非正交随机接入方法技术

本发明专利技术公开一种非正交随机接入方法，该方法包括如下步骤：S1：N个用户中的每个用户获取必要配置消息；S2：随机接入前导码发送；S3：基于用户到达时间进行前导码检测；S4：随机接入响应传输；S5：层三消息传输；S6：eNodeB根据用户定时提前量的关系确定用户解调顺序，以串行干扰(SIC)的方式进行多用户分离；S7：eNodeB对每个被识别出的小区无线网络临时标识(C‑RNTI)回复竞争解决消息，指示用户随机接入成功。本发明专利技术所述非正交随机接入方法采用功率域复用方式实现多用户同时随机接入，可以有效提高用户接入成功概率，降低接入时延，大幅度提升网络支持用户数，能满足第五代移动通讯系统的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信
更具体地，涉及一种非正交随机接入方法。
技术介绍
随机接入过程是指从用户发送随机接入前导码开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程。随机接入是移动通信系统中非常关键的步骤，也是终端与基站建立通信链路的第一步：UE通过随机接入过程与基站进行必要的信令交互，以完成后续操作：如呼叫、资源请求、数据传输等；UE通过随机接入实现与系统的上行时间同步。可以说，随机接入的性能直接影响到用户的体验。未来第五代移动通信通信网络将支持单小区以万计的用户数量。网络中每个UE都需随机接入过程以实现到eNodeB的初始接入并与eNodeB实现同步。当UE数量十分巨大时，用户的随机接入过程将会发生频繁碰撞，从而造成网络拥塞、时延增大、丢包率增加、功率消耗增大、无线资源浪费等问题。因此随机接入过程是5G网络性能提升的瓶颈。传统随机接入过程包括UE与eNodeB之间的四步握手过程，即前导码传输、随机接入响应、连接请求和竞争解决。网络中周期性地预留一部分时频资源即上行物理信道PRACH资源用于用户随机接入，称为随机接入时隙。随机接入的第一步是UE从eNodeB周期性广播的正交伪随机前导码中随机选取一个，并在某一随机接入时隙中传输。在单个小区中，可用的前导码数量最多为64。因此，若多于64个用户在同一随机接入时隙中接入，碰撞无可避免。若UE在前导码传输过程发生碰撞，将不会被调度进行第三步连接请求的传输，而是等待随机接入响应窗口溢出后重新进行第一步前导序列的传输。随着UE数量的增加，碰撞将会变得更加频繁，最终导致网络拥塞，导致最终用户不断重复第一步的前导序列传输过程，直到达到前导传输最大次数后宣布随机接入失败并退出随机接入过程。在该机制下，即使UE在最大允许前导传输次数之内成功完成了随机接入过程，接入时延也会明显增大。面向5G网络中用户数量的急剧增长，亟需对随机接入机制进行优化设计。近几年，非正交多址接入技术(NOMA)受到广泛关注。与串行干扰消除(SIC)技术相结合，NOMA可以实现多个用户数据的同时传输。非正交多址技术(NOMA)的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除(SIC)接收机实现正确解调。NOMA的子信道传输依然采用正交频分复用(OFDM)技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是一个子信道上不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干扰问题，这也就是在接收端要采用SIC技术进行多用户检测的目的。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收机再根据不同户用信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。在发送端中，NOMA在功率域叠加多个用户，对不同的用户分配不同的发射功率，在接收端，SIC接收机可以根据不同的功率区分不同的用户。因此，为了满足未来第五代移动通信通信的要求，本专利技术通过对信令流程的重新设计，充分结合非正交技术与随机接入技术，意在提供一种非正交随机接入方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以实现前导码传输过程发生碰撞的多个UE在第三步连接请求过程采用功率域复用的方式在同一时频资源上同时传输，而不需进行前导码重新传输的过程，从而有效缓解碰撞，且不需增加第三步连接请求过程所需的时频资源的非正交随机接入方法。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种非正交随机接入方法，该方法包括如下步骤：S1：N个用户中的每个用户获取必要配置消息，必要配置消息来自eNodeB广播的物理广播信道(PBCH)系统消息，其包括上行子帧分配消息、下行子帧分配消息、物理随机接入信道(PRACH)配置消息和随机接入信道(RACH)配置消息，其中，物理随机接入信道(PRACH)配置消息包括物理随机接入信道(PRACH)配置序号、物理随机接入信道(PRACH)随机接入频率和可用随机接入前导码，随机接入信道(RACH)配置消息包括前导码最大传输次数、随机接入相应窗口大小和竞争解决窗口大小。S2：随机接入前导码发送，包括：S201：N个用户中的每个用户从可用随机接入前导码中随机选取一个；S202：N个用户中的每个用户选择下一可用随机接入时隙作为其随机接入时隙；S203：N个用户中的每个用户随机选择一随机接入频率进行随机接入前导码的发送。S3：基于用户到达时间进行前导码检测，其中S301：将N个用户中随机接入时隙、随机接入频率和前导码均相同的a个用户作为碰撞用户，其余b个用户作为非碰撞用户；S302：在a个碰撞用户的同一前导码检测区间上存在a个功率时延谱，该a个功率时延谱的起始时间分别对应a个碰撞用户的到达时刻，将该a个碰撞用户中到达时间间隔大于多径时延扩展长度且功率值超过阈值的m个用户作为有效碰撞用户；S303：在b个非碰撞用户的b个前导码检测区间上存在b个功率时延谱，该b个功率时延谱的起始时间分别对应b个碰撞用户的到达时刻，将该b个非碰撞用户中功率值超过阈值的n个用户作为有效非碰撞用户；S304：eNodeB记录m个有效碰撞用户和n个有效非碰撞用户中每个用户的到达时刻，并基于该时刻确定其对应用户的定时提前量，并对每个用户进行物理上行共享信道(PUSCH)上行时频资源分配、小区无线网络临时标识(C-RNTI)配置和功率配置。S4：随机接入响应传输，其中S401：eNodeB在物理下行控制信道(PDCCH)上发送包含随机接入响应消息(RAR)的物理下行共享信道(PDSCH)的时频资源位置信息，其中随机接入响应消息(RAR)结构包括退避指示、前导码指示和一个或多个用户的随机接入响应消息，每个用户随机接入响应消息包括定时提前量、上行资源分配结果、小区无线网络临时标识(C-RNTI)值和功率配置指示；物理下行控制信道(PDCCH)消息中包含随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)，用户首先对随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)进行检测，若检测到与自身随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)相同，则接收该物理下行控制信道(PDCCH)消息，并获取物理下行共享信道(PDSCH)时频资源位置信息。S402：N个用户中检测到与自身随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)相同的用户，读取并解调出随机接入响应传输(PDSCH)时频资源位置信息中包含的随机接入响应消息(RAR)；S403：检测到与自身随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)相同的用户根据解调出的所述退避指示和前导码指示进行随机接入响应消息接收。随机接入响应消息接收过程包括以下步骤：(1)N个用户中的每个用户在随机接入响应窗口持续时间内没有检测到包含与自身相同随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)的物理下行控制信道(PDCCH)，则将前导传输计数器加1并检查前导传输计数器是否达到前导码最大传输次数，若是，则退出随机接入过程；若否，则等待退避计时器溢出后重新进行随机接入前导码本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非正交随机接入方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1：N个用户中的每个用户获取必要配置消息，所述必要配置消息是来自eNodeB广播的物理广播信道(PBCH)系统消息，其包括上行子帧分配消息、下行子帧分配消息、物理随机接入信道(PRACH)配置消息和随机接入信道(RACH)配置消息，其中，物理随机接入信道(PRACH)配置消息包括物理随机接入信道(PRACH)配置序号、物理随机接入信道(PRACH)随机接入频率和可用随机接入前导码，随机接入信道(RACH)配置消息包括前导码最大传输次数、随机接入相应窗口大小和竞争解决窗口大小，其中，N为自然数；S2：随机接入前导码发送，具体包括以下步骤：S201：所述N个用户中的每个用户从可用随机接入前导码中随机选取一个；S202：所述N个用户中的每个用户选择下一可用随机接入时隙作为其随机接入时隙；S203：所述N个用户中的每个用户随机选择一随机接入频率进行随机接入前导码的发送；S3：基于用户到达时间进行前导码检测，具体包括以下步骤：S301：将N个用户中随机接入时隙、随机接入频率和前导码均相同的a个用户作为碰撞用户，其余b个用户作为非碰撞用户；S302：在a个碰撞用户的同一前导码检测区间上存在a个功率时延谱，所述a个功率时延谱的起始时间分别对应a个碰撞用户的到达时刻，将所述a个碰撞用户中到达时间间隔大于多径时延扩展长度且功率值超过阈值的m个用户作为有效碰撞用户；S303：在b个非碰撞用户的b个前导码检测区间上存在b个功率时延谱，所述b个功率时延谱的起始时间分别对应b个碰撞用户的到达时刻，将所述b个非碰撞用户中功率值超过阈值的n个用户作为有效非碰撞用户；S304：eNodeB记录所述m个有效碰撞用户和n个有效非碰撞用户中每个用户的到达时刻，并基于该时刻确定其对应用户的定时提前量，并对每个用户进行物理上行共享信道(PUSCH)上行时频资源分配、小区无线网络临时标识(C‑RNTI)配置和功率配置；其中，a、b、m和n为自然数，且a+b＝N，0≤m≤a，0≤n≤b；S4：随机接入响应传输，具体包括以下步骤：S401：eNodeB在物理下行控制信道(PDCCH)上发送包含随机接入响应消息(RAR)的物理下行共享信道(PDSCH)的时频资源位置信息，其中随机接入响应消息(RAR)结构包括退避指示、前导码指示和一个或多个用户的随机接入响应消息，所述每个用户随机接入响应消息包括定时提前量、上行资源分配结果、小区无线网络临时标识(C‑RNTI)值和功率配置指示；物理下行控制信道(PDCCH)消息中包含随机接入‑无线网络临时标识(RA‑RNTI)，用户首先对随机接入‑无线网络临时标识(RA‑RNTI)进行检测，若检测到与自身随机接入‑无线网络临时标识(RA‑RNTI)相同，则接收该物理下行控制信道(PDCCH)消息，并获取物理下行共享信道(PDSCH)时频资源位置信息；S402：N个用户中检测到与自身随机接入响应消息(RA‑RNTI)相同的用户，读取并解调出物理下行共享信道(PDSCH)时频资源位置信息中包含的随机接入响应消息(RAR)；S403：所述检测到与自身随机接入‑无线网络临时标识(RA‑RNTI)相同的用户根据解调出的所述退避指示和前导码指示进行随机接入响应消息接收；S5：层三消息传输，具体包括：S501：成功接收随机响应消息的用户利用其小区无线网络临时标识(C‑RNTI)值对其层三消息进行扰乱；S502：所述扰乱后的层三消息在随机接入响应消息(RAR)消息中指示的上行资源分配结果对应的物理上行共享信道(PUSCH)时频资源上发送，其中所述成功接收随机响应消息用户中的有效非碰撞用户的扰乱后的层三消息直接在物理上行共享信道(PUSCH)时频资源上传输，所述成功接收随机响应消息用户中的有效碰撞用户的扰乱后的层三消息按照对应的功率配置指示在相同的物理上行共享信道(PUSCH)时频资源上以功率域复用的方式同时传输；S503：开启竞争解决窗口；S6：eNodeB根据用户定时提前量的关系确定用户解调顺序，以串行干扰(SIC)的方式进行多用户分离；S7：eNodeB对每个被识别出的小区无线网络临时标识(C‑RNTI)回复竞争解决消息，指示用户随机接入成功。...

【技术特征摘要】
1.一种非正交随机接入方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1：N个用户中的每个用户获取必要配置消息，所述必要配置消息是来自eNodeB广播的物理广播信道(PBCH)系统消息，其包括上行子帧分配消息、下行子帧分配消息、物理随机接入信道(PRACH)配置消息和随机接入信道(RACH)配置消息，其中，物理随机接入信道(PRACH)配置消息包括物理随机接入信道(PRACH)配置序号、物理随机接入信道(PRACH)随机接入频率和可用随机接入前导码，随机接入信道(RACH)配置消息包括前导码最大传输次数、随机接入相应窗口大小和竞争解决窗口大小，其中，N为自然数；S2：随机接入前导码发送，具体包括以下步骤：S201：所述N个用户中的每个用户从可用随机接入前导码中随机选取一个；S202：所述N个用户中的每个用户选择下一可用随机接入时隙作为其随机接入时隙；S203：所述N个用户中的每个用户随机选择一随机接入频率进行随机接入前导码的发送；S3：基于用户到达时间进行前导码检测，具体包括以下步骤：S301：将N个用户中随机接入时隙、随机接入频率和前导码均相同的a个用户作为碰撞用户，其余b个用户作为非碰撞用户；S302：在a个碰撞用户的同一前导码检测区间上存在a个功率时延谱，所述a个功率时延谱的起始时间分别对应a个碰撞用户的到达时刻，将所述a个碰撞用户中到达时间间隔大于多径时延扩展长度且功率值超过阈值的m个用户作为有效碰撞用户；S303：在b个非碰撞用户的b个前导码检测区间上存在b个功率时延谱，所述b个功率时延谱的起始时间分别对应b个碰撞用户的到达时刻，将所述b个非碰撞用户中功率值超过阈值的n个用户作为有效非碰撞用户；S304：eNodeB记录所述m个有效碰撞用户和n个有效非碰撞用户中每个用户的到达时刻，并基于该时刻确定其对应用户的定时提前量，并对每个用户进行物理上行共享信道(PUSCH)上行时频资源分配、小区无线网络临时标识(C-RNTI)配置和功率配置；其中，a、b、m和n为自然数，且a+b＝N，0≤m≤a，0≤n≤b；S4：随机接入响应传输，具体包括以下步骤：S401：eNodeB在物理下行控制信道(PDCCH)上发送包含随机接入响应消息(RAR)的物理下行共享信道(PDSCH)的时频资源位置信息，其中随机接入响应消息(RAR)结构包括退避指示、前导码指示和一个或多个用户的随机接入响应消息，所述每个用户随机接入响应消息包括定时提前量、上行资源分配结果、小区无线网络临时标识(C-RNTI)值和功率配置指示；物理下行控制信道(PDCCH)消息中包含随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)，用户首先对随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)进行检测，若检测到与自身随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)相同，则接收该物理下行控制信道(PDCCH)消息，并获取物理下行共享信道(PDSCH)时频资源位置信息；S402：N个用户中检测到与自身随机接入响应消息(RA-RNTI)相同的用户，读取并解调出物理下行共享信道(PDSCH)时频资源位置信息中包含的随机接入响应消息(RAR)；S403：所述检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：章嘉懿，梁亚楠，李旭，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11