一种多天线无线通信系统的随机接入方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多天线无线通信系统的随机接入方法,多天线基站在每一个下行信道时隙中分配一段虚拟载波子时隙给有需求的随机接入终端；在虚拟载波子时隙，基站对下一个上行信道时隙的每个已分配终端形成发送波束，并利用发送波束发送虚拟载波信号；有需求的随机接入终端通过侦听和检测虚拟载波信号判断是否有机会接入到下一个上行信道时隙；该方法可在不干扰已分配用户的情况下，使得有需求的随机接入终端共享上行信道时隙，提高系统容量；相比传统的终端随机接入方法，采用本发明专利技术提出的方法使每个上行时隙都可以作为随机接入时隙，大大增加了随机接入时隙资源数量，资源利用率高，随机终端接入的时延短；能够满足未来5G中海量无线终端的大规模接入需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，更具体地，涉及一种多天线无线通信系统的随机接入方法。
技术介绍
第五代移动通信(5G)已成为全球的研发热点。作为5G的主要应用场景，机器类通信(MTC)具有巨大的发展前景。MTC能够在无需人工介入的情况下实现亿万终端智能化的连接。这种大规模智能化的终端连接方式将创造前所未有的应用场景和经济模型。预计到2030年，全球MTC终端连接数将接近1千亿，其中中国超过200亿。在如此大规模终端连接的场景中，如何在不干扰传统移动互联网终端通信的情况下满足MTC终端的大规模通信需求是5G系统中的关键挑战。因此，设计MTC终端在无线通信系统中的随机接入方式至关重要，随机接入方式是未被分配无线资源的终端利用专用的时隙和频谱资源请求基站分配无线资源进行通信或者直接发送数据的过程。现有技术中的随机接入方式是LTE通信系统随机接入方式，包括基于非竞争和基于竞争的随机接入方式；在基于非竞争的随机接入方式下，基站将指定的接入资源分配给特定需求(时限要求高)的接入终端，这种接入方式无终端冲突，但是可接入终端数量少；在基于竞争的随机接入方式下，待接入终端通过基站预留的有限的时间和频谱资源发送接入请求，与其他终端竞争可用于通信的无线资源；因为多个终端可能同时选择相同的导频序列请求接入，所以终端间存在潜在的接入冲突。由于LTE系统中随机接入方式可用于接入的无线资源有限，而MTC通常拥有海量接入需求且对时延要求高，LTE系统中随机接入方式在未来MTC场景下容易引发大规模的终端冲突，无法提供及时可靠的接入服务；另一方面，由于MTC终端发送的数据包通常较短，终端通过与基站进行交互再获得无线资源的随机接入方式从资源利用和时间效益上来看效率较低。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多天线无线通信系统的随机接入方法，其目的在于在保证传统移动互联网终端接入不受影响的情况下，实现海量终端的接入。为实现本专利技术目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种多天线无线通信系统的随机接入方法，包括如下步骤：(1)基站在下行信道时隙划分出虚拟载波子时隙；(2)基站通过虚拟载波子时隙为下一个上行信道时隙的每个已分配终端形成发送波束，并利用这些发送波束生成虚拟载波信号；(3)有数据发送需求的随机接入终端侦听虚拟载波信号；当在侦听周期内侦听到的所有虚拟载波信号的强度都低于门限，则该随机接入终端获得在下一个上行信道时隙发起接入请求或数据传输的权限；否则，进入等待状态；上述门限根据系统所能允许的最大随机接入终端数确定；(4)基站对已分配终端形成接收波束，接收已分配终端数据，并在已分配终端波束子空间的正交子空间内检测、接收随机接入终端的数据。在侦听周期内侦听到的所有虚拟载波信号的强度都低于门限，表明有需求的随机接入终端的信道与下一个上行信道时隙的所有已分配终端的信道正交，该随机接入终端对已分配终端没有干扰；通过上行波束成形处理形成接收波束，具体地，基站在接收到终端信号时，对每个接收天线上的信号乘以不同的复数接收权重然后相加，将多个接收天线收到的接收信号进行线性组合，以增强来自该终端的信号，同时抑制来自其他终端的干扰；通过下行波束成形处理形成发送波束，具体地，基站在对终端发送信号时，将发射信号预先乘以不同的复数发射权重，再从多个发射天线发送出去；接收权重和发送权重由基站根据终端的信道信息计算得到。本专利技术提出的上述方法相比传统的随机接入方法具有明显的优势；传统的随机接入方法划分特定的无线资源供有需求的随机接入终端竞争，由于无线资源有限，这种集中式的接入方法无法满足海量终端接入的需求，会导致严重的终端冲突和传输时延；而本专利技术提供的这种分布式的方法，通过在下行时隙分配一小段虚拟载波子时隙，每个下行时隙都可以作为随机接入时隙，无需特定的随机接入资源，大大增加了随机接入时隙资源数量，且资源利用率高，随机终端接入的延时短；可满足未来5G中海量无线终端的大规模接入需求。优选地，上述多天线无线通信系统的随机接入方法，其步骤(1)划分虚拟载波子时隙的方法具体为：在下行信道时隙中，预先选取一小段时隙作为虚拟载波子时隙；虚拟载波子时隙由L个符号构成，L不小于下一上行信道时隙的已分配终端的个数；其中，已分配终端是指已被基站分配上行信道时隙资源，并在分配的上行信道时隙向基站发送数据的终端。优选地，上述多天线无线通信系统的随机接入方法，在步骤(2)中，给每个已分配终端赋一个虚拟载波信号；终端之间的虚拟载波信号相互正交；发送的虚拟载波信号包含所有已分配终端的虚拟载波信号；根据以下方法生成虚拟载波信号：(2.1)对每个已分配终端形成发送波束bi；其中bi是维度为天线数的行向量；i是指第i个已分配终端，1≤i≤Na；Na表示已分配终端总个数；(2.2)采用正交矩阵S的一行作为每个已分配终端的虚拟载波，其中第i个终端对应S的第i行；根据每个已分配终端形成的发送波束和正交矩阵S生成虚拟载波信号：其中，V是行数为天线数、列数为L的矩阵；si是指正交矩阵S的第i行；()T表示转置；正交矩阵S可采用哈达码矩阵或离散傅里叶变换矩阵。优选地，上述多天线无线通信系统的随机接入方法，根据以下方法生成虚拟载波信号：(2.1)对每个已分配终端形成发送波束bi；其中，bi是维度为天线数的行向量，i是指第i个已分配终端，1≤i≤Na；Na表示已分配终端总个数；(2.2)采用单个时域或者频域符号作为每个已分配终端的虚拟载波信号；为了保证各终端的虚拟载波信号互相正交，每个终端对应的符号位置(时频位置)不同。上述多天线无线通信系统的随机接入方法，可灵活应用到多信道无线通信系统中：随机接入终端对系统中的多个信道进行上述随机接入处理，在每个信道的虚拟载波子时隙进行侦听；当该终端侦听到多个信道的所有虚拟载波信号强度都低于门限，则该随机接入终端可从这多个信道中随机选择一个信道接入或者选择其中虚拟载波信号总体强度最低的信道接入。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的多天线无线通信系统的随机接入方法，通过在下行时隙分配虚拟载波子时隙，将每个下行时隙作为待选随机接入时隙，因此无需分配特定的随机接入资源，大大增加了随机接入时隙资源数量，提高了资源利用率,降低了接入延时；(2)本专利技术提供的多天线无线通信系统的随机接入方法，由于有需求的随机接入终端所选定信道与下一个上行信道时隙的所有已分配终端的信道正交，因此该随机接入终端对已分配终端没有干扰；(3)本专利技术提供的多天线无线通信系统的随机接入方法，随机接入终端在不干扰已分配终端的前提下，可共享上行信道时隙，具有提高系统容量的有益效果。附图说明图1是本专利技术实施例提供的多天线无线通信系统的随机接入方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例中的时分双工情况下的时隙安排与虚拟载波子时隙示意图；图3是本专利技术实施例中的频分双工情况下的时隙安排和虚拟载波子时隙示意图；图4是本专利技术实施例中的多信道时隙安排和虚拟载波子时隙示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多天线无线通信系统的随机接入方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)基站在下行信道时隙划分出虚拟载波子时隙；(2)基站通过虚拟载波子时隙为下一个上行信道时隙的每个已分配终端形成发送波束，并利用发送波束生成虚拟载波信号；(3)有数据发送需求的随机接入终端侦听虚拟载波信号；当在侦听周期内侦听到的所有虚拟载波信号的强度都低于门限，则该随机接入终端获得在下一个上行信道时隙发起接入请求或传输数据的权限；(4)基站对已分配终端形成接收波束，接收已分配终端数据；并在已分配终端波束子空间的正交子空间内检测、接收随机接入终端的数据。

【技术特征摘要】
1.一种多天线无线通信系统的随机接入方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)基站在下行信道时隙划分出虚拟载波子时隙；(2)基站通过虚拟载波子时隙为下一个上行信道时隙的每个已分配终端形成发送波束，并利用发送波束生成虚拟载波信号；(3)有数据发送需求的随机接入终端侦听虚拟载波信号；当在侦听周期内侦听到的所有虚拟载波信号的强度都低于门限，则该随机接入终端获得在下一个上行信道时隙发起接入请求或传输数据的权限；(4)基站对已分配终端形成接收波束，接收已分配终端数据；并在已分配终端波束子空间的正交子空间内检测、接收随机接入终端的数据。2.如权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于，所述划分虚拟载波子时隙的方法具体为：在下行信道时隙中，预选取一段时隙作为虚拟载波子时隙，所述虚拟载波子时隙由L个符号构成；L不小于下一上行信道时隙的已分配终端的个数。3.如权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈代明，丁杰，江涛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42