CN116193623A - 基于cdma的免授权分集竞争随机接入方法 - Google Patents

基于cdma的免授权分集竞争随机接入方法 Download PDF

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CN116193623A CN202310222176.0A CN202310222176A CN116193623A CN 116193623 A CN116193623 A CN 116193623A CN 202310222176 A CN202310222176 A CN 202310222176A CN 116193623 A CN116193623 A CN 116193623A
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Abstract

基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，包括以下步骤；S1：构建大规模用户CDMA上行接入场景；S2：在接入场景中，每个用户随机在系统提供的正交扩频码本中随机选择两个扩频序列进行扩频通信，然后在用户发送的数据帧中记录所选择的扩频序列；S3：用户传输成功后能够正确解码，找到其选择的两个扩频序列，然后在基站接收端接收信息中减去两个扩频序列对应的该用户的输出，消除掉该用户对于其他用户的冲突；S4：在接收端剩余输出继续解码剩余用户的信息；S5：当某次迭代无法解码出任何用户的信息时，迭代结束。本发明采用活跃用户随机选取两个正交扩频序列的方式进行接入，用户在两个正交序列上分集传输自身的数据，大大扩大了系统的容量。

Description

基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法。
背景技术
目前蜂窝物联网设备大多都是通过授权连接的方式连接到接入点(AccessPoint,AP)或基站(Base Station,BS),其无线设备需要通过握手的方式获取接入点的授权并分配资源实现接入。这是因为从1G到4G都人类为主导的通信，设备数量相对较少，且持续时间长，数据量大，授权接入具有实现的优势。但是随着社会的发展，无线通信开始以设备或机器为主，设备数量快速增长，且业务流量小，这是基于授权的接入方式就有诸多弊端。所以基于免授权的上行接入(Grant-Free Access，GFA)方法成为了目前研究的重点问题。
基于上述问题，传统基于正交多址的免授权方案开始被提出，用来减少接入过程中的信令交互，减少接入时延，提高接入效率。其中直接扩频方式的码分多址(DS-CDMA)通信系统因为采用正交扩频码本，具有系统容量高，抗干扰能力强，保密性好的优势。然而传统CDMA上行接入时，用户与基站会先进行四步握手的过程进行接入，用户根据基站的调度发送本身的数据，期间有较多的信令交互过程，增大了接入时延，而且在数据包较小的情况下，信令占用了大部分资源；在大规模用户接入时，基于授权的上行接入过程由于较多的信令交互会导致接入时延变大，传输效率变低。
而且目前的免授权接入过程一般都需要为所有用户分配唯一的序列在基站端进行用户检测，在CDMA中会由于正交序列数量有限对用户规模造成很大的限制。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，采用活跃用户随机选取两个正交扩频序列的方式进行接入，用户在两个正交扩频序列上分集传输自身的数据，大大扩大了系统的容量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，包括以下步骤；
S1：构建大规模用户CDMA上行接入场景；
S2：在所述接入场景中，每个用户在系统提供的正交扩频码本中随机选择两个正交扩频序列进行扩频通信，然后在用户发送的数据帧中记录所选择的扩频序列，用户只要在一个扩频序列上无冲突传输即传输成功；
S3：如果用户传输成功后能够正确解码，找到其选择的两个扩频序列，然后在基站接收端接收信息中减去两个扩频序列对应的该用户的输出，即可消除掉该用户对于其他用户的冲突；基站接收端接收信息减去该用户两个扩频序列对应的输出后剩下的信息称为剩余输出；
S4：消减掉该用户冲突后，在接收端剩余输出继续解码(剩余输出中)对应的用户的信息，因为正确解码数据的用户所产生冲突的用户在本轮能够正确解码，依次迭代；
S5：当某次迭代无法解码出任何用户的信息时，迭代结束，解码出所有的正确信息的用户即为成功传输的用户，基站对这些用户发送响应表示正确接收到发送的信息，没有收到响应的用户在下一时隙到来时重新发送信息。
所述S1具体为：
场景下一个基站服务于M个用户设备，用户设备包括手机、传感器大量设备，每个设备都只配置一个天线，所述场景的特征是用户规模大，即M数量很大，但是只有少部分用户需要发送数据，发送数据的用户处于活跃状态，称为活跃用户，其余用户都属于非活跃用户，同一时刻，活跃用户数量不超过全部用户数量的5％，即具有零星通信的特征，而且处于活跃用户特征是传输数据包小，随机接入和离开系统。
所述S2具体为：
在接入场景中，当有K个用户处于活跃状态需要发送数据时，定义第k个用户的发送信息为xk，定义正交扩频码本S和码本中第i个序列为si，然后每个活跃用户在总量为N的正交扩频码本S＝[s1,s2,…,sN](N>k)中随机选择两个扩频序列码
Figure BDA0004117162210000031
调制自身的数据比特后分别在这两个相互正交的码字上进行通信，/>
Figure BDA0004117162210000032
分别表示第k个用户在码本S中选取了第i个和第j个序列，而且每个用户选择后会在自己的数据帧结构中记录自己所选择的扩频序列/>
Figure BDA0004117162210000033
的标号i，j，而且在基站端会同步产生完全相同的本地码本S进行接收信号的解调。
所述S3具体为：
用户k的信息xk会在两个扩频序列上进行传输，只要其中一个扩频序列上没有其他用户的数据信息，即无其他用户选取就可以无冲突传输，即传输成功，然后在成功传输的扩频序列上对进行解码后得到正确的xk，通过码校验验证其正确性，然后分析其数据帧结构找到其记录中对应的另一个码字。
所述基站端接收信号为y：
Figure BDA0004117162210000041
其中hk是用户k的无线信道增益，w表示信道为加性高斯白噪声，服从分布N(0,σ2)，设在同一时刻所有用户的信道增益相同，进行归一化处理，接收信号y简化为：
Figure BDA0004117162210000042
定义yk为用户k对应的输出yk为：
Figure BDA0004117162210000043
在基站端利用同步的本地码本S对接收信号y进行自相关解调；
定义u＝STy为自相关解调的过程，u中每个元素为在码本S中每个序列上对应解调出的用户数据，经过自相关解调，解调出每个正交扩频序列使用的用户，定义码本中第n个序列上解调出的用户数据为：
xn＝sny
经过自相关解调后，得到每个扩频序列上的用户信息，因为用户的扩频序列为随机选取，所以一个扩频序列上可能有多个用户，经过在基站进行码校验，多个用户的信息进行解码后为乱码序列，当扩频序列上只有一个用户发送信息时为正确解码数据。
所述S4具体为：
利用S3中正确解码的用户数据，解析其数据帧，得到该用户的数据信息和选择的两个扩频序列，进一步得到用户对用的正确输出，然后在接收信号中消减掉解调出正确数据的用户对应的输出，即可将这些用户对于其他用户的冲突消减掉；
定义消减掉正确解码出数据的用户对应的输出后，剩余接收信号为y'：
Figure BDA0004117162210000051
其中yk表示第k个用户的正确输出，k表示总共解调出k个用户的正确数据。
所述S5具体为：
对消减掉冲突的剩余接收信号y'，基站继续利用本地码本对y'进行解调，重复上述S3与S4，当在基站端无法解码出任何用户的正确信息后，迭代终止，将所有解调出的正确数据，作为免授权接入过程中检测到的活跃用户发送数据。
本发明的有益效果：
本发明与传统基于DS-CDMA系统相比，首先采用免授权的上行接入方法，简化了信令流程，降低了接入时延。其次因为发送信息的用户具有随机性，本发明中，每个用户在上行传输会随机选择两个不同的正交序列进行扩频传输，实现分集传输，只有多个用户选择完全相同的两个正交序列时才会产生冲突，大大减少了冲突的概率，增大了系统的接入率，而且在用户发生冲突，还具有一定的冲突消减能力。在活跃用户数很少的情况下，活跃用户检测性能表现较好。
附图说明
图1是本发明的上行接入场景图。
图2是本发明DS-CDMA免授权上行随机接入扩频选择图。
图3是本发明的用户信息检测算法的具体流程。
图4是本发明用户发送的数据帧结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图3，本实施例的具体操作步骤如下：
步骤一:构建大规模用户上行接入场景
本发明的系统场景如图1所示，场景下一个基站服务于M个用户设备，其中可以包括手机、传感器等大量设备，每个设备都只配置一个天线。该场景的特征是用户规模大即M数量很大，但是只有少部分用户需要发送数据，发送数据的用户处于活跃状态，称为活跃用户，其余用户都属于非活跃用户，同一时刻，活跃用户数量不超过全部用户数量的5％，即具有零星通信的特征。而且处于活跃用户特征是传输数据包小，随机接入和离开系统。
步骤二：用户选取扩频序列
在图1对应上行接入场景中，当有K个用户处于活跃状态需要发送数据时，定义第k个用户的发送信息为xk，xk的帧结构如图4所示，定义正交扩频码本S，和码本中第i个序列为si，然后每个活跃用户在总量为N的正交扩频码本S＝[s1,s2,…,sN](N>k)中随机选择两个扩频序列码
Figure BDA0004117162210000061
调制自身的数据比特后分别在这两个相互正交的码字上进行通信，
Figure BDA0004117162210000062
分别表示第k个用户在码本S中选取了第i个和第j个序列，而且每个用户选择后会在自己的数据帧结构中记录自己所选择的扩频序列/>
Figure BDA0004117162210000063
的标号i，j。而且在基站端会同步产生完全相同的本地码本S进行接收信号的解调。
步骤三：解码成功传输用户信息
用户k的信息xk会在两个扩频序列上进行传输，只要其中一个扩频序列上没有其他用户的数据信息，即无其他用户选取就可以无冲突传输，即传输成功，然后在成功传输的扩频序列上对进行解码后得到正确的xk，通过码校验验证其正确性，然后分析其数据帧结构找到其记录中对应的另一个码字。
定义在基站端接收信号为y：
Figure BDA0004117162210000071
其中hk是用户k的无线信道增益，假设在信道稳定的情况下，在同一时间无线信道对每个用户的增益是相同的，为了方便计算，进行归一化处理w表示信道为加性高斯白噪声，服从分布N(0,σ2)。将无线信道增益归一化处理之后，接收信号y简化为：
Figure BDA0004117162210000072
定义yk为用户k对应的输出yk为：
Figure BDA0004117162210000073
在基站端利用同步的本地码本S对接收信号y进行自相关解调，定义u＝STy为自相关解调的过程，u中每个元素为在码本S中每个序列上对应解调出的用户数据，因为用户之间选择的为相互正交的扩频码片，所以经过自相关解调，解调出每个正交扩频序列使用的用户。
定义码本中第n个序列上解调出的用户数据为：
xn＝sny
经过自相关解调后，得到每个扩频序列上的用户信息，因为用户的扩频序列为随机选取，所以一个扩频序列上可能有多个用户，经过在基站进行码校验，多个用户的信息进行解码后为乱码序列，当扩频序列上只有一个用户发送信息时可以正确解码数据。
步骤四：冲突消减
利用步骤三中正确解码的用户数据，解析其数据帧，可以得到该用户的数据信息和选择的两个扩频序列，进一步得到用户对用的正确输出。然后在接收信号中消减掉解调出正确数据的用户对应的输出，即可将这些用户对于其他用户的冲突消减掉。因为用户在一个序列上传输成功即可正确解码，另一个序列有可能与其他用户冲突，通过冲突消减可以将另一个序列上对于其他用户冲突消除掉，即冲突消减。
定义消减掉正确解码出数据的用户对应的输出后，剩余接收信号为y'：
Figure BDA0004117162210000081
其中yk表示第k个用户的正确输出，k表示总共解调出k个用户的正确数据。
步骤五：迭代解码
对消减掉冲突的剩余接收信号y'，基站继续利用本地码本对y'进行解调，重复上述步骤三与步骤四。当在基站端无法解码出任何用户的正确信息后，迭代终止。将所有解调出的正确数据，作为免授权接入过程中检测到的活跃用户发送数据。
步骤六：算法示例
如图2所示：用户1选择s1、s2扩频序列，用户2选择s2、s4扩频序列，用户1选择s3、s4扩频序列。在s2序列上用户1与用户2之间冲突，但是在s1码序列上能够正确解码用户1的数据，然后在s2码序列接收到的信号减去用户1数据与s2的调制结果后就可以将用户2与用户1的冲突解决，用户1与用户2都可以正确传输自身的数据，而用户3则可以直接在s3码字上直接正确传输。
上述所述示例中，在接收端接收信号为：
Figure BDA0004117162210000082
使用本地生成的同步码本进行解调得：
STy＝[s1y,s2y,…,sNy]＝[x1,x1+x2,x3,x2+x3]
在上式中，首先可以在s1，s3序列上对x1，x3进行正确解码，对x1进行解码后在它的数据信息里可以得到用户1和用户3选择的序列分别为s1，s2与s3，s4可以进一步得到用户1和用户3对应的输出：
y1+y3＝s1x1+s2x1+s3x3+s4x3
在接收端接收信号减去y1与y3得到：
Figure BDA0004117162210000091
此时在s2，s4码片上都可以运用公式xn＝sny解调出正确的用户2的数据，此处应注意倘若还有未正确检测出的用户，在剩余接收信号消减用户2的数据信息，应只在其对应序列上进行一次运算，即用户2在s2，s4都解调出正确数据信息，但是只利用一个正确数据就可以得到其选择的两个码片，然后在接受信号进行消减即可，此处应注意避免对同一用户重复消减造成检测错误。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1：构建大规模用户CDMA上行接入场景；
S2：在所述接入场景中，每个用户在系统提供的正交扩频码本中随机选择两个正交扩频序列进行扩频通信，然后在用户发送的数据帧中记录所选择的扩频序列，用户只要在一个扩频序列上无冲突传输即传输成功；
S3：如果用户传输成功后能够正确解码，找到其选择的两个扩频序列，然后在基站接收端接收信息中减去两个扩频序列对应的该用户的输出，即可消除掉该用户对于其他用户的冲突；基站接收端接收信息减去该用户两个扩频序列对应的输出后剩下的信息称为剩余输出；
S4：消减掉该用户冲突后，在接收端剩余输出继续解码对应的用户的信息，因为正确解码数据的用户所产生冲突的用户在本轮能够正确解码，依次迭代；
S5：当某次迭代无法解码出任何用户的信息时，迭代结束，解码出所有的正确信息的用户即为成功传输的用户，基站对这些用户发送响应表示正确接收到发送的信息，没有收到响应的用户在下一时隙到来时重新发送信息。
2.根据权利要求1所述的基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，其特征在于，所述S1具体为：
场景下一个基站服务于M个用户设备，每个设备都只配置一个天线，发送数据的用户处于活跃状态，称为活跃用户，其余用户都属于非活跃用户，同一时刻，活跃用户数量不超过全部用户数量的5％，即具有零星通信的特征，而且处于活跃用户特征是传输数据包小，随机接入和离开系统。
3.根据权利要求1所述的基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，其特征在于，所述S2具体为：
在接入场景中，当有K个用户处于活跃状态需要发送数据时，定义第k个用户的发送信息为xk，定义正交扩频码本S和码本中第i个序列为si，然后每个活跃用户在总量为N的正交扩频码本S＝[s1,s2,,sN](N>k)中随机选择两个扩频序列码
Figure FDA0004117162200000021
调制自身的数据比特后分别在这两个相互正交的码字上进行通信，/>
Figure FDA0004117162200000022
分别表示第k个用户在码本S中选取了第i个和第j个序列，而且每个用户选择后会在自己的数据帧结构中记录自己所选择的扩频序列/>
Figure FDA0004117162200000023
的标号i，j，而且在基站端会同步产生完全相同的本地码本S进行接收信号的解调。
4.根据权利要求1所述的基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，其特征在于，所述S3具体为：
用户k的信息xk会在两个扩频序列上进行传输，只要其中一个扩频序列上没有其他用户的数据信息，即无其他用户选取就可以无冲突传输，即传输成功，然后在成功传输的扩频序列上对进行解码后得到正确的xk，通过码校验验证其正确性，然后分析其数据帧结构找到其记录中对应的另一个码字。
5.根据权利要求1所述的基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，其特征在于，所述基站端接收信号为y：
Figure FDA0004117162200000024
其中hk是用户k的无线信道增益，w表示信道为加性高斯白噪声，服从分布N(0,σ2)，接收信号y简化为：
Figure FDA0004117162200000031
定义yk为用户k对应的输出yk为：
Figure FDA0004117162200000032
在基站端利用同步的本地码本S对接收信号y进行自相关解调；
定义u＝STy为自相关解调的过程，u中每个元素为在码本S中每个序列上对应解调出的用户数据，经过自相关解调，解调出每个正交扩频序列使用的用户，定义码本中第n个序列上解调出的用户数据为：
xn＝sny
经过自相关解调后，得到每个扩频序列上的用户信息，因为用户的扩频序列为随机选取，所以一个扩频序列上可能有多个用户，经过在基站进行码校验，多个用户的信息进行解码后为乱码序列，当扩频序列上只有一个用户发送信息时为正确解码数据。
6.根据权利要求1所述的基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，其特征在于，所述S4具体为：
利用S3中正确解码的用户数据，解析其数据帧，得到该用户的数据信息和选择的两个扩频序列，进一步得到用户对用的正确输出，然后在接收信号中消减掉解调出正确数据的用户对应的输出，即可将这些用户对于其他用户的冲突消减掉；
定义消减掉正确解码出数据的用户对应的输出后，剩余接收信号为y'：
Figure FDA0004117162200000033
其中yk表示第k个用户的正确输出，k表示总共解调出k个用户的正确数据。
7.根据权利要求1所述的基于CDMA的免授权分集竞争随机接入方法，其特征在于，所述S5具体为：
对消减掉冲突的剩余接收信号y'，基站继续利用本地码本对y'进行解调，重复上述S3与S4，当在基站端无法解码出任何用户的正确信息后，迭代终止，将所有解调出的正确数据，作为免授权接入过程中检测到的活跃用户发送数据。
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