一种分布式上行多用户随机接入方法

一种分布式上行多用户随机接入方法

　　技术领域

　　本发明涉及通信领域，特别涉及是指一种分布式上行多用户随机接入方法。

　　背景技术

　　随机接入是用户与基站建立上行通信连接的首要步骤，其主要目的有两个：一是与基站建立上行同步关系；二是请求基站为其分配上行资源，以进行数据传输。

　　传统的基于竞争的随机接入方案是指用户将随机选择的导频序列发送至基站，当多个用户选择相同的导频序列发生导频碰撞时，基站集中解决导频碰撞问题，该方案的目标是最小化导频碰撞概率，进而提升成功接入网络的用户数。然而，面对海量用户通信需求，导频碰撞问题愈发明显，基站集中式解决导频碰撞势必给其带来高的碰撞率，造成用户接入时延大及效率低等现象。因此，传统的集中式解决导频冲突的随机接入方案已经无法满足海量用户接入的场景需求，亟需提出的一种新颖、高效的随机接入方案。

　　发明内容

　　本发明实施例提供了分布式上行多用户随机接入方法，采用分布式导频冲突解决策略将导频冲突问题转移至用户端，由每个用户判断自身是否竞争胜出，而不再是由基站通过回复竞争解决消息指定哪一个用户在竞争中胜出，能够显著提高小区多用户的接入效率，缓解基站集中式解决导频冲突带来的性能损失，提升冲突解决概率，降低用户接入时延，进而实现多用户的高效接入。所述技术方案如下：

　　一方面，提供了一种分布式上行多用户随机接入方法，该方法应用于电子设备，包括：

　　有接入需求的用户根据基站广播的接入策略从导频序列集合中随机选取一个导频序列发送至基站，向基站发起接入请求；

　　基站根据接收到的导频信号得到归一化下行导频信号，并将其作为随机接入响应信息向小区内用户进行广播；

　　发起接入请求的用户根据接收到的随机接入响应信息并结合自身的信号功率和小区的广播策略，判断自身能否在竞争同一导频序列的用户中胜出，竞争胜出的用户将所选的导频序列重新发送至基站；

　　基站根据接收到的二次导频信息估计信道信息解调用户识别码，并为解调成功的用户分配专属导频资源。

　　进一步地，所述有接入需求的用户根据基站广播的接入策略从导频序列集合中随机选取一个导频序列发送至基站，向基站发起接入请求包括：

　　利用广播信道的先验知识，基站根据小区用户的分布特性向小区内用户广播接入策略；

　　有接入需求的用户根据基站广播的接入策略，从导频序列集合中随机选取一个导频序列Pi发送至基站，向基站发起接入请求，其中，i＝1,2,...,λp，λp表示正交归一化可用导频序列的数目。

　　进一步地，所述基站根据接收到的导频信号得到归一化下行导频信号，并将其作为随机接入响应信息向小区内用户进行广播包括：

　　基站根据接收到的导频信号得到选择相同导频序列的所有用户的信道信息之和yi；

　　基站通过将yi归一化进而得到归一化的下行导频信号，并将其作为随机接入响应信息；

　　基站向小区内用户广播所述随机接入响应信息。

　　进一步地，基站接收到的导频信号表示为：

　　

　　其中，Y表示基站接收到的导频信号，Ui表示选择导频序列Pi的用户集合，i＝1,2,...,λp，λp表示正交归一化可用导频序列的数目；wk为用户k的发射功率；hk表示用户k与基站之间的信道；表示Pi的转置；Z表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；

　　选择导频序列Pi的所有用户的信道信息之和yi表示为：

　　

　　其中，Pi*表示Pi的共轭；Zi表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。

　　进一步地，归一化下行导频信号表示为：

　　

　　其中，W表示归一化下行导频信号。

　　进一步地，所述发起接入请求的用户根据接收到的随机接入响应信息并结合自身的信号功率和小区的广播策略，判断自身能否在竞争同一导频序列的用户中胜出，竞争胜出的用户将所选的导频序列重新发送至基站包括：

　　用户k将接收到的随机接入响应信息与其选取的导频序列Pi进行相关运算，得到互相关运算的结果Qk；

　　基于Qk的实部估计出选择相同导频序列Pi的所有用户的信号功率之和

　　用户k在自身信号功率基础上添加一个判决量ξ(αk)后根据强用户判决准则判断自己是否竞争胜出并重传导频，其中，强用户判决准则由wkαkλp+ξ(αk)和确定。

　　进一步地，用户k接收到的随机接入响应信息表示为：

　　

　　其中，表示hk的共轭转置，表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；

　　互相关运算的结果Qk表示为：

　　

　　其中，Pi*表示导频序列Pi的共轭；表示hk的共轭转置，hk表示用户k与基站之间的信道；λp表示正交归一化可用导频序列的数目；yi表示选择导频序列Pi的所有用户的信道信息之和；Zk表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；

　　估计出选择相同导频序列Pi的所有用户的信号功率之和表示为：

　　

　　其中，M表示基站侧天线的数目，wk表示用户k的发射功率，αk表示大尺度衰落系数，max(·)表示取最大值操作。

　　进一步地，用户k自身的信号功率为wkαkλp。

　　进一步地，强用户判决准则表述为：

　　若满足则用户k竞争胜出，用户k将所选的导频序列Pi重新发送至基站；其中，Tk表示用户竞争胜出这一事件；

　　若满足则用户k竞争失败，随机接入失败；其中，Fk表示用户竞争失败这一事件。

　　进一步地，所述二次导频信息包括：用户识别码和竞争胜出的用户重新发送到基站的导频序列；

　　所述基站根据接收到的二次导频信息估计信道信息解调用户识别码，并为解调成功的用户分配专属导频资源包括：

　　基站再次接收到竞争胜出用户的导频序列后，估计该用户的信道信息；

　　利用估计的信道信息解调用户识别码；

　　若解调成功，则为该用户分配专属导频资源，以便完成后续数据传输；

　　若解调失败，则该用户接入失败。

　　一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载和执行以实现上述分布式上行多用户随机接入方法。

　　一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载和执行以实现上述分布式上行多用户随机接入方法。

　　本发明实施例所提技术方案带来的有益效果至少包括：

　　本发明实施例中，有接入需求的用户根据基站广播的接入策略从导频序列集合中随机选取一个导频序列发送至基站，向基站发起接入请求；基站根据接收到的导频信号得到归一化下行导频信号，并将其作为随机接入响应信息向小区内用户进行广播，基站并不关心导频序列被哪些用户选择，以及导频序列是否发生碰撞；而是由发起接入请求的用户根据接收到的随机接入响应信息并结合自身的信号功率和小区的广播策略，判断自身能否在竞争同一导频序列的用户中胜出，竞争胜出的用户将所选的导频序列重新发送至基站；基站根据接收到的二次导频信息估计信道信息解调用户识别码，并为解调成功的用户分配专属导频资源。这样，采用分布式导频冲突解决策略将导频冲突问题转移至用户端，由每个用户判断自身是否竞争胜出，而不再是由基站通过回复竞争解决消息指定哪一个用户在竞争中胜出，能够显著提高小区多用户的接入效率，缓解基站集中式解决导频冲突带来的性能损失，提升冲突解决概率，降低用户接入时延，进而实现多用户的高效接入。

　　附图说明

　　为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

　　图1为本发明实施例提供的分布式上行多用户随机接入方法的流程示意图；

　　图2为本发明实施例提供的系统模型的结构示意图；

　　图3是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

　　具体实施方式

　　为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

　　如图1所示，本发明实施例提供了一种分布式上行多用户随机接入方法，该方法可以由电子设备实现，该电子设备可以是终端或服务器，该方法包括：

　　S101，有接入需求的用户根据基站广播的接入策略从导频序列集合中随机选取一个导频序列发送至基站，向基站发起接入请求；

　　S102，基站根据接收到的导频信号得到归一化下行导频信号，并将其作为随机接入响应信息向小区内用户进行广播；

　　S103，发起接入请求的用户根据接收到的随机接入响应信息并结合自身的信号功率和小区的广播策略，判断自身能否在竞争同一导频序列的用户中胜出，竞争胜出的用户将所选的导频序列重新发送至基站；

　　S104，基站根据接收到的二次导频信息估计信道信息解调用户识别码，并为解调成功的用户分配专属导频资源。

　　本发明实施例提供的所述分布式上行多用户随机接入方法，有接入需求的用户根据基站广播的接入策略从导频序列集合中随机选取一个导频序列发送至基站，向基站发起接入请求；基站根据接收到的导频信号得到归一化下行导频信号，并将其作为随机接入响应信息向小区内用户进行广播，基站并不关心导频序列被哪些用户选择，以及导频序列是否发生碰撞；而是由发起接入请求的用户根据接收到的随机接入响应信息并结合自身的信号功率和小区的广播策略，判断自身能否在竞争同一导频序列的用户中胜出，竞争胜出的用户将所选的导频序列重新发送至基站；基站根据接收到的二次导频信息估计信道信息解调用户识别码，并为解调成功的用户分配专属导频资源。这样，采用分布式导频冲突解决策略将导频冲突问题转移至用户端，由每个用户判断自身是否竞争胜出，而不再是由基站通过回复竞争解决消息指定哪一个用户在竞争中胜出，能够显著提高小区多用户的接入效率，缓解基站集中式解决导频冲突带来的性能损失，提升冲突解决概率，降低用户接入时延，进而实现多用户的高效接入。

　　本实施例中，分布式的方式是指各个用户自行判断自身是否竞争胜出，不再由基站通过回复竞争解决消息指定哪一个用户在竞争中胜出。

　　本实施例中，为了简化系统模型，假设基站位于小区的中心位置，基站侧天线的数目为M，小区内共有K个单天线用户终端(简称为：用户)，共有λp个正交归一化的可用导频序列，且K＞＞λp。用户k(1≤k≤K)与基站之间的信道为hk＝[h1,k,h2,k,...,hm,k,...,hM,k]T，其中hi,k为用户k与基站端第i根天线之间的信道传输系数，可通过大尺度衰落及小尺度衰落共同确定

　　

　　其中，gi,k表示用户k与基站端第i根天线之间服从概率密度函数为的独立同分布的小尺度衰落系数，αk表示用户k与基站之间的大尺度衰落系数，通常与阴影衰落和路径损耗相关。当基站侧天线的数目M趋于无穷大时，用户k与基站之间的信道具有渐近最优传播特性，即：

　　

　　其中，表示hk的共轭转置。

　　本实施例中，在S101之前，基站先广播一个参考信号，每个用户根据这个参考信号估计其大尺度衰落系数αk，并完成与基站同步。

　　本实施例中，有接入需求的用户根据基站广播的接入策略从导频序列集合中随机选取一个导频序列发送至基站，向基站发起接入请求(S101)包括：

　　A1，利用广播信道的先验知识，基站根据小区用户的分布特性向小区用户广播接入策略；

　　本实施例中，利用广播信道的先验知识，基站根据小区用户的分布特性在系统消息中提前向小区用户广播接入策略，例如，边缘优先、公平优先、效率优先等准则；其中，

　　边缘优先准则优先边缘用户接入，增强了边缘用户接入成功率；

　　公平优先准则可以均衡用户间信道增益强度的差异，有利于实现用户竞争公平性；

　　效率优先准则可以提高用户接入的效率。

　　A2，有接入需求的用户根据基站广播的接入策略，从导频序列集合中随机选取一个导频序列Pi发送至基站，向基站发起接入请求，其中，i＝1,2,...,λp，λp表示正交归一化可用导频序列的数目。

　　本实施例中，改变了传统基于竞争的随机接入方案，利用广播信道的先验知识，基站会提前向用户广播接入策略，然后，用户根据基站广播的接入策略发起接入请求，基站也会实时调整接入策略，以便小区多用户高效接入。

　　本实施例中，所述基站根据接收到的导频信号得到归一化下行导频信号，并将其作为随机接入响应信息向小区内用户进行广播(S102)包括：

　　B1，基站根据接收到的导频信号得到选择相同导频序列的所有用户的信道信息之和yi；

　　本实施例中，基站接收到的导频信号Y表示为：

　　

　　其中，Ui表示选择导频序列Pi的用户集合，i＝1,2,...,λp；wk为用户k的发射功率；hk表示用户k与基站之间的信道；PiT表示Pi的转置；Z表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。

　　本实施例中，yi表示为：

　　

　　其中，Pi*表示Pi的共轭；Zi表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。

　　本实施例中，当天线数目M趋于无穷大时，可得：

　　

　　其中，γi为选择同一导频的所有用户的信号功率之和，σ2噪声方差；

　　B2，基站通过将yi归一化进而得到归一化的下行导频信号W，并将其作为随机接入响应信息；

　　本实施例中，W表示为：

　　

　　其中，表示Pi的转置。

　　B3，基站向小区内用户广播所述随机接入响应信息。

　　本实施例中，所述发起接入请求的用户根据接收到的随机接入响应信息并结合自身的信号功率和小区的广播策略，判断自身能否在竞争同一导频序列的用户中胜出，竞争胜出的用户将所选的导频序列重新发送至基站(S103)包括：

　　C1，用户k将接收到的随机接入响应信息与其选取的导频序列Pi进行相关运算，得到互相关运算的结果Qk；

　　本实施例中，表示为：

　　

　　其中，表示hk的共轭转置，表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。

　　本实施例中，Qk表示为：

　　

　　

　　其中，表示hk的共轭转置，Zk表示均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；

　　本实施例中，当天线数目M趋于无穷大时，可得：

　　

　　本实施例中，由于Qk的虚部仅包含噪声部分，因此忽略其虚部可得到如下近似表达式：

　　

　　C2，基于Qk的实部估计出选择相同导频序列Pi的所有用户信号功率之和

　　本实施例中，表示为：

　　

　　其中，max(·)表示取最大值操作。

　　C3，用户k在自身信号功率基础上添加一个判决量ξ(αk)后根据强用户判决准则判断自己是否竞争胜出并重传导频，其中，强用户判决准则由wkαkλp+ξ(αk)和确定。

　　本实施例中，用户k自身的信号功率为wkαkλp，其中，wk为用户k的发射功率，αk表示大尺度衰落系数，λp表示正交归一化可用导频序列的数目。

　　本实施例中，ξ(αk)是一个与αk有关的偏移量，在一般情况下ξ(αk)＝0，当基站广播不同的接入策略时，用户会根据基站的广播策略对ξ(αk)做动态变化。

　　本实施例中，假设基站广播的接入策略为边缘优先准则，若边缘用户的αk值较小，则其偏移量可取正值，即ξ(αk)>0；若边缘用户的αk值较大，则其偏移量可取零，即ξ(αk)＝0。若非边缘用户的αk值较大，则其偏移量可取负值，即ξ(αk)<0；若非边缘用户的αk值较小，则其偏移量可取零，即ξ(αk)＝0。在边缘优先准则下，当非边缘用户αk足够大时可放弃接入，优先边缘用户接入。

　　本实施例中，强用户判决准则表述为：

　　若满足则用户k竞争胜出，用户k将所选的导频序列Pi重新发送至基站，其中，Tk表示用户竞争胜出这一事件；

　　若满足则用户k竞争失败，该用户保持静止，随机接入失败，其中，Fk表示用户竞争失败这一事件。

　　本实施例中，竞争胜出的用户还需要将其他信息发送至基站，例如，用户识别码(ID信息)，以便基站在下一步为用户分配专属导频资源。

　　本实施例中，所述基站根据接收到的二次导频信息估计信道信息解调用户识别码，并为解调成功的用户分配专属导频资源(S104)包括：

　　基站再次接收到竞争胜出用户的导频序列后，估计该用户的信道信息；

　　利用估计的信道信息解调用户识别码；

　　若解调成功，则为该用户分配专属导频资源(具体指：某一个导频所对应一个资源块)，以便完成后续的数据传输；

　　若解调失败，则该用户接入失败。

　　本实施例中，所述二次导频信息包括：用户识别码和竞争胜出的用户重新发送到基站的导频序列。

　　本实施例中，以图2所示系统模型为例，对本发明实施例提供的所述分布式上行多用户随机接入方法进行说明。基站(BS)位于小区的中心位置，配置M根天线，单天线用户均匀分布在小区的不同位置，假设某一边缘用户是UEf，非边缘用户是UEn，它们距离基站的距离分别为df与dn，两个用户根据基站广播的参考信号估计出大尺度衰落系数分别为αf与αn，此时αf<αn，小区的每个用户均会收到基站广播的接入策略如边缘优先、公平优先或效率优先等。假设某一周期内基站广播边缘优先准则，边缘用户UEf明确自己是边缘用户且发现其大尺度衰落系数αf较小，于是其偏移量取一个合理的正值；非边缘用户UEn明确自己是非边缘用户，若发现其大尺度衰落系数αn特别大，则直接放弃接入，否则其偏移量取一个合理的负值，此时ξ(αf)>0>ξ(αn)。当它们选择同一导频P0发送至基站时，基站广播随机接入响应信息(RAR)，边缘用户UEf与非边缘用户UEn将接收到的随机接入响应信息与导频序列P0进行相关运算，进而估计出选择导频序列P0的所有用户的信号功率之和，即公式(12)；边缘用户与非边缘用户的信号功率分别为：wfαfλp+ξ(αf)与wnαnλp+ξ(αn)，若且则表明非边缘用户UEn竞争失败，边缘用户UEf竞争胜出，UEf可重复发送导频序列P0，进而提高边缘用户的接入效率。

　　图3是本发明实施例提供的一种电子设备600的结构示意图，该电子设备600可因配置或性能不同产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(centralprocessing units，CPU)601和一个或一个以上的存储器602，其中，所述存储器602中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器601加载和执行以实现上述分布式上行多用户随机接入方法。

　　在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述分布式上行多用户随机接入方法。例如，所述计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘或光数据存储设备等。

　　本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤，可以通过硬件来完成，也可以通过程序指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等。

　　以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。