CN1713607A - 一种用于时分正交频分多址系统中的随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于时分正交频分多址系统中的随机接入方法，包括：在系统中设置优先随机接入信道；在实时业务终端将发送随机接入请求时，从窗口函数[1，CW_R]中随机选择数字M，占用优先随机接入信道中的第M个子信道向接入点发送随机接入预约码，在接收到系统对预约码的反馈信息后，实时业务终端占用下一帧的随机接入信道中的对应子信道无竞争地发送随机接入请求；在非实时业务终端将发送随机接入请求时，从窗口函数[1，CW_N]中随机选择数字N，监听系统对优先随机接入信道的各个子信道预约码的反馈信息，计算后继帧的随机接入信道中未被预约的空闲子信道，从而找到随机接入信道的第N个空闲子信道，并占用子信道发送随机接入请求。

Description

一种用于时分正交频分 多址系统中的随机接入方法

技术领域

本发明涉及一种适用于时分正交频分多址系统中的随机接入方法。

背景技术

在无线数字网络中，随机接入协议一直是人们研究的热点，尤其是在一些具有微小区结构或业务量峰值/平均率高的系统中，特别希望能采用一种简单、高效的随机接入技术，满足人们随时随地信息访问、计算和通信的需求。目前虽然对未来移动通信系统没有明确的定义，但普遍认为该系统是基于正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)等先进技术和Ipv6核心网络的多种无线接入网络的有机结合。其中OFDM可以有效地克服信道时延扩展和频率选择性衰落对数据传输带来的影响，已被越来越广泛地应用于移动通信领域，例如HiperLan/2、IEEE802.16以及IEEE802.20等系统。在这些系统中，多采用简洁的ALOHA算法作为随机接入协议，然而该协议无法有效消除随机接入信道上接入请求分组的碰撞，从而可能成为影响系统性能的瓶颈。因此为了提高通信系统的整体性能，提出高效的随机接入方案十分关键。

目前已有许多协议被提出以解决随机接入过程中的碰撞问题，有基于时隙ALOHA的协议、基于资源预留的协议和基于动态配置随机接入信道资源的协议等等。也有文献提出应用信号处理技术来解决碰撞问题。但是这些算法或者不适用于分组网络频繁的突发性业务需求，或者计算过于复杂。更重要的是，网络终端以相同的概率发送不同业务优先级的随机接入请求，若发生碰撞，这些请求将不得不按照同一优先级别进行退避重发，显然这将导致系统无法针对实时业务提供有效的QoS保障。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了优先随机接入信道FRRACH的构思，并在此基础上设计了一种适用于时分正交频分多址(TD-OFDMA)系统的随机接入方法。在该随机接入方法中，网络终端可以根据接入请求的业务时延敏感特性的差异采取不同的处理方式。从而有效地避免分组碰撞，提高随机接入的成功概率，并保障实时业务的QoS需求。

根据本发明，提供了一种用于时分正交频分多址系统中的随机接入方法，包括步骤：

(1)在所述系统中设置优先随机接入信道；

(2)在实时业务终端将发送随机接入请求时，从窗口函数[1，CW_R]中随机选择一个数字M，并且占用所述优先随机接入信道中的第M个子信道向接入点发送随机接入预约码，在接收到所述系统对所述预约码的反馈信息后，所述实时业务终端占用下一帧的随机接入信道中的对应子信道无竞争地发送随机接入请求；

(3)在非实时业务终端将发送随机接入请求时，从窗口函数[1，CW_N]中随机选择一个数字N，监听所述系统对优先随机接入信道的各个子信道预约码的反馈信息，并且计算后继帧的随机接入信道中未被预约的空闲子信道，从而找到随机接入信道的第N个空闲子信道，并占用所述子信道发送随机接入请求。

根据本发明的基本构思，在系统中增加了优先随机接入信道FRRACH，用户终端对不同时延特性的业务采用不同的窗函数；用户终端根据窗函数随机选择数字，并在优先随机接入信道FRRACH或随机接入信道RACH上，发送随机接入预约码或随机接入分组；用户终端根据系统确认信息和接入业务的级别选择不同的随机退避算法完成随机接入。

在本发明中，通过对FRRACH信道的有效运用，显著提高了RT业务接入请求的成功概率，有效降低了RT业务的随机接入时延，有利于对多种业务提供区分优先级的QoS保障。总之，本发明不仅实现复杂度较低，而且能够在系统负荷较重的情况下提供远远优于其他的方案的接入性能。

附图说明

下面参照附图并结合实例来进一步描述本发明。其中：

图1示出了根据本发明的OFDMA系统的一种MAC帧结构；

图2示出本发明的方法与没有引入FRRACH的普通OFDMA系统随机接入方法在相同随机接入信道资源情况下，随网络用户数目的增加，接入成功概率的性能曲线图；

图3示出本发明的方法与没有引入FRRACH的普通OFDMA系统随机接入方法在相同随机接入信道资源情况下，随网络用户数目的增加，实时业务随机接入时延的性能曲线图。

具体实施方式

假设无线系统采用蜂窝网络拓扑结构，某个小区内接入点AP兼作中央控制器，N个移动终端MT自由分布于整个小区。空中传输时延可以忽略，且整个系统是时隙同步和载频同步的。系统支持的业务类型可划分为时延敏感的实时业务(RT业务，例如话音业务和流媒体业务)和非时延敏感的非实时业务(NRT业务，例如数据业务)两大类。业务的产生服从每帧速率为λ的泊松分布，即系统中平均每帧产生λ·N个随机接入请求。且产生的业务以概率确定为RT业务，以概率1-确定为NRT业务，仿真中我们取的参数值为

图1示出了我们假设的OFDMA系统的一种MAC帧结构。系统MAC帧长为Tms。每帧包含J个时隙，每个时隙由I个OFDM符号组成。每个OFDM符号包括S个子载波，每V个子载波组成一簇，共C簇，所以有S＝C·V，且系统的最小资源单位为一个时隙中相邻的V个子载波，即一簇。此处为方便描述，假设RACH与FRRACH都位于第一个时隙中。

为了更好地保障不同优先级业务的QoS需求，我们利用OFDM子载波正交特性，以较小的资源代价提出了优先随机接入信道FRRACH，用以保证RT业务分组的快速接入。此机制避免了RT业务还需要和同帧内到达的NRT业务共同竞争随机接入信道的问题，保证了RT业务的QoS需求，较好地解决了现有随机接入方案的分组碰撞问题。为了更好地适应未来移动通信网络无线资源灵活分配的需求，RACH与FRRACH在每帧中的资源配置并非固定不变的，而是由AP根据网络业务状况进行灵活分配。考虑到分组网络的频繁突发性，这里主要考虑了RACH包括多个子信道的情况，并使用变量CW表示每帧中RACH的子信道数目。在图2和图3所示的仿真中，我们选择的CW参数值为5。此处为方便描述，假设RACH与FRRACH都位于第一个时隙中，显然，FRRACH的子信道与RACH的子信道具有一一对应关系。AP通过下行公共控制信道向小区内的移动终端公布本帧对FRRACH上成功发送的随机接入预约码的反馈信息和对RACH上成功发送的随机接入请求的确认信息。

当RT业务终端欲发送随机接入请求时，首先在窗口[1，CW_R]中随机选择一个数字M，而后占用FRRACH的第M个子信道向AP发送随机接入预约码，该码字不包括任何业务信息和终端信息，仅指示下一帧RACH子信道的预约情况。其中，CW_R代表RT业务的窗函数，且CW_R＝δ·CW，其中，δ为性能影响因子，CW为FRRACH的子信道数，由系统根据网络业务的分布状况决定，仿真中取δ的值为1。随后，终端监听公共控制信道中对随机接入预约码的反馈信息。若接收到自身预约码的反馈信息，终端将占用下一帧RACH中的对应子信道无竞争地发送包括终端信息与相关资源请求参数在内的随机接入请求。若没有接收到自身随机接入预约码的反馈信息，终端将重复上述过程直至该请求成功接入或被抛弃。

当NRT业务终端欲发送随机接入请求时，首先在窗口[1，CW_N]中随机选择一个数字N，监听公共控制信道中对FRRACH各子信道预约码的反馈信息，计算下一帧RACH中未被预约的空闲子信道。若空闲子信道数大于N，则终端在下一帧RACH的第N个空闲子信道发送随机接入请求；若下一帧RACH未被预约的空闲子信道数小于N，则终端放弃在下一帧发送接入请求，继续监听下一帧的公共控制信道，并累加计算后续帧RACH的空闲子信道数，直到数出第N个空闲子信道，终端占用该信道发送随机接入请求。若收到接入请求的确认信息，即终端完成随机接入流程，等待系统分配数据传输信道。若没有收到相应确认信息，该终端将重复上述步骤直至该请求成功接入或被抛弃。其中，NRT业务窗函数CW_N的值取决于下式：

${\mathrm{CW}}_N=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{CW}& \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{CW}\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}}& \\ 2^{\mathrm{\&alpha;}}& \mathrm{CW}<2^{\mathrm{\&alpha;}}<\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{CW}& (\mathrm{\&beta;}>1)\\ \mathrm{CW}& 2^{\mathrm{\&alpha;}}\&le;\mathrm{CW}& \end{array}\right.$

式中，α为NRT业务随机接入请求的发送次数，β为性能影响因子，仿真中我们选择的β参数值为2。

上述系统假设业务呼叫的到达服从泊松分布，但这并不完全符合实际情况。当大量的终端随机产生呼叫时，在每个终端通信量都较小的情况下，整个系统的呼叫到达可以看作是泊松过程，但存在重传情况时，到达过程就是一个与重传策略相关的复杂过程。当重传的随机性足够大时，为简化系统分析，我们仍假定呼叫的到达近似服从泊松分布。因此，可以推出在一帧时间内有K个RT业务到达的概率是：

而一帧时间内有K个NRT业务到达的概率是：

式中，G是在一帧时间内产生业务的平均数目，即λ·。在传输误差忽略不计的情况下，我们考虑一个RT业务的某次接入尝试，r。r在某一帧内成功接入的条件是(1)在该帧内没有产生其它RT业务，或者是(2)该帧内产生了其它任意个RT业务，但这些RT业务的随机预约码都没有与r的随机预约码发生碰撞。参考ALOHA算法性能的经典分析方法，我们可以得到在本发明所提随机接入方案中，r在某一帧内成功接入的概率，即没有发生碰撞的概率η为：

η

＝1-p{RT业务随机接入发生碰掸}

＝1-P{该帧内另有一个RT业务到达}·P{r与此RT业务的预约码发生碰撞}

   -P{该帧内另有二个RT业务到达}·P{r与此两个RT业务的预约码发生碰撞的各种情况}

   -P{该帧内另有三个RT业务到达}·P{r与此三个RT业务的预约码发生碰撞的各种情况}

   -......

$=1-\underset{i=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i\&CenterDot;C_i$

式中，C_i为该帧内另外到达的i个RT业务的随机接入预约码在FRRACH上与r的随机接入预约码可能发生碰撞的各种情况的总概率，由概率公式可知：

$C_1=\frac{1}{{\mathrm{CW}}^2}$

$C_2=\frac{C_2^1}{{\mathrm{CW}}^2}-\frac{1}{{\mathrm{CW}}^3}$

$C_3=\frac{C_3^1}{{\mathrm{CW}}^2}-\frac{C_3^2}{{\mathrm{CW}}^3}+\frac{1}{{\mathrm{CW}}^4}$

......

下面，我们将本发明所提算法与没有引入FRRACH的普通OFDMA系统多信道随机接入算法进行比较。由同样的分析可知，相同系统假设条件下，普通随机接入算法中RT业务某次接入尝试，R，的无碰撞接入概率

不仅与同帧内到达的RT业务有关，而且与同帧内到达的NRT业务也有关，R在某一帧内成功接入的概率，即没有发生碰撞的概率 为：

$=1-\underset{i=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_k\&CenterDot;C_{i+k})$                                      式

中，c_i+k为i个RT业务和k个NRT业务的随机接入请求与R可能发生碰撞的各种情况的概率之和，同样由概率公式可知：

$C_{0+1}=C_{1+0}=\frac{1}{{\mathrm{CW}}^2}$

$C_{0+2}=C_{2+0}=C_{1+1}=\frac{C_2^1}{{\mathrm{CW}}^2}-\frac{1}{{\mathrm{CW}}^3}$

$C_{0+3}=C_{3+0}=C_{1+2}=C_{2+1}=\frac{C_3^1}{{\mathrm{CW}}^2}-\frac{C_3^2}{{\mathrm{CW}}^3}+\frac{1}{{\mathrm{CW}}^4}$

$C_{0+4}=C_{4+0}=C_{2+2}=C_{3+1}=C_{1+3}=\frac{C_4^1}{{\mathrm{CW}}^2}-\frac{C_4^2}{{\mathrm{CW}}^3}+\frac{C_4^3}{{\mathrm{CW}}^4}-\frac{1}{{\mathrm{CW}}^5}$

......

显然，当CW＞1时，有C_i＞C_j(i＞j)。另外由于 $\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_k=1,$ r在某一帧内成功接入的概率可以改写为：

$=1-\underset{i=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_k\&CenterDot;C_i)$

$>1-\underset{i=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_k\&CenterDot;C_i)$

$\begin{array}{cc}>1-\underset{i=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i(\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{D}_k\&CenterDot;C_{i+k})& (\mathrm{CW}>1)\end{array}$

由上式可见，当CW＞1时，

即在相同系统参数条件下，引入FRRACH后，RT业务的接入成功概率大于无FRRACH的OFDMA系统RT业务的接入成功概率。可见，根据系统参数、G的取值范围，适当选择CW的取值，本发明所提算法可以更加有效地降低RT业务随机接入请求发生碰撞的概率，提高随机接入的信道利用率。

下面我们计算最终传输成功的实时业务接入请求的时延均值。在不考虑物理传输误差的情况下，RT业务终端收到随机接入预约码的反馈信息，即接入成功。我们此处考虑一个新产生的RT业务随机接入请求q。由于同一帧内业务到达存在时间差，所以q首先要等待T_wq时间，才能在下一帧发起首次接入。我们把发起首次接入到收到其反馈信息的这段时间用T_tq表示，把重传开始直至收到正确反馈信息的这段时间用T_rq表示。假设传播时延远小于帧长，则终端在发送接入请求的该帧内即可收到反馈信息。若q首次接入即成功，则T_tq为Tms，T_rq为0。若存在重传，由于RT业务终端在下一帧即可重传随机接入预约码，即从决定一次重传到重传完毕和得到重传反馈信息所经历的时间也等于Tms，所以T_rq为帧长的整数倍，T_tq仍为Tms。这样q的接入时延可以表示为T_q＝T_wq+T_tq+T_rq

为使结论更具有一般性，我们需要计算T_q的期望值。由上述分析可知，

$E_p\left[T\right]=E\left[T_w\right]+E\left[T_t\right]+E\left[T_r\right]$

$=(\frac{3}{2}+N_r)\&CenterDot;\mathrm{Tms}$

其中，E[Tw]是系统同帧内不同业务到达时间差所带来的平均时延，为

E[Tt]是首次接入的平均时延，为Tms，E[Tr]是重传的平均时延，若RT业务随机接入预约码平均需要N_r次重传才能发送成功，则一次RT业务成功接入时重传所需的平均时间为N_r·Tms。

对没有引入FRRACH的普通多子信道OFDMA随机接入算法而言，同样假设条件下，我们考虑一个新产生的RT业务随机接入请求Q。同样，若Q首次接入即成功，则T_tQ为Tms，T_rQ为0。若存在重传，从决定一次重传到重传完毕和得到重传反馈信息所经历的平均时间等于 显然， 其中K为终端在[1，CW_c]中随机选择的整数值，CW_c为重传窗函数。如果该算法中RT业务接入请求平均需要N′_r次重传才能发送成功，那么RT业务成功接入所需的平均时间为

$E_c\left[T\right]=E\left[T_w\right]+E\left[T_t\right]+E\left[T_r\right]$

由上文分析可知，没有引入FRRACH的普通多子信道OFDMA随机接入算法的RT业务的成功接入概率小于本发明所提算法的成功接入概率，导致其重传次数必然相对较大，所以有N′_r＞N_r，则E_c[T]≥E_p[T]，即在RT业务的时延特性方面，本发明所提算法优于普通多子信道的OFDMA随机接入算法。

在相同网络终端和随机接入信道资源配置的情况下，本发明方案性能(曲线1)与没有引入FRRACH的普通OFDMA系统随机接入方案性能(曲线2)的随机接入成功概率和实时业务时延等性能在OPNET环境中的仿真曲线比较结果如图2和图3所示。

在图2和图3所示的仿真中，我们选用的信道模型是存在8dB阴影衰落的自由空间模型，另外由于FRRACH中仅发送几个比特的指示信息，不包括任何用户信息和业务信息，仿真中我们假设该信道的系统开销为零。

由图2可以看出，当系统负荷较轻时，由于随机碰撞概率很低，本方案的优势并不明显。但是随着系统负荷的增加，曲线2的性能显著恶化，而曲线1则随着网络负载的增加较为均匀地下降。图3给出了两种接入机制实时业务平均时延的仿真比较结果，这里忽略了T_w部分。从图3可以看出，随着系统用户的增加，曲线2随之迅速升高，而曲线1则缓慢增加。显然，本方案提供的平均随机接入时延可以更好地满足高速分组网络实时业务的QoS需求。

Claims (8)

1、一种用于时分正交频分多址系统中的随机接入方法，包括步骤：

(1)在所述系统中设置优先随机接入信道；

(2)在实时业务终端将发送随机接入请求时，从窗口函数[1，CW_R]中随机选择一个数字M，并且占用所述优先随机接入信道中的第M个子信道向接入点发送随机接入预约码，在接收到所述系统对所述预约码的反馈信息后，所述实时业务终端占用下一帧的随机接入信道中的对应子信道无竞争地发送随机接入请求；

(3)在非实时业务终端将发送随机接入请求时，从窗口函数[1，CW_N]中随机选择一个数字N，监听所述系统对优先随机接入信道的各个子信道预约码的反馈信息，并且计算后继帧的随机接入信道中未被预约的空闲子信道，从而找到随机接入信道的第N个空闲子信道，并占用所述子信道发送随机接入请求。

2、根据权利要求1所述的方法，其中CW_R＝δ·CW，并且CW_N通过以下公式确定：

${\mathrm{CW}}_N=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{CW}& \mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{CW}\&le;2^{\mathrm{\&alpha;}}\\ 2^{\mathrm{\&alpha;}}& \mathrm{CW}<2^{\mathrm{\&alpha;}}<\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\mathrm{CW}\\ \mathrm{CW}& 2^{\mathrm{\&alpha;}}\&le;\mathrm{CW}\end{array}\right.(\mathrm{\&beta;}>1)$

其中CW为随机接入信道的子信道数，α为接入请求分组的发送次数，δ、β为系统性能影响因子。

3、根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

在没有接收到所述系统对于自身预约码的反馈信息时，所述实时业务终端将重复步骤(2)，直至随机接入请求被接受或者被抛弃。

4、根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

在没有接收到所述系统对于随机接入请求的确认信息时，所述非实时业务终端将重复步骤(3)，直至随机接入请求被接受或者被抛弃。

5、根据权利要求1所述的方法，其中优先随机接入信道的子信道一一对应于下一帧的随机接入信道的子信道。

6、根据权利要求1所述的方法，其中所述接入点通过下行公共控制信道向小区内的实时业务终端发送本帧中对所述优先随机接入信道上成功发送的随机接入预约码的反馈信息，并且通过下行公共控制信道向小区内业务终端发送对于随机接入信道上成功发送的随机接入请求的确认信息。

7、根据权利要求1所述的方法，其中所述随机接入预约码用于指示下一帧中随机接入信道的子信道的预约情况。

8、根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3？)中计算后继帧的随机接入信道中未被预约的空闲子信道，从而找到随机接入信道的第N个空闲子信道包括：

所述非实时业务终端计算下一帧的随机接入信道中未被预约的空闲子信道；

如果空闲子信道数大于N，则所述非实时业务终端在下一帧的随机接入信道的第N个空闲子信道发送随机接入请求；

如果下一帧的随机接入信道中未被预约的空闲子信道数小于N，则所述非实时业务终端放弃在下一帧发送接入请求，继续监听下一帧的公共控制信道，并累加计算后续帧的随机接入信道的空闲子信道数，直到找到第N个空闲子信道。

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