。第三个阶段,从用户设备索引列表中识别出活跃用户设备并获得其对应的消息。下面针对各阶段的优选实施方式进行介绍。
一、第一个阶段。
第一个阶段的主要步骤包括:
1、使用混频器将接收到的免授权上行传输信号下变频至基带,免授权上行传输信号为若干(一个或多个)活跃用户设备发送的信号的叠加。
2、使用积分存储滤波器对基带信号进行滤波采样获得采样序列Y
3、根据当前信道场景,使用判决门限为
Figure 82712DEST_PATH_IMAGE008
的硬限幅器(硬判决器)对采样序列Y进行硬判决获得二进制形式的硬判决序列B,具体的,对于采样序列Y中的第
Figure 376159DEST_PATH_IMAGE009
位采样值
Figure 915725DEST_PATH_IMAGE010
,若其能量
Figure 641235DEST_PATH_IMAGE011
大于判决门限
Figure 966168DEST_PATH_IMAGE008
,则二进制形式的硬判决序列B的第
Figure 915670DEST_PATH_IMAGE009
个值
Figure 880215DEST_PATH_IMAGE012
为1,否则为0。通过上述方式可知,所述二进制形式的硬判决序列B与采样序列Y具有相同的数据结构,即包含身份序列与消息序列两部分,具体的,整个硬判决序列B中,前L 1位为身份序列B [r],后L 2位(即L 1+1~L 1+L 2位)为消息序列B [m]
本发明实施例中,不同场景下,硬判决序列不同,例如后文介绍的各个场景下
Figure 721001DEST_PATH_IMAGE013
形式不同,这是由于信道场景的物理性质导致的,但是在处理流程上没有区别。
二、第二个阶段。
第二个阶段中根据不同应用场景选择相应的译码方式,本发明实施例中,主要包括四个应用场景:1、用户设备时间同步的单径衰落信道;2、用户设备时间同步的多径衰落信道;3、用户设备时间非同步的单径衰落信道;4、用户设备时间非同步的多径衰落信道。各应用场景下的步骤如下:
1、用户设备时间同步的单径衰落信道。
当信道场景为用户设备时间同步的单径衰落信道时,使用相应的译码方式,先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息,步骤包括:
当前应用场景下, 硬判决序列B的第
Figure 87391DEST_PATH_IMAGE009
位可写为如下形式:
Figure 207794DEST_PATH_IMAGE014
其中,s n 为第n个用户设备的活跃指示器,如果第n个用户设备活跃则s n =1,否则s n =0;
Figure 738263DEST_PATH_IMAGE015
为第n个用户设备的信道增益;A为用户设备发送增益,
Figure 71156DEST_PATH_IMAGE016
为第n个用户设备上行序列的第
Figure 541320DEST_PATH_IMAGE009
位,其中上行序列是指未经调制的信息序列,包含消息序列与相应的身份序列;
Figure 98204DEST_PATH_IMAGE017
为加性高斯白噪声。sgn(.)为判决门限为η的硬判决器,此部分中
Figure 99658DEST_PATH_IMAGE018
注意到布隆过滤器随机序列的稀疏性,以及系统信号噪声比通常足够大,因此用户设备信号功率通常远大于噪声功率。同时注意到上述形式实际等效为一个有噪OR信道模型,在输入功率远大于噪声功率并有合适的硬判决门限
Figure 455815DEST_PATH_IMAGE008
时,多数
Figure 593535DEST_PATH_IMAGE013
在至少存在一个
Figure 586899DEST_PATH_IMAGE017
是1时为1,在
Figure 997021DEST_PATH_IMAGE017
都是0时为0。
基于上述原理,因此可以通过第n个用户设备是否满足如下公式判断其是否可能活跃:
Figure 734032DEST_PATH_IMAGE019
即通过上式来确定满足条件的用户设备索引,并将所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表。其中,
Figure 726259DEST_PATH_IMAGE020
为硬判决序列B的身份序列部分
Figure 313361DEST_PATH_IMAGE021
中包含第n个用户设备的身份序列的1的数量,b [r][1]与b [r][L 1]分别表示身份序列部分B [r]中的第1位与第L 1位,L 1为身份序列长度,
Figure 289407DEST_PATH_IMAGE022
是第n个用户设备身份序列中的1的位置索引集合,集合中每一个元素对应一个位置索引。
Figure 502213DEST_PATH_IMAGE023
Figure 598214DEST_PATH_IMAGE024
Figure 933381DEST_PATH_IMAGE025
为分配给第n个用户设备的身份序列(在前述步骤1中为用户设备分配)的1的数量,
Figure 68827DEST_PATH_IMAGE026
为识别容忍门限。
在得到用户设备索引列表后,通过用户设备索引列表中的第k个用户设备的第j个消息,
Figure 632795DEST_PATH_IMAGE027
,是否满足如下公式判断相应消息是否被发送:
Figure 865193DEST_PATH_IMAGE028
即通过上述确定用户设备索引列表中用户设备发送的消息;其中,
Figure 43364DEST_PATH_IMAGE029
为硬判决序列B的消息序列部分包含所述用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息序列的1的数量,
Figure 243270DEST_PATH_IMAGE030
为分配给所述用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息序列(在前述步骤1中为用户设备分配)的1的数量,
Figure 797880DEST_PATH_IMAGE031
为消息容忍门限。
具体的:
Figure 619205DEST_PATH_IMAGE032
是硬判决序列的消息序列部分
Figure 781327DEST_PATH_IMAGE033
含有的用户设备索引列表第k个用户设备的第j个消息序列中的1的个数,
Figure 891366DEST_PATH_IMAGE034
是用户设备索引列表第k个用户设备的第j个消息序列中的1的位置索引集合,
Figure 46404DEST_PATH_IMAGE035
Figure 237082DEST_PATH_IMAGE036
Figure 22636DEST_PATH_IMAGE037
为消息容忍门限,L 2为消息序列。以上述方式获得上述用户设备索引列表中每个用户设备发送的消息。
上述各集合(或者序列)中每个元素后方的[.]表示元素所在集合(或者序列)的位数,后文也是如此含义,故不再赘述。
2、用户设备时间同步的多径衰落信道。
当信道场景为用户设备时间同步的多径衰落信道时,使用相应的译码方式,先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息,步骤包括:
当前应用场景下,硬判决序列B的第
Figure 682287DEST_PATH_IMAGE009
位可写为如下形式:
Figure 329432DEST_PATH_IMAGE038
其中,M n 为第n个用户设备的可分辨多径个数,
Figure 125349DEST_PATH_IMAGE039
为第n个用户设备的第m个可分辨多径的增益;
Figure 144121DEST_PATH_IMAGE040
为第n个用户设备的第m个可分辨多径延时,此部分中
Figure 212440DEST_PATH_IMAGE041
M为用户设备最大可分辨多径个数。
如果基站已知用户设备多径时延,注意到同时使用用户设备上行序列的延时副本可以获得更多的信息,提高活跃识别和消息译码性能。可以通过第n个用户设备是否满足如下公式判断其是否可能活跃:
Figure 974859DEST_PATH_IMAGE042
即通过上述来确定满足条件的用户设备索引,并将所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表。
Figure 625284DEST_PATH_IMAGE043
为硬判决序列的身份序列部分
Figure 491653DEST_PATH_IMAGE044
中含有的第n个用户设备的身份序列的1数量及其延迟副本的数量,这里
Figure 860318DEST_PATH_IMAGE045
Figure 160849DEST_PATH_IMAGE046
,∧表示逻辑与运算,M为用户设备最大可分辨多径个数,M n 表示第n个用户设备的可分辨多径个数。
本发明实施例中,第n个用户设备的身份序列的1及其延迟副本的数量,是指第n个用户设备的身份序列的第w个1,
Figure 118310DEST_PATH_IMAGE047
,及其延迟副本的位置索引
Figure 478884DEST_PATH_IMAGE048
对应的B [r]的元素
Figure 69265DEST_PATH_IMAGE049
都为1的数量(该数量最大为
Figure 127482DEST_PATH_IMAGE050
)。
在得到用户设备索引列表后,通过用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息,
Figure 955761DEST_PATH_IMAGE027
,是否满足如下公式判断相应消息是否被发送:
Figure 470925DEST_PATH_IMAGE051
即通过上述确定用户设备索引列表中用户设备发送的消息;其中,
Figure 814181DEST_PATH_IMAGE052
是硬判决序列的消息序列部分
Figure 190936DEST_PATH_IMAGE053
中包含的用户设备索引列表第k个用户设备的第j个消息序列的1及其延迟副本的数量。
Figure 624454DEST_PATH_IMAGE054
Figure 326831DEST_PATH_IMAGE055
M k 表示用户设备索引列表第k个用户设备的可分辨多径个数,
Figure 95066DEST_PATH_IMAGE056
为用户设备索引列表第k个用户设备的第1个可分辨多径延时。
本发明实施例中,
Figure 790359DEST_PATH_IMAGE057
Figure 593230DEST_PATH_IMAGE058
,也就是说,从
Figure 200929DEST_PATH_IMAGE059
Figure 3931DEST_PATH_IMAGE060
Figure 191329DEST_PATH_IMAGE061
Figure 911024DEST_PATH_IMAGE062
,也就是说,从
Figure 142154DEST_PATH_IMAGE063
Figure 416140DEST_PATH_IMAGE064
Figure 203968DEST_PATH_IMAGE065
Figure 466584DEST_PATH_IMAGE066
有M项相同,因此,总的范围
Figure 681665DEST_PATH_IMAGE067
本发明实施例中,用户设备索引列表第k个用户设备的第j个消息序列的1及其延迟副本的数量,是指用户设备索引列表第k个用户设备的第j个消息序列的第
Figure 161057DEST_PATH_IMAGE068
个1,
Figure 221416DEST_PATH_IMAGE069
及其延迟副本的位置索引
Figure 915703DEST_PATH_IMAGE070
对应的B [m]的元素
Figure 990101DEST_PATH_IMAGE071
都为1的数量(该数量最大为
Figure 504258DEST_PATH_IMAGE072
)。
3、用户设备时间非同步的单径衰落信道。
当信道场景为用户设备时间非同步的单径衰落信道时,使用相应的译码方式,先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息,步骤包括:
当前应用场景下,硬判决序列B的第
Figure 571572DEST_PATH_IMAGE009
位可写为如下形式:
Figure 369632DEST_PATH_IMAGE073
其中,
Figure 660936DEST_PATH_IMAGE074
为第n个用户设备相对于最早到达基站的用户设备的到达时间差,此部分中
Figure 600073DEST_PATH_IMAGE075
,Z为用户设备最大到达时延。
如果基站已知用户设备最大到达时延Z,使用滑窗算法,执行Z次滑窗,第
Figure 284127DEST_PATH_IMAGE076
次滑窗可通过第n个用户设备是否满足如下公式判断其是否可能活跃:
Figure 625109DEST_PATH_IMAGE077
通过上式计算第
Figure 87315DEST_PATH_IMAGE076
次滑窗算法满足条件的用户设备索引,将Z次滑窗中所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表;其中,
Figure 825332DEST_PATH_IMAGE078
是硬判决序列的第
Figure 296765DEST_PATH_IMAGE076
个滑窗的身份序列部分
Figure 492254DEST_PATH_IMAGE079
包含的第n个用户设备的身份序列的1的个数,
Figure 141672DEST_PATH_IMAGE080
Figure 55402DEST_PATH_IMAGE081
Figure 783055DEST_PATH_IMAGE082
再执行Z次滑窗,第
Figure 895368DEST_PATH_IMAGE076
次滑窗,通过用户设备索引列表中的第k个用户设备的第j个消息,
Figure 964955DEST_PATH_IMAGE027
,是否满足如下公式判断消息是否被发送:
Figure 862852DEST_PATH_IMAGE083
合并Z次滑窗结果确定用户设备索引列表中用户设备发送消息(即Z次滑窗中满足一次就则认为用户设备的消息被发送)。其中,
Figure 941667DEST_PATH_IMAGE084
是硬判决序列的第
Figure 846169DEST_PATH_IMAGE076
个滑窗的消息序列部分
Figure 335925DEST_PATH_IMAGE085
含有的用户设备索引列表第k个用户设备的j个消息序列中的1的个数。
Figure 20984DEST_PATH_IMAGE086
Figure 372331DEST_PATH_IMAGE087
类似的,
Figure 147651DEST_PATH_IMAGE088
Figure 559041DEST_PATH_IMAGE089
,也就是说,从
Figure 731396DEST_PATH_IMAGE090
Figure 886434DEST_PATH_IMAGE091
Figure 14796DEST_PATH_IMAGE092
Figure 862666DEST_PATH_IMAGE093
,也就是说,从
Figure 256739DEST_PATH_IMAGE094
Figure 903883DEST_PATH_IMAGE095
;由于Z是最大时延,并且执行Z次滑窗,因此,
Figure 699801DEST_PATH_IMAGE096
,两部分有Z项相同,此时,总的范围
Figure 452993DEST_PATH_IMAGE097
4、用户设备时间非同步的多径衰落信道。
当信道场景为用户设备时间非同步的多径衰落信道时,使用相应的译码方式,先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息,步骤包括:
当前应用场景下,硬判决序列B的第
Figure 583629DEST_PATH_IMAGE009
位可写为如下形式:
Figure 283732DEST_PATH_IMAGE098
此部分中
Figure 934156DEST_PATH_IMAGE099
M为用户设备最大可分辨多径个数,Z为用户设备最大到达时延。
如果基站已知各用户设备多径时延,以及用户设备最大到达时延Z,使用滑窗算法,执行Z次滑窗,第
Figure 874561DEST_PATH_IMAGE076
次滑窗可通过第n个用户设备是否满足如下公式判断其是否可能活跃:
Figure 977646DEST_PATH_IMAGE100
通过上式计算第
Figure 215861DEST_PATH_IMAGE076
次滑窗算法满足条件的用户设备索引,将Z次滑窗中所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表;其中,
Figure 235638DEST_PATH_IMAGE101
为硬判决序列的身份序列部分
Figure 596213DEST_PATH_IMAGE102
中包含的第n个用户设备的身份序列的1及其延迟副本的个数。
Figure 186594DEST_PATH_IMAGE103
Figure 979232DEST_PATH_IMAGE104
本发明实施例中,第n个用户设备的身份序列的1及其延迟副本的数量,是指第n个用户设备的身份序列的第w个1,
Figure 604248DEST_PATH_IMAGE105
,及其延迟副本的位置索引
Figure 135723DEST_PATH_IMAGE106
对应的B [r]的元素
Figure 213401DEST_PATH_IMAGE107
都为1的数量(该数量最大为
Figure 42686DEST_PATH_IMAGE108
再执行Z次滑窗,第
Figure 787788DEST_PATH_IMAGE076
次滑窗,通过用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息,
Figure 224585DEST_PATH_IMAGE027
,是否满足如下公式判断消息是否被发送:
Figure 743553DEST_PATH_IMAGE109
合并Z次滑窗结果确定用户设备索引列表中用户设备发送消息。其中,
Figure 923999DEST_PATH_IMAGE110
是硬判决序列的第
Figure 523608DEST_PATH_IMAGE076
个滑窗的消息序列部分
Figure 583836DEST_PATH_IMAGE111
含有的用户设备索引列表第k个用户设备的第j个消息序列中的1及其延迟副本的个数。
Figure 636106DEST_PATH_IMAGE112
Figure 885822DEST_PATH_IMAGE113
M k 表示用户设备索引列表第k个用户设备的可分辨多径个数。
三、第三个阶段。
通过前述第二个阶段,可以得到可能的活跃用户设备索引列表和相关用户设备发送的消息。译码器申明被判断存在发送消息的用户设备为活跃用户设备,从被判断为该活跃用户设备发送的消息中任选一个申明为其发送的消息。
举例来说:对于任何一个应用场景,在上述第二个阶段中,先得到用户设备索引列表,再确定用户设备索引列表中各个用户设备是否发送消息;假如用户设备索引列表包含10个用户设备,其中6个用户设备发送消息,那么,这6个用户设备即为活跃用户设备;同时,6个活跃用户设备可能被译码器认为各自发送了一个或多个消息,但是,第三个阶段,只从发送的消息中任选一个消息申明为相应活跃用户设备发送的消息。
对于上述实施例一,为了简单描述,故将其都表述为一系列的动作组合,但是本领域技术人员应该知悉,本发明并不受所描述的动作顺序的限制,因为依据本发明,某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
图4与图5展示了本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间同步的单径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。图4与图5以活跃用户设备误消息译码概率PME和非活跃用户设备误识别概率PFR为指标,概率越低说明性能越好。其中潜在用户设备数为5000(即N=5000),平均活跃用户数为71,用户设备码本大小为71;用户设备信道增益服从独立同分布的循环对称复高斯分布;参数
Figure 28352DEST_PATH_IMAGE114
,硬判决门限
Figure 806953DEST_PATH_IMAGE115
,识别容忍门限
Figure 612098DEST_PATH_IMAGE116
,消息容忍门限
Figure 586876DEST_PATH_IMAGE117
。图4为错误概率随信噪比SNR的变化曲线,码长L=L 1+L 2=3762;图5为错误概率随码长L的变化曲线,SNR为10分贝。从图4与图5可以看出,随着信号噪声功率比的增加,活跃用户设备误消息译码概率PME逐渐降低;随着码长的增加,两种概率都逐渐降低。
图6与图7展示了本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间同步的多径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。该图6与图7以活跃用户设备误消息译码概率PME和非活跃用户设备误识别概率PFR为指标,概率越低说明性能越好。其中潜在用户设备数为5000,平均活跃用户设备数为71,用户设备码本大小为71;所有用户设备都为3路径密集多径衰落信道,用户设备信道增益服从独立同分布的循环对称复高斯分布;参数
Figure 161076DEST_PATH_IMAGE118
,硬判决门限
Figure 64573DEST_PATH_IMAGE119
,识别容忍门限
Figure 91435DEST_PATH_IMAGE116
,消息容忍门限
Figure 417374DEST_PATH_IMAGE117
。图6为错误概率随信噪比SNR的变化曲线,这里码长L=L 1+L 2=6269;图7为错误概率随码长L的变化曲线,SNR为10分贝。从图6与图7可以看出,随着信号噪声功率比的增加,活跃用户设备误消息译码概率PME逐渐降低;随着码长的增加,两种概率都逐渐降低。
图8与图9为本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间非同步的单径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。图8与图9以活跃用户设备误消息译码概率PME和非活跃用户设备误识别概率PFR为指标,概率越低说明性能越好。其中潜在用户设备数为5000,平均活跃用户设备数为71,用户设备码本大小为71;用户设备最大到达时延Z=3,用户设备信道增益服从独立同分布的循环对称复高斯分布;参数
Figure 33032DEST_PATH_IMAGE120
,硬判决门限
Figure 419014DEST_PATH_IMAGE121
,识别容忍门限
Figure 933172DEST_PATH_IMAGE116
,消息容忍门限
Figure 739498DEST_PATH_IMAGE117
。图8为错误概率随信噪比SNR的变化曲线,这里码长L=L 1+L 2=3762;图9为错误概率随码长L的变化曲线,SNR为10分贝。从图8与图9可以看出,随着信号噪声功率比的增加,活跃用户设备误消息译码概率PME逐渐降低;随着码长的增加,两种概率都逐渐降低。
图10与图11展示了本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间非同步的多径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。图10与图11以活跃用户设备误消息译码概率PME和非活跃用户设备误识别概率PFR为指标,概率越低说明性能越好。其中潜在用户设备数为5000,平均活跃用户设备数为71,用户设备码本大小为71;用户设备最大到达时延Z=3,所有用户设备都为3路径密集多径衰落信道,用户设备信道增益服从独立同分布的循环对称复高斯分布;参数
Figure 22712DEST_PATH_IMAGE120
,硬判决门限
Figure 579595DEST_PATH_IMAGE121
,识别容忍门限
Figure 315470DEST_PATH_IMAGE116
,消息容忍门限
Figure 435742DEST_PATH_IMAGE117
。图10为错误概率随信噪比SNR的变化曲线,这里码长L=L 1+L 2=6269;图11为错误概率随码长L的变化曲线,SNR为10分贝。从图10与图11可以看出,随着信号噪声功率比的增加,随着信号噪声功率比的增加,活跃用户设备误消息译码概率PME逐渐降低;随着码长的增加,两种概率都逐渐降低。
需要说明的是,以上各性能图介绍中所涉及的各项参数的具体数值均为举例,并非构成限制;在实际应用场景中,相关参数的具体数值可根据实际情况来设定。
实施例二
本发明还提供一种应用于大规模多址接入的收发系统,其主要基于前述实施例提供的方法实现,如图12所示,该系统主要包括:分配单元、用户设备与基站;其中:
1、所述分配单元,用于结合设定的活跃概率,为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本。
2、所述用户设备包括:
1)信息存储单元,用于存储身份序列和消息码本。
2)无线信号发送单元,用于在进行上行传输时,将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列,获得消息序列,并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输。
3、所述基站包括:
1)无线信号采样判决单元,用于使用包络检波方式接收若干免授权上行传输,通过硬判决获得硬判决序列。具体的,可用于执行前述实施例一中第一阶段的操作。
2)译码单元,其包含多个子单元,不同子单元使用不同的译码方式,根据信道场景通过相应子单元,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息。
以前述介绍的四种应用场景为例,子单元数目可以设为4个,每一子单元各自应用于一种应用场景下,使用配套的译码方式确定上行传输的用户设备索引列表及相应的消息。具体的,可用于执行前述实施例一中第二阶段的操作。
3)活跃与译码判定单元,用于根据译码单元的输出结果识别出活跃用户设备并确定对应消息。具体的,可用于执行前述实施例一中第三阶段的操作。
需要说明的是,系统各部分内部的各单元所涉及的具体处理过程在之前的实施例一中已经做了详细的介绍,故不再桌数,
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,仅以上述各功能模块的划分进行举例说明,实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成,即将系统的内部结构划分成不同的功能模块,以完成以上描述的全部或者部分功能。
实施例三
本发明还提供一种用户设备,如图13所示,其主要包括:一个或多个处理器;存储器,用于存储一个或多个程序;其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器实现前述实施例一中与用户设备相关的步骤。
进一步的,所述用户设备还可以包括至少一个输入设备与至少一个输出设备;在所述处理设备中,处理器、存储器、输入设备、输出设备之间通过总线连接。
本发明实施例中,所述存储器、输入设备与输出设备的具体类型不做限定;例如:
输入设备可以为触摸屏、图像采集设备、物理按键或者鼠标等;
输出设备可以为显示终端;
存储器可以为随机存取存储器(Random Access Memory,RAM),也可为非不稳定的存储器(non-volatile memory),例如磁盘存储器。
处理器可以是一个CPU,或者是特定集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit),或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等。该处理器可以被划分为前述实施例二中用户设备内部的各个单元。
实施例四
本发明还提供一种基站,如图14所示,其主要包括:一个或多个处理器;存储器,用于存储一个或多个程序;其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器实现前述实施例一中与基站相关的步骤。
存储器可以为随机存取存储器(Random Access Memory,RAM),也可为非不稳定的存储器(non-volatile memory),例如磁盘存储器。
处理器可以是一个CPU,或者是特定集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit),或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等。该处理器可以被划分为前述实施例二中基站内部的各个单元。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,其特征在于,包括:
结合设定的活跃概率,为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本;
所述用户设备在进行上行传输时,将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列,获得消息序列,并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输;
基站使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带,获得基带信号,根据当前信道场景,通过硬判决获得硬判决序列,并根据当前信道场景使用相应的译码方式,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息,再识别出活跃用户设备并确定对应消息。
2.根据权利要求1所述的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,其特征在于,所述结合设定的活跃概率,为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本包括:
将总的用户设备数目设为N,在任意一次传输中,每一用户设备以独立的活跃概率
Figure 925819DEST_PATH_IMAGE001
活跃,平均活跃用户设备数目为
Figure 629202DEST_PATH_IMAGE002
,每个活跃用户传输
Figure 673381DEST_PATH_IMAGE003
比特消息,J为设定的正整数;
为每一用户设备分配一个参数为(L 1,K 1)的独立布隆过滤器随机序列作为其身份序列,同时分配J个参数为(L 2,K 2)的独立布隆过滤器随机序列作为其消息码本以编码要传输的
Figure 212947DEST_PATH_IMAGE003
比特消息;其中,
Figure 735195DEST_PATH_IMAGE004
Figure 997811DEST_PATH_IMAGE005
Figure 947313DEST_PATH_IMAGE006
Figure 974175DEST_PATH_IMAGE007
分别为身份序列和消息码本序列的稀疏调节参数;
参数为(L i ,K i )的布隆过滤器随机序列生成步骤包括:初始化一个长度为L i 的全0序列;产生K i 个hash函数,每个hash函数都独立且均匀地随机选择全0序列中的一个位置并将相应位置的值设置为1;其中,i=1,2。
3.根据权利要求1所述的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,其特征在于,所述基站使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带,获得基带信号,根据当前信道场景,通过硬判决获得硬判决序列包括:
基站使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带,获得基带信号,上行传输信号为免授权上行传输信号,它是若干活跃用户设备发送的信号的叠加;
使用积分存储滤波器对基带信号进行滤波采样获得采样序列Y
根据当前信道场景,使用判决门限为
Figure 549381DEST_PATH_IMAGE008
的硬限幅器对采样序列Y进行硬判决获得二进制形式的硬判决序列B,其中,对于采样序列Y中的第
Figure 915772DEST_PATH_IMAGE009
个采样值
Figure 36174DEST_PATH_IMAGE010
,若其能量
Figure 301065DEST_PATH_IMAGE011
大于判决门限
Figure 165116DEST_PATH_IMAGE008
,则二进制形式的硬判决序列B的第
Figure 448329DEST_PATH_IMAGE009
个值
Figure 5213DEST_PATH_IMAGE012
为1,否则为0。
4.根据权利要求1所述的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,其特征在于,当信道场景为用户设备时间同步的单径衰落信道时,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息的步骤包括:
根据公式
Figure 193617DEST_PATH_IMAGE013
计算满足条件的用户设备索引,并将所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表;其中,
Figure 861359DEST_PATH_IMAGE014
为硬判决序列B的身份序列部分包含第n个用户设备的身份序列的1的数量,
Figure 733500DEST_PATH_IMAGE015
为分配给第n个用户设备的身份序列的1的数量,
Figure 477596DEST_PATH_IMAGE016
为识别容忍门限;
根据公式
Figure 700767DEST_PATH_IMAGE017
计算用户设备索引列表中用户设备的满足条件的消息;其中,
Figure 906621DEST_PATH_IMAGE018
为硬判决序列B的消息序列部分包含所述用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息序列的1的数量,
Figure 351377DEST_PATH_IMAGE019
为所述用户设备索引列表中分配给第k个用户设备的第j个消息序列的1的数量,
Figure 515643DEST_PATH_IMAGE020
为消息容忍门限。
5.根据权利要求1所述的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,其特征在于,当信道场景为用户设备时间同步的多径衰落信道时,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息的步骤包括:
已知所有用户设备的信道延迟,根据公式
Figure 163793DEST_PATH_IMAGE021
计算满足条件的用户设备索引,并将所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表;其中,
Figure 924069DEST_PATH_IMAGE022
为硬判决序列B的身份序列部分包含第n个用户设备的身份序列的1及其延迟副本的数量;
Figure 36382DEST_PATH_IMAGE023
为分配给第n个用户设备的身份序列的1的数量,
Figure 105969DEST_PATH_IMAGE016
为识别容忍门限;
根据公式
Figure 303732DEST_PATH_IMAGE024
计算所述用户设备索引列表中用户设备的满足条件的消息;其中,
Figure 303918DEST_PATH_IMAGE025
为硬判决序列B的消息序列部分包含所述用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息序列的1及其延迟副本的数量,
Figure 270737DEST_PATH_IMAGE026
为分配给所述用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息序列的1的数量,
Figure 245646DEST_PATH_IMAGE020
为消息容忍门限。
6.根据权利要求1所述的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,其特征在于,当信道场景为用户设备时间非同步的单径衰落信道时,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息的步骤包括:
已知用户设备最大到达时延为Z,使用滑窗算法,执行Z次滑窗,使用公式
Figure 771236DEST_PATH_IMAGE027
计算第
Figure 122583DEST_PATH_IMAGE028
次滑窗算法满足条件的用户设备索引,并将Z次滑窗中所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表;其中,
Figure 147171DEST_PATH_IMAGE029
为硬判决序列B
Figure 807828DEST_PATH_IMAGE028
个滑窗的身份序列部分包含第n个用户设备的身份序列的1的数量,
Figure 714604DEST_PATH_IMAGE030
为分配给第n个用户设备的身份序列的1的数量,
Figure 869642DEST_PATH_IMAGE016
为识别容忍门限,
Figure 811053DEST_PATH_IMAGE031
执行Z次滑窗,根据公式
Figure 878497DEST_PATH_IMAGE032
计算所述用户设备索引列表中用户设备满足条件的消息,合并Z次滑窗结果确定用户设备索引列表中用户设备发送消息;其中,
Figure 475832DEST_PATH_IMAGE033
为硬判决序列B
Figure 168982DEST_PATH_IMAGE028
个滑窗的消息序列部分包含第k个用户设备的第j个消息序列的1的数量,
Figure 479746DEST_PATH_IMAGE034
为分配给所述用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息序列的1的数量,
Figure 232938DEST_PATH_IMAGE020
为消息容忍门限。
7.根据权利要求1所述的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法,其特征在于,当信道场景为用户设备时间非同步的多径衰落信道时,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息的步骤包括:
已知用户设备最大到达时延为Z,使用滑窗算法,执行Z次滑窗,使用公式
Figure 114307DEST_PATH_IMAGE035
计算第
Figure 299563DEST_PATH_IMAGE028
次滑窗算法满足条件的用户设备索引,并将Z次滑窗中所有满足条件的用户设备索引组成一个列表,获得用户设备索引列表;其中,
Figure 949987DEST_PATH_IMAGE036
为二进制序列B
Figure 139660DEST_PATH_IMAGE028
个滑窗的身份序列部分包含第n个用户设备的身份序列的1及其延迟副本的数量,
Figure 508324DEST_PATH_IMAGE037
为分配给第n个用户设备的身份序列的1的数量,
Figure 792544DEST_PATH_IMAGE016
为识别容忍门限,
Figure 500737DEST_PATH_IMAGE031
执行Z次滑窗,根据公式
Figure 595732DEST_PATH_IMAGE038
计算所述用户设备索引列表中用户设备满足条件的消息,合并Z次滑窗结果确定用户设备索引列表中用户设备发送消息;其中,
Figure 468004DEST_PATH_IMAGE039
为二进制序列B
Figure 41068DEST_PATH_IMAGE028
个滑窗的消息序列部分包含第k个用户设备的第j个消息序列的1及其延迟副本的数量,
Figure 666084DEST_PATH_IMAGE040
为分配给所述用户设备索引列表中第k个用户设备的第j个消息序列的1的数量,
Figure 384510DEST_PATH_IMAGE020
为消息容忍门限。
8.一种应用于大规模多址接入的收发系统,其特征在于,用于实现权利要求1~7任一项所述的方法,包括:分配单元、用户设备与基站;其中:
所述分配单元,用于结合设定的活跃概率,为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本;
所述用户设备包括:信息存储单元,用于存储身份序列和消息码本;无线信号发送单元,用于在进行上行传输时,将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列,获得消息序列,并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输;
所述基站包括:无线信号采样判决单元,用于使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带,获得基带信号,根据当前信道场景,通过硬判决获得硬判决序列;译码单元,其包含多个子单元,不同子单元使用不同的译码方式,根据信道场景通过相应子单元,由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表,结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息;活跃与译码判定单元,用于根据译码单元的输出结果识别出活跃用户设备并确定对应消息。
9.一种用户设备,包括存储器和处理器,其特征在于,所述存储器,用于存储程序,所述处理器,用于执行所述程序,实现如权利要求1~7中任一项所述方法中与所述用户设备相关的步骤。
10.一种基站,包括存储器和处理器,其特征在于,所述存储器,用于存储程序,所述处理器,用于执行所述程序,实现如权利要求1~7中任一项所述方法中与所述基站相关的步骤。
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