CN1463097A - 正交频分多址ofdm系统中的随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在OFDM蜂窝移动信系统中使用的随机接入方法。通过这种接入方式，OFDM系统中的用户端可以完成入网初始注册，待机状态中信令的传输以及突发短分组数据包的传输。本方法通过接入试探和接入消息传输两个步骤来实现移动端的接入过程。本发明的主要特点：①独立安排接入试探和接入消息发送的时隙，使得多用户的接入前缀和接入消息之间各自独立处理且互不影响；②采用适合OFDM系统的同步方法，使系统在处理接入的同时还可对移动端的定时和频偏进行有效的估计和纠正；③采用CRC检错判定冲突的方式来检测多用户接入冲突。本发明是一种适合OFDM系统的随机接入方法，同时也是一种对OFDM系统进行定时和频偏初估计的方法。

Description

正交频分多址OFDM系统中的随机接入方法

                       技术领域

本发明涉及一种在OFDM蜂窝移动信系统中使用的随机接入方法，特别涉及一种基于OFDM方式的无线蜂窝移动通信系统中，多用户在共享随机接入信道随机接入系统的实现方法。

                       背景技术

随着移动通信技术的快速发展和多媒体应用的出现，人们对新一代蜂窝移动通信系统无线传输技术提出了更高的要求和希望，与此同时，宽带OFDM(正交频分复用)作为一种新的解决问题的方式，在新一代蜂窝移动通信系统的舞台上越来越受到人们的关注。

OFDM是一种并行传输技术，它在指定频带上设置K个等间隔的正交子载波，每个子载波被单独调制，符号周期是同速率单载波系统的K倍，对符号间串扰的敏感性较单载波系统大大降低，从而能够更有效的对抗多径干扰。通常，采用OFDM技术的蜂窝式移动通信系统具有以下优点：(1)具有有效的抗多径能力；(2)通过在各个符号间插入保护间隔能有效的消除符号间干扰(ISI)；(3)适合高速数据传输；(4)无线频率使用效率高；(5)具有强大的抗噪声能力。

OFDM系统具有和以往很多移动通信系统不同的特点，这些特点也使得应用于OFDM系统中的随机接入方式有自己独特的一面。我们知道，OFDM具有上述优越性能的同时，还存在一些自身的缺点，其中之一就是对频偏特别敏感，这是由于OFDM系统中的各子载波是正交划分的，一旦子载波间的正交性得不到保证，则性能会急剧恶化。因此，OFDM系统应用于移动通信系统时，在上、下行链路中均需要保证较好的频率同步。同样对于OFDM系统中的随机接入方式也必须考虑到这些问题。因为随机接入过程中良好的同步策略不仅可以保证接入前缀在尽可能小的虚检概率下有较大的检测概率和接入消息的正确接收，同时，还可通过将定时和频偏估计值反馈给移动端进行调整，使定时和频率偏差控制在系统允许的范围之内。

目前经常使用的多址接入机制主要有三类：随机竞争类，如Aloha系列；按需分配类，如token ring；固定分配类，如FDMA、TDMA、CDMA等。这三类多址接入技术分别用于不同的通信业务。随着通信技术的发展，为了获得高的吞吐量、较低的时延和较少的系统开销，各种接入方式正处于不断的改进和融合之中。如CDMA就是固定分配方式和随机分配方式的结合，它有零信道接入时延、带宽利用率高和良好的统计复用特性等优点，但它还存在传输速率受限和基站复杂性高等缺点，使此接入方式不适合OFDM系统。

载波侦听多址访问CSMA技术使整个信道带宽为所有用户共享，只有当信道空闲时，才允许用户发送信息，这种方式降低了碰撞发生的概率。802.11a采用CSMA/CA协议，此协议将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个终端发送，实现了网络系统的集中控制，这种方式通过采用RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send)短信息握手机制，解决了时延、隐藏终端和暴露终端等问题。但此接入方式因接入时延较大而不适合含话音业务的移动通信系统。

随机接入方式是一种竞争方式的多址接入技术，适合于强突发性业务，ALOHA就是一种简单的随机接入方式。但纯ALOHA当业务量较重时，容易发生业务流碰撞。为减少冲突，通常使用改进后的时隙ALOHA方式。时隙ALOHA方式是将时间划分为等长的时隙(slot)，接入申请只能在每个时隙开始时才能发送出去。此方式的优点是使用户能在任意时刻随机接入系统并在一定程度上降低了多用户冲突的概率，且只有当同一个时隙有两个或两个以上的用户到达，才会发生冲突，故此方式的网络吞吐量较纯ALOHA提高一倍。但对于大容量用户的OFDM蜂窝系统而言，纯时隙ALOHA技术在业务量较重时的网络吞吐量仍无法满足要求。

                        发明内容

本发明的目的为了克服现有技术存在的上述问题和不足，提供的一种正交频分多址OFDM系统中的随机接入方法，该方法是一种基于时隙ALOHA技术，并针对OFDM系统的特点设计的随机接入方法。本随机接入方法采用时域-码域二维的随机接入思想，时域中每帧设计8个接入时隙进行时隙ALOHA的随机接入，码域中安排有16个前缀码供用户随机选择，其优点是若在同一个接入时隙有多个用户到达，只要有这些用户所选的前缀码互异或部分互异，基站端仍能正确或按一定概率正确地对其中某一用户进行接入应答指示，而不会出现冲突。这种设计使OFDM系统中的随机接入不会受到时隙ALOHA理论吞吐量的限制，且在网络负载较小时具有较大的接入吞吐量，并且随网络负载的增加，亦会保证一定的吞吐量使其不会急剧恶化。

本发明的技术方案为：

正交频分多址OFDM系统中的随机接入方法，包括移动端处理和基站端处理两个部分，移动端处理的步骤如下：

①、当移动端接收到来自MAC层的接入指示并给定接入服务等级后，从可用的若干个接入前缀符号中等概率地随机选择一个将其做为接入申请的用户临时ID，然后再在给定的时隙范围内随机选择一个接入时隙根据一定的退避概率在该时隙中发送接入申请，在完成发送后移动端开始监视下行接入控制消息；

②、若移动端接收到来自基站端否定的一次响应，则汇报上层告知接入失败。若未收到响应，则会在下一帧的时刻中重新选择时隙和前缀发起接入申请直到达到最大重传次数，若收到肯定的一次响应，移动端将在下个时隙发送用户的冲突检测消息，同时开始监视下行接入控制指示信道的消息，等待来自基站端的二次确认；

③、若移动端收到基站否定的二次响应，则判定发生了冲突需要重新发起接入申请。若未收到任何响应，则需重新发起接入。若收到肯定的二次应答，则判定无冲突发生，随后发送用户接入消息并汇报MAC层接入结束；

基站端的处理步骤如下：

①、基站不断监视上行随机接入时隙，根据匹配的方法将接入申请部分与本地的序列进行相关来判断当前有几个接入前缀被同时使用发起接入申请；

②、若未检测到有接入申请，则继续监视。若检测到若干接入申请则首先分别对其进行同步估计及调整，其后再根据等概的原则从中随机选取一个对其进行肯定的应答，并将同步消息反馈给对应的移动端要求其进行补偿，对同一时隙其他的接入申请则都予以否定应答，同时继续监视随机接入信道等待该用户的冲突检测消息和其他用户的接入申请；

③、当基站端接收到移动端的冲突检测消息后首先对其进行同步估计及调整，其后对消息部分进行CRC校验，若发现CRC错，则判断发生冲突并发送否定的二次响应给该用户要求其进行重传处理，若CRC校验正确，则认为无冲突发生，发送肯定的二次确认消息给移动端，同时继续监视上行链路等待用户发送接入消息。

④、当基站端接收到移动端的接入消息后首先对其进行同步估计及调整，然后提取用户信息并汇报上层结束此次接入过程。

所述的接入前缀和冲突检测消息均采用两个短符号的方式来承载消息。接入前缀的同步是利用循环前缀的相关性来进行符号初同步和频偏估计并利用接入前缀中PN序列的强相关性来进行符号细同步，采用两个短符号来承载前缀消息，将两个短符号的相关值加权平均。冲突检测消息的同步主要是利用循环前缀和间插在接入消息中导频的特性进行符号初同步和频偏估计，并通过估计信道冲激响应的方式来进行符号细同步，冲突检测消息部分也采用两个短符号的方式，将两个短符号的相关值加权平均。接入消息部分的同步是利用循环前缀的相关性和导频信息特性进行符号初同步和频率估计，并通过信道冲激响应的方式来进行符号细同步，接入消息部分由于采用多个OFDM符号传输，将多个符号的计算结果加权平均。

所涉及的接入前缀搜索是基站端根据一定策略来判断是否收到接入申请的过程，根据这个策略的不同，接入申请的漏检概率和虚检概率会有所改变。本发明中的前缀搜索原则是在保证足够低的虚检概率的基础上尽量降低漏检概率以达到最佳的接入状态。这里所采用的方法是根据峰均比特征计算一个动态门限，根据此门限来判定是否收到接入申请。

所涉及到的接入冲突检测是利用移动端冲突检测部分的信息来提取的，当不同用户由于发送同一接入申请而同时被基站肯定应答后，它们发送的不同冲突检测消息会引起基站端CRC校验错，从而可以利用其判断冲突的情况。

本发明中所设计的接入过程中移动端首先发送接入前缀进行试探，得到肯定应答以后再发送冲突检测消息进行冲突检测，得到肯定的二次响应以后再发送接入消息传输用户有关信息。其中接入前缀、冲突检测消息和接入消息是在互相独立的时隙或信道中传输，并且接入消息的处理与接入前缀、冲突检测消息的接收相对独立，这种设计在一定程度上提高了接入吞吐量和接入效率。

本发明不仅可使用户在任意时刻快速接入OFDM系统，还可使基站给用户分配数据信道之前将定时和频率偏差控制在系统允许的范围之内。本发明采用时域-码域二维的随机接入思想，时域中每帧设计8个接入时隙进行时隙ALOHA的随机接入，码域中安排有16个前缀码供用户随机选择，其优点是若在同一个接入时隙有多个用户到达，只要有这些用户所选的前缀码互异或部分互异，基站端仍能正确或按一定概率正确地对其中某一用户进行接入应答指示，而不会出现冲突。这种设计使OFDM系统中的随机接入不会受到时隙ALOHA理论吞吐量的限制，且在网络负载较小时具有较大的接入吞吐量，并且随网络负载的增加，亦会保证一定的吞吐量使其不会急剧恶化。本发明的主要特点：①独立安排接入试探、冲突检测消息和接入消息发送的时隙，使得多用户的接入前缀、冲突检测消息和接入消息之间各自独立处理且互不影响；②采用适合OFDM系统的同步方法，使系统在处理接入的同时还可对移动端的定时和频偏进行有效的估计和纠正；③采用CRC检错判定冲突的方式来检测多用户接入冲突。本发明是一种适合OFDM系统的随机接入方法，同时也是一种对OFDM系统进行定时和频偏初估计的方法。

                     附图说明

图1是本发明的实现总图。

图2是随机接入移动端处理模块。

图3是随机接入基站端处理模块。

图4是接入前缀搜索模块。

                      具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是包括移动端和基站端处理的随机接入流程图。Ind是MAC指示发起随机接入的控制信息和用户有关接入所需的信息，Res是随机接入模块向MAC层汇报接入情况的消息，Ari(i＝1，2...n是用户的个数)是用户发起的接入申请、冲突检测消息和接入消息，D1d是基站端发送的下行接入控制信息。随机接入处理流程如下：

①、用户i的随机接入移动端处理模块101接收到MAC层的接入指示发起随机接入，并将接入申请传给基站端，同时开始监视下行链路的控制消息D1d。

②、随机接入基站端处理部分102不断监视随机接入信道，当发现有接入申请时，首先进行同步处理，再选择其中一个符合要求的申请通过下行控制消息D1d对其进行一次应答，并对其他申请进行否定，同时开始监听随机接入信道中的冲突检测消息部分。

③、当用户i随机接入移动端处理部分101发现D1d中含有对本接入申请肯定的一次应答后，即在下一个时刻通过随机接入信道发送本用户的冲突检测消息，同时继续监听D1d。

④、当随机接入基站端处理部分102接收到冲突检测消息后，首先对其进行同步处理，再通过CRC校验判定是否发生冲突。若发生冲突，则通过D1d发送否定的二次确认通知移动端处理模块接入失败并使其进行相应处理；若未发生冲突，则通过D1d发送肯定的二次确认通知移动端处理模块无冲突，其后继续监听上行信道中的用户接入消息。

⑤、当用户i随机接入移动端处理部分101接收到D1d中的肯定二次应答后，发送接入消息部分并报告MAC层接入成功并结束随机接入过程；若收到否定的二次应答，则采取对应的重传处理。

图2是随机接入移动端处理模块的实现过程。

随机接入移动端处理模块按照箭头所示流程进行处理。现将实现过程说明如下：

①、当随机接入移动端控制模块201接收到MAC层的指示Ind消息后便指示接入申请发送模块202发送接入申请。

②、下行接入控制处理模块206会根据随机接入的进程监视下行接入控制消息并将其提取送往控制模块201。

③、当控制模块201接收到下行接入控制处理模块206的消息以后，根据一次响应的消息内容指示冲突检测消息发送模块203进行对应处理。

④、当控制模块201接收到下行接入控制处理模块206的消息以后，根据二次响应的消息内容指示接入消息发送模块204进行对应处理。

⑤、当201模块在发送完接入消息后将通过Res汇报MAC层告知接入成功并结束接入过程，当收到否认的二次应答后则告知MAC层接入失败。

⑥、来自模块202、203和204的信息进入上行数据成帧模块205进行数据映射并组成上行帧发送给基站端。

图3是随机接入基站端处理的内部实现过程。

基站端收到来自移动端的接入信息之后，按照时隙结构将其分离出接入前缀、冲突检测消息和接入消息部分，并按图中箭头流向分别进行处理。现将内部实现过程说明如下：

①、接入申请处理过程：

接入申请数据首先进入接入前缀同步模块301完成定时同步和频率同步，其后进入接入前缀匹配搜索模块302进行匹配相关搜索得到被用户使用的接入前缀序号，将302搜索到的接入前缀序号以及301计算的定时、频偏等信息传给接入申请处理单元303。303模块则根据302和301提供的信息，以一种策略选择其中一个接入申请予以肯定应答，其余给予否定应答。同时将给予肯定应答的前缀序号及相应的定时和频偏信息，整合入接入控制消息(API)中；对未选中的接入申请则在API中进行否定应答。

②、冲突检测消息处理过程：

冲突消息数据通过冲突检测消息同步模块304进行定时同步和频率同步，之后将其送到305模块进行信道估计并对其进行补偿。完成补偿的数据再经过冲突检测模块306完成冲突检测消息的解扰、解扩、解调、解码和CRC校验等处理。根据CRC校验的结果，产生相应的二次确认指示(CI)。

接入应答指示消息API和二次确认消息CI将被发送到下行接入控制消息处理模块310，在这里进行成帧并在下行接入控制指示信道进行发送。

③、接入消息处理过程：

接入消息数据通过接入消息同步模块307进行定时同步和频率同步，之后将其送到308模块进行信道估计并对其进行补偿。完成补偿的数据再经过接入消息处理模块309完成接入消息的解扰、解扩、解调、解码和CRC校验等处理。同时将接收到的用户标识、短消息等接入信息通过RES提交给MAC层。

④、同步处理过程：

接入前缀同步模块301是利用循环前缀(CP)的相关性来进行符号粗同步和频偏估计，并利用接入前缀中PN序列的强相关性来进行符号细同步。由于用一个OFDM符号通过CP来做同步时，其抵抗噪声和多径的性能较差，因此为了获得较好的同步性能，采用两个短符号来承载前缀消息。每个短符号单独进行同步处理，将两个短符号的相关值加权平均后，会获得效果更好的符号同步和频偏估计结果。

冲突检测消息同步模块304主要是利用循环前缀和间插在接入消息中导频的特性进行符号粗同步和频偏估计，并通过信道冲激响应的特点来进行符号细同步，它与接入前缀一样，也采用两个短符号的方式来承载消息。

接入消息同步模块307主要是利用循环前缀和间插在接入消息中导频的特性进行符号粗同步和频偏估计，并通过信道冲激响应的特点来进行符号细同步，它采用多个符号来承载消息。

图4是接入前缀搜索模块的内部实现过程。

接入前缀数据按图中箭头流向进行处理。现将实现过程说明如下：

(1)、接入申请数据被同时送往16个相关搜索模块401做匹配搜索。401模块利用本地的第i个(i＝0，1...N)PN做滑动相关来实现匹配搜索。它通过对两个短符号的相关值加权平均并归一化后，与门限进行比较来判断是否接收到序号为i的接入申请。

(2)、N个搜索模块的搜索结果送往合并单元402，并与前面同步模块301产生的定时和频偏信息组合起来供接入前缀处理单元303进行

Claims (8)

1、正交频分多址OFDM系统中的随机接入方法，包括移动端处理和基站端处理两个部分，移动端处理的步骤如下：

①、在给定的接入服务等级下，从可用的若干个接入前缀符号中等概率地随机选择一个接入前缀符号，将其作为接入申请的用户临时ID，然后再在给定的时隙内随机选择一个接入时隙，并根据一定的退避概率来决定是否在选定时隙发送接入申请；

②、在发送了接入申请后，若收到基站端的否定响应，则将接入失败汇报上层，若未收到响应，则会在下一帧重新选择时隙和前缀符号发起接入申请直到达到最大重传次数，若收到肯定响应，将在下个接入消息时隙发送用户的冲突检测消息部分，并监视下行接入控制消息同时进入等待二次确认的状态；

③、等待基站的二次确认消息，若收到基站的否定响应，则判定发生了冲突需要重新发起接入申请，若未收到任何响应，则重新发起接入，若收到肯定的二次应答，则判定无冲突发生，随后发送用户接入消息并汇报上层接入成功，接入过程结束；

基站端的处理步骤如下：

①、基站监视上行帧中随机接入时隙，根据匹配的方法将接入申请部分与本地的序列进行相关来判断当前有几个接入前缀被同时使用发起接入申请；

②、若未检测到有接入申请，则继续监视，若检测到若干接入申请则首先分别对其进行同步估计及调整，其后再根据等概的原则从中随机选取一个对其进行肯定的应答并将同步消息反馈给移动端要求其进行补偿，对同一时隙其他的申请则都予以否定，同时继续监视随机接入信道等待该用户的冲突检测消息；

③、当基站端发送接入控制对某一接入申请进行应答后，继续监视上行帧随机接入时隙，当接收到被肯定移动端的冲突检测消息后，首先对其进行同步估计及调整，其后对消息部分进行CRC校验，若发现CRC错，则判断冲突或失败，发送否定的二次响应给该用户要求其进行重传处理，若CRC校验正确，则认为无冲突发生，同时发送肯定的二次确认消息给移动端。

2、根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于接入前缀和冲突检测消息部分均采用两个短符号的方式来承载消息。

3、根据权利要求2所述的随机接入方法，其特征在于接入前缀同步是利用循环前缀CP的相关性来进行符号初同步和频偏估计并利用接入前缀中PN序列的强相关性来进行符号细同步，采用两个短符号来承载前缀消息，将两个短符号的相关值加权平均。

4、根据权利要求2所述的随机接入方法，其特征在于冲突检测消息同步主要是利用循环前缀和间插在接入消息中导频的特性进行符号初同步和频偏估计，并通过估计信道冲激响应的方式来进行符号细同步，接入消息部分也采用两个短符号的方式，将两个短符号的相关值加权平均。

5、根据权利要求2所述的随机接入方法，其特征在于接入消息同步主要是利用循环前缀和间插在接入消息中导频的特性进行符号初同步和频偏估计，并通过估计信道冲激响应的方式来进行符号细同步，接入消息部分也采用多个OFDM符号的方式，将多个符号的计算结果加权平均。

6、根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于接入申请所采用的方法是根据峰均比特征计算一个动态门限，满足门限要求就判定收到接入申请。

7、根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于接入冲突检测是利用CRC校验来提取的，若不同的用户同时被肯定响应，那么它们发送的冲突检测消息一定会引起CRC校验错，从而可以利用其判断冲突的情况。

8、根据权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于接入前缀、冲突检测消息和接入消息是在互相独立的时隙或信道中传输，并且接入消息的处理与接入前缀的接收相对独立。

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