基于网格图的随机接入方法技术

本发明专利技术公开了一种基于网格图的导频随机接入方法。具体步骤包括：1、用户向基站发送上行数据帧，2、基站进行第一次导频的信道响应估计，3、基站向用户发送空导频索引和预编码随机接入响应PRAR，4、用户向基站发送导频和索引，5、基站进行第二次导频的信道响应估计，6、基站构造网格图，7、基站进行用户的信道响应估计，8、基站向用户接入响应，9、随机接入过程结束。本发明专利技术解决了现有导频随机接入方法中存在的系统负载较大时成功接入用户数低的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
基于网格图的随机接入方法
本专利技术属于通信
，更进一步涉及无线通信技术中的一种基于网格图的随机接入方法。本专利技术在基站导频数量有限的情况下，采用空导频复用与最强用户冲突解决算法相结合的方法，能够有效地缓解大规模多输入多输出系统的导频冲突问题。
技术介绍
多输入多输出(multiple-inputmultiple-output,MIMO)技术是指在在发送端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，充分利用空间资源，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，提高系统信道容量。大规模MIMO技术是对MIMO技术的改进，作为5G通信系统中的关键技术，由于在基站处使用几十甚至几百根天线，大规模MIMO技术具有优于MIIMO技术的频谱效率、数据速率与能量效率。在针对H2H(HumantoHuman)用户的大规模MIMO系统中，由于用户数很少，基站能够给每个用户分配一个导频，不会产生导频冲突的情况。由于在M2M(MachinetoMachine)通信的应用场景中，MTC(MachineTypeCommunication)用户数量持续增多，多个MTC用户可能选择同一个导频序列，从而产生导频碰撞的情况。目前的导频冲突解决方案主要有两种：J.H.等人在其发表的论文“MassiveMIMOforcrowdscenarios:Asolutionbasedonrandomaccess”(Proc.IEEEGlobecomWorkshops,2014，pp.352-357)中提出了一种基于大规模MIMO系统的网格码冲突解决方法。该方法将碰撞的导频分别看作网格码，使用低密度奇偶校验码(LDPC码)中的置信传播(BP)算法，可以得到每个用户的信道响应，从而解决导频冲突问题。但是，该方法仍然存在的不足之处是，由于需要结合多个时隙的接收数据来估计不同用户的消息，导致用户接入时延过大。E.Bjornson等人在其发表的论文“RandomaccessprotocolformassiveMIMO:Strongest-usercollisionresolution(SUCR)”(Proc.IEEEICC,2016)中提出了一种基于大规模MIMO系统的最强用户冲突解决(Strongest-UserCollisionResolution,SUCR)方法。该方法的主要步骤为：首先，用户随机选择导频序列，并发送至基站端；然后，计算预编码矩阵，并将该预编码矩阵作为导频随机接入响应信息发送给用户；其次，用户根据预编码矩阵估计总信号增益，并判断该增益值是否不小于用户自身的信号增益值，若是，则用户重新发送导频序列和身份识别码，否则该用户导频随机接入失败；最后，基站向成功用户下发冲突解决信息。该方法存在的不足之处是，随着竞争用户数的增加，由于多个用户选择同一个导频的情况越来越普遍，使得导频利用率过低，冲突解决概率也在降低，导致在系统请求接入用户数较多的情况下，成功接入的用户数过低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于网格图的随机接入方法，以解决现有随机接入方法中存在的系统负载较大时成功接入用户数低的技术问题。实现本专利技术目的的具体步骤如下：(1)用户向基站发送上行数据帧：(1a)对基站有接入请求的每个用户，从导频序列集合中随机选取一个导频序列，将所选导频序列的索引、导频序列与拟发送的上行消息，按照时序首尾相连，组成每个用户的上行数据帧；(1b)对基站有接入请求的所有用户，通过上行接入信道，同时将所有用户的上行数据帧发送给基站；(2)基站进行第一次导频的信道响应估计：(2a)基站从接收到的所有用户的上行数据帧中，按照时序取出所有用户的导频序列叠加部分；(2b)利用导频估计公式，分别计算与导频序列集合中每个导频序列对应的信道响应估计向量；(3)基站向用户发送空导频索引和预编码随机接入响应PRAR：(3a)计算与导频序列集合中每个导频序列对应的检验统计量；(3b)比较导频序列集合中每个导频序列对应的检验统计量的值，搜索数值远小于其它所对应的导频序列，并将这些导频序列的索引放置到空导频索引集合G中；(3c)计算预编码随机接入响应PRAR；(3d)基站将空导频索引集合G和预编码随机接入响应PRAR，通过下行广播信道，发送给所有对基站有接入请求的用户；(4)用户向基站发送导频和索引：(4a)分别计算导频序列集合中每个导频序列对应的路径损耗估计值；(4b)从导频序列集合中任选一个导频序列；(4c)分别计算所选导频序列对应的路径损耗估计值与该导频序列对应每个用户路径损耗的比值，将比值不大于2的用户作为最强用户，将其它用户作为失败用户；(4d)判断是否还有待选择的导频序列，若是，则执行步骤(4b)，否则，执行步骤(4e)；(4e)每个最强用户将其对应的导频序列与该导频序列的索引，按照时序首尾相连，组成最强用户接入数据帧；(4f)每个失败用户在空导频索引集合G对应的导频序列集合中，随机选择一个导频序列，将所选导频序列与该导频序列的索引按照时序首尾相连，组成失败用户接入数据帧；(4g)将最强用户接入数据帧和失败用户接入数据帧，通过上行接入信道，同时发送给基站；(5)基站进行第二次导频的信道响应估计：(5a)从基站接收到的所有用户的接入数据帧中，按照时序取出所有用户的导频序列叠加部分；(5b)利用导频估计公式，计算导频序列集合中每个导频序列对应的信道响应估计向量；(6)基站构造网格图：(6a)将每个对基站有接入请求的用户，作为待构造网格图的变量节点，将导频序列集合中的每个导频序列，作为待构造网格图的校验节点；(6b)将每个用户与导频序列之间的对应关系，用变量节点与校验节点之间的连线表示，形成网格图；(7)基站进行用户的信道响应估计：根据基站构造的网格图，使用串行干扰抵消SIC算法，依次消除导频序列对应的两次信道响应估计中，每个用户对其它用户信道响应的干扰部分，得到网格图中每个变量节点对应用户的信道响应向量；(8)基站向用户发送接入响应：(8a)按照时序，从基站接收到的所有上行数据帧中，取出所有用户的拟发送上行消息叠加部分；(8b)将已知每个用户的信道响应向量与所有用户的拟发送上行消息叠加部分，分别进行最大后验概率译码操作，得到每个用户的上行消息估计数据；(8c)从对基站有接入请求的用户中任选一个用户；(8d)判断所选用户的上行消息估计数据是否与其拟发送的上行消息相同，若是，则基站向所选用户发送应答响应ACK，用户接入成功，否则，基站向所选用户发送非应答响应NACK，用户接入失败；(8e)基站判断是否还有待选择的用户，若是，则执行步骤(8c)，否则，执行步骤(9)；(9)随机接入过程结束。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，由于本专利技术中仅使用单时隙的用户上行数据帧进行用户上行消息估计，不需要使用多个时隙的数据，因而克服了现有技术中用户接入时延过大的缺点，使得本专利技术可以在单时隙条件下使用，提高了用户接入基站的效率。第二，由于本专利技术额外使用空导频序列进行用户上行接入，利用网格图和串行干扰抵消SIC算法得到每个用户的信道响应，克服了现有技术在系统请求接入用户数过大的情况下成功接入用户数过低的缺点，使得本专利技术可以在系统请求接入用户数过大的情景下增加了用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于网格图的随机接入方法，包括如下步骤：(1)用户向基站发送上行数据帧：(1a)对基站有接入请求的每个用户，从导频序列集合中随机选取一个导频序列，将所选导频序列的索引、导频序列与拟发送的上行消息，按照时序首尾相连，组成每个用户的上行数据帧；(1b)对基站有接入请求的所有用户，通过上行接入信道，同时将所有用户的上行数据帧发送给基站；(2)基站进行第一次导频的信道响应估计：(2a)基站从接收到的所有用户的上行数据帧中，按照时序取出所有用户的导频序列叠加部分；(2b)利用导频估计公式，分别计算与导频序列集合中每个导频序列对应的信道响应估计向量；(3)基站向用户发送空导频索引和预编码随机接入响应PRAR：(3a)计算与导频序列集合中每个导频序列对应的检验统计量；(3b)比较导频序列集合中每个导频序列对应的检验统计量的值，搜索数值远小于其它所对应的导频序列，并将这些导频序列的索引放置到空导频索引集合G中；(3c)计算预编码随机接入响应PRAR；(3d)基站将空导频索引集合G和预编码随机接入响应PRAR，通过下行广播信道，发送给所有对基站有接入请求的用户；(4)用户向基站发送导频和索引：(4a)分别计算导频序列集合中每个导频序列对应的路径损耗估计值；(4b)从导频序列集合中任选一个导频序列；(4c)分别计算所选导频序列对应的路径损耗估计值与该导频序列对应每个用户路径损耗的比值，将比值不大于2的用户作为最强用户，将其它用户作为失败用户；(4d)判断是否还有待选择的导频序列，若是，则执行步骤(4b)，否则，执行步骤(4e)；(4e)每个最强用户将其对应的导频序列与该导频序列的索引，按照时序首尾相连，组成最强用户接入数据帧；(4f)每个失败用户在空导频索引集合G对应的导频序列集合中，随机选择一个导频序列，将所选导频序列与该导频序列的索引按照时序首尾相连，组成失败用户接入数据帧；(4g)将最强用户接入数据帧和失败用户接入数据帧，通过上行接入信道，同时发送给基站；(5)基站进行第二次导频的信道响应估计：(5a)从基站接收到的所有用户的接入数据帧中，按照时序取出所有用户的导频序列叠加部分；(5b)利用导频估计公式，计算导频序列集合中每个导频序列对应的信道响应估计向量；(6)基站构造网格图：(6a)将每个对基站有接入请求的用户，作为待构造网格图的变量节点，将导频序列集合中的每个导频序列，作为待构造网格图的校验节点；(6b)将每个用户与导频序列之间的对应关系，用变量节点与校验节点之间的连线表示，形成网格图；(7)基站进行用户的信道响应估计：根据基站构造的网格图，使用串行干扰抵消SIC算法，依次消除导频序列对应的两次信道响应估计中，每个用户对其它用户信道响应的干扰部分，得到网格图中每个变量节点对应用户的信道响应向量；(8)基站向用户发送接入响应：(8a)按照时序，从基站接收到的所有上行数据帧中，取出所有用户的拟发送上行消息叠加部分；(8b)将已知每个用户的信道响应向量与所有用户的拟发送上行消息叠加部分，分别进行最大后验概率译码操作，得到每个用户的上行消息估计数据；(8c)从对基站有接入请求的用户中任选一个用户；(8d)判断所选用户的上行消息估计数据是否与其拟发送的上行消息相同，若是，则基站向所选用户发送应答响应ACK，用户接入成功，否则，基站向所选用户发送非应答响应NACK，用户接入失败；(8e)基站判断是否还有待选择的用户，若是，则执行步骤(8c)，否则，执行步骤(9)；(9)随机接入过程结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于网格图的随机接入方法，包括如下步骤：(1)用户向基站发送上行数据帧：(1a)对基站有接入请求的每个用户，从导频序列集合中随机选取一个导频序列，将所选导频序列的索引、导频序列与拟发送的上行消息，按照时序首尾相连，组成每个用户的上行数据帧；(1b)对基站有接入请求的所有用户，通过上行接入信道，同时将所有用户的上行数据帧发送给基站；(2)基站进行第一次导频的信道响应估计：(2a)基站从接收到的所有用户的上行数据帧中，按照时序取出所有用户的导频序列叠加部分；(2b)利用导频估计公式，分别计算与导频序列集合中每个导频序列对应的信道响应估计向量；(3)基站向用户发送空导频索引和预编码随机接入响应PRAR：(3a)计算与导频序列集合中每个导频序列对应的检验统计量；(3b)比较导频序列集合中每个导频序列对应的检验统计量的值，搜索数值远小于其它所对应的导频序列，并将这些导频序列的索引放置到空导频索引集合G中；(3c)计算预编码随机接入响应PRAR；(3d)基站将空导频索引集合G和预编码随机接入响应PRAR，通过下行广播信道，发送给所有对基站有接入请求的用户；(4)用户向基站发送导频和索引：(4a)分别计算导频序列集合中每个导频序列对应的路径损耗估计值；(4b)从导频序列集合中任选一个导频序列；(4c)分别计算所选导频序列对应的路径损耗估计值与该导频序列对应每个用户路径损耗的比值，将比值不大于2的用户作为最强用户，将其它用户作为失败用户；(4d)判断是否还有待选择的导频序列，若是，则执行步骤(4b)，否则，执行步骤(4e)；(4e)每个最强用户将其对应的导频序列与该导频序列的索引，按照时序首尾相连，组成最强用户接入数据帧；(4f)每个失败用户在空导频索引集合G对应的导频序列集合中，随机选择一个导频序列，将所选导频序列与该导频序列的索引按照时序首尾相连，组成失败用户接入数据帧；(4g)将最强用户接入数据帧和失败用户接入数据帧，通过上行接入信道，同时发送给基站；(5)基站进行第二次导频的信道响应估计：(5a)从基站接收到的所有用户的接入数据帧中，按照时序取出所有用户的导频序列叠加部分；(5b)利用导频估计公式，计算导频序列集合中每个导频序列对应的信道响应估计向量；(6)基站构造网格图：(6a)将每个对基站有接入请求的用户，作为待构造网格图的变量节点，将导频序列集合中的每个导频序列，作为待构造网格图的校验节点；(6b)将每个用户与导频序列之间的对应关系，用变量节点与校验节点之间的连线表示，形成网格图；(7)基站进行用户的信道响应估计：根据基站构造的网格图，使用串行干扰抵消SIC算法，依次消除导频序列对应的两次信道响应估计中，每个用户对其它用户信道响应的干扰部分，得到网格图中每个变量节点对应用户的信道响应向量；(8)基站向用户发送接入响应：(8a)按照时序，从基站接收到的所有上行数据帧中，取出所有用户的拟发送上行消息叠加部分；(8b)将已知每个用户的信道响应向量与所有用户的拟发送上行消息叠加部分，分别进行最大后验概率译码...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，袁洪权，韩会梅，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61