一種多天線無線通信系統的隨機接入方法

一種多天線無線通信系統的隨機接入方法
【專利摘要】本發明公開了一種多天線無線通信系統的隨機接入方法,多天線基站在每一個下行信道時隙中分配一段虛擬載波子時隙給有需求的隨機接入終端；在虛擬載波子時隙，基站對下一個上行信道時隙的每個已分配終端形成發送波束，并利用發送波束發送虛擬載波信號；有需求的隨機接入終端通過偵聽和檢測虛擬載波信號判斷是否有機會接入到下一個上行信道時隙；該方法可在不干擾已分配用戶的情況下，使得有需求的隨機接入終端共享上行信道時隙，提高系統容量；相比傳統的終端隨機接入方法，采用本發明提出的方法使每個上行時隙都可以作為隨機接入時隙，大大增加了隨機接入時隙資源數量，資源利用率高，隨機終端接入的時延短；能夠滿足未來5G中海量無線終端的大規模接入需求。
【專利說明】
-種多天線無線通信系統的隨機接入方法
技術領域
[0001] 本發明屬于無線通信技術領域，更具體地，設及一種多天線無線通信系統的隨機 接入方法。
【背景技術】
[0002] 第五代移動通信(5G)已成為全球的研發熱點。作為5G的主要應用場景，機器類通 信(MTC)具有巨大的發展前景。MTC能夠在無需人工介入的情況下實現億萬終端智能化的連 接。運種大規模智能化的終端連接方式將創造前所未有的應用場景和經濟模型。預計到 2030年，全球MTC終端連接數將接近1千億，其中中國超過200億。在如此大規模終端連接的 場景中，如何在不干擾傳統移動互聯網終端通信的情況下滿足MTC終端的大規模通信需求 是5G系統中的關鍵挑戰。因此，設計MTC終端在無線通信系統中的隨機接入方式至關重要， 隨機接入方式是未被分配無線資源的終端利用專用的時隙和頻譜資源請求基站分配無線 資源進行通信或者直接發送數據的過程。
[0003] 現有技術中的隨機接入方式是LTE通信系統隨機接入方式，包括基于非競爭和基 于競爭的隨機接入方式;在基于非競爭的隨機接入方式下，基站將指定的接入資源分配給 特定需求(時限要求高）的接入終端，運種接入方式無終端沖突，但是可接入終端數量少;在 基于競爭的隨機接入方式下，待接入終端通過基站預留的有限的時間和頻譜資源發送接入 請求，與其他終端競爭可用于通信的無線資源；因為多個終端可能同時選擇相同的導頻序 列請求接入，所W終端間存在潛在的接入沖突。
[0004] 由于LTE系統中隨機接入方式可用于接入的無線資源有限，而MTC通常擁有海量接 入需求且對時延要求高，LTE系統中隨機接入方式在未來MTC場景下容易引發大規模的終端 沖突，無法提供及時可靠的接入服務;另一方面，由于MTC終端發送的數據包通常較短，終端 通過與基站進行交互再獲得無線資源的隨機接入方式從資源利用和時間效益上來看效率 較低。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術的W上缺陷或改進需求，本發明提供了一種多天線無線通信系統的 隨機接入方法，其目的在于在保證傳統移動互聯網終端接入不受影響的情況下，實現海量 終端的接入。
[0006] 為實現本發明目的，按照本發明的一個方面，提供了一種多天線無線通信系統的 隨機接入方法，包括如下步驟：
[0007] (1)基站在下行信道時隙劃分出虛擬載波子時隙；
[000引（2)基站通過虛擬載波子時隙為下一個上行信道時隙的每個已分配終端形成發送 波束，并利用運些發送波束生成虛擬載波信號；
[0009] (3)有數據發送需求的隨機接入終端偵聽虛擬載波信號；當在偵聽周期內偵聽到 的所有虛擬載波信號的強度都低于口限，則該隨機接入終端獲得在下一個上行信道時隙發 起接入請求或數據傳輸的權限；否則，進入等待狀態；
[0010] 上述口限根據系統所能允許的最大隨機接入終端數確定；
[0011] (4)基站對已分配終端形成接收波束，接收已分配終端數據，并在已分配終端波束 子空間的正交子空間內檢測、接收隨機接入終端的數據。
[0012] 在偵聽周期內偵聽到的所有虛擬載波信號的強度都低于口限，表明有需求的隨機 接入終端的信道與下一個上行信道時隙的所有已分配終端的信道正交，該隨機接入終端對 已分配終端沒有干擾；
[0013] 通過上行波束成形處理形成接收波束，具體地，基站在接收到終端信號時，對每個 接收天線上的信號乘W不同的復數接收權重然后相加，將多個接收天線收到的接收信號進 行線性組合，W增強來自該終端的信號，同時抑制來自其他終端的干擾；
[0014] 通過下行波束成形處理形成發送波束，具體地，基站在對終端發送信號時，將發射 信號預先乘W不同的復數發射權重，再從多個發射天線發送出去;接收權重和發送權重由 基站根據終端的信道信息計算得到。
[0015] 本發明提出的上述方法相比傳統的隨機接入方法具有明顯的優勢;傳統的隨機接 入方法劃分特定的無線資源供有需求的隨機接入終端競爭，由于無線資源有限，運種集中 式的接入方法無法滿足海量終端接入的需求，會導致嚴重的終端沖突和傳輸時延;而本發 明提供的運種分布式的方法，通過在下行時隙分配一小段虛擬載波子時隙，每個下行時隙 都可W作為隨機接入時隙，無需特定的隨機接入資源，大大增加了隨機接入時隙資源數量， 且資源利用率高，隨機終端接入的延時短;可滿足未來5G中海量無線終端的大規模接入需 求。
[0016] 優選地，上述多天線無線通信系統的隨機接入方法，其步驟（1)劃分虛擬載波子時 隙的方法具體為：
[0017] 在下行信道時隙中，預先選取一小段時隙作為虛擬載波子時隙；虛擬載波子時隙 由L個符號構成，L不小于下一上行信道時隙的已分配終端的個數；
[0018] 其中，已分配終端是指已被基站分配上行信道時隙資源，并在分配的上行信道時 隙向基站發送數據的終端。
[0019] 優選地，上述多天線無線通信系統的隨機接入方法，在步驟(2)中，給每個已分配 終端賦一個虛擬載波信號；終端之間的虛擬載波信號相互正交;發送的虛擬載波信號包含 所有已分配終端的虛擬載波信號;根據W下方法生成虛擬載波信號：
[0020] (2.1)對每個已分配終端形成發送波束bi;其中bi是維度為天線數的行向量;i是指 第i個已分配終端，1《i《Na ;Na表示已分配終端總個數；
[0021] (2.2)采用正交矩陣S的一行作為每個已分配終端的虛擬載波，其中第i個終端對 應S的第i行；
[0022] 根據每個已分配終端形成的發送波束和正交矩陣S生成虛擬載波信號：
[0023] 其中，V是行數為天線數、列數為L的矩陣;Si是指正交矩陣S的第i行；（)τ表示轉置； 正交矩陣S可采用哈達碼矩陣或離散傅里葉變換矩陣。
[0024] 優選地，上述多天線無線通信系統的隨機接入方法，根據W下方法生成虛擬載波 信號：
[0025] (2.1)對每個已分配終端形成發送波束bi;
[0026] 其中，bi是維度為天線數的行向量，i是指第i個已分配終端，l《i《Na;Na表示已分 配終端總個數；
[0027] (2.2)采用單個時域或者頻域符號作為每個已分配終端的虛擬載波信號；為了保 證各終端的虛擬載波信號互相正交，每個終端對應的符號位置(時頻位置)不同。
[0028] 上述多天線無線通信系統的隨機接入方法，可靈活應用到多信道無線通信系統 中：
[0029] 隨機接入終端對系統中的多個信道進行上述隨機接入處理，在每個信道的虛擬載 波子時隙進行偵聽；當該終端偵聽到多個信道的所有虛擬載波信號強度都低于口限，則該 隨機接入終端可從運多個信道中隨機選擇一個信道接入或者選擇其中虛擬載波信號總體 強度最低的信道接入。
[0030] 總體而言，通過本發明所構思的W上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有 益效果：
[0031] (1)本發明提供的多天線無線通信系統的隨機接入方法，通過在下行時隙分配虛 擬載波子時隙，將每個下行時隙作為待選隨機接入時隙，因此無需分配特定的隨機接入資 源，大大增加了隨機接入時隙資源數量，提高了資源利用率，降低了接入延時；
[0032] (2)本發明提供的多天線無線通信系統的隨機接入方法，由于有需求的隨機接入 終端所選定信道與下一個上行信道時隙的所有已分配終端的信道正交，因此該隨機接入終 端對已分配終端沒有干擾；
[0033] (3)本發明提供的多天線無線通信系統的隨機接入方法，隨機接入終端在不干擾 已分配終端的前提下，可共享上行信道時隙，具有提高系統容量的有益效果。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發明實施例提供的多天線無線通信系統的隨機接入方法的流程示意圖；
[0035] 圖2是本發明實施例中的時分雙工情況下的時隙安排與虛擬載波子時隙示意圖；
[0036] 圖3是本發明實施例中的頻分雙工情況下的時隙安排和虛擬載波子時隙示意圖；
[0037] 圖4是本發明實施例中的多信道時隙安排和虛擬載波子時隙示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所設及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可W相互組合。
[0039] 實施例中，W時分雙工模式下的單信道為例對本發明提供的多天線無線通信系統 的隨機接入方法進行說明。實施例中，系統基站配置多根發送和接收天線;基站將信道時隙 劃分為多個上行和下行時隙，運些時隙被定義為時隙資源;基站將每個上行時隙資源分配 給數個終端;在分配的上行時隙向基站發送數據的終端定義為已分配終端;在本實施例中， 終端A、終端B和終端C為當前信道已分配終端;終端D和終端E為系統中當前有數據發送需求 的隨機接入終端。
[0040] 對于終端A、B、C，它們的信道向量分別表示為hA、hB和h。基站掌握運Ξ個終端的信 道信息并對其進行上、下行波束成形處理;對于終端D和終端E，基站不掌握其信道信息。
[0041] 實施例提供的多天線無線通信系統的隨機接入方法，其具體流程如圖1所示，包括 如下步驟：
[0042] (1)基站劃分虛擬載波子時隙：
[0043] 在當前的下行信道時隙中，基站為終端D和終端E劃分出一段虛擬載波子時隙；本 實施例中，系統時隙與虛擬載波子時隙關系如圖2所示；
[0044] 虛擬載波子時隙位置由系統預先設定，虛擬載波子時隙由L個符號構成，符號長度 L不小于已分配終端的個數;在實施例中，L大于等于3;
[0045] 之所W稱之為虛擬載波是因為在本發明中，隨機接入終端并非實際偵聽終端A、B、 C的發送情況，而是通過基站發送的信息獲取信道占用情況;終端D和終端E利用虛擬載波子 時隙的接收信號判斷自己是否可W在下一上行時隙發起接入請求或進行數據傳輸；
[0046] (2)基站發送虛擬載波信號：
[0047] 在虛擬載波子時隙，基站為終端A、B、C分別形成發送波束；W最大比傳輸為例，終 端A、B、C的發送波束表示為131 =山^￡^，8，(：}，其中（）^表示共輛;并利用運些發送波束分 別發送終端A、終端B和終端C的對應虛擬載波信號；各終端的虛擬載波信號相互正交;基站 發送的虛擬載波信號包含上述所有3個終端的虛擬載波信號；已分配終端的虛擬載波信號 可有多種形式生成，只要確保每個終端的虛擬載波信號相互正交即可；
[0048] 一種方法是采用已分配終端通過L階正交矩陣（哈達碼矩陣或離散傅里葉變換矩 陣）的行/列調制生成;為了保證終端的虛擬載波信號互相正交，每個終端對應的正交矩陣 行/列不同；WL = 8為例，終端A可選取哈達碼矩陣中[1，1，1，1，1，1，1，1 ]運一行;終端B可選 取哈達碼矩陣中[1，1，1，1，-1，-1，-1，-1]運一行;終端(：可選取哈達碼矩陣中[1，-1，1，-1， 1,-1,1,-1]運一行；
[0049] 另一種方法是由已分配終端占用單個符號生成;為了保證終端的虛擬載波信號互 相正交，每個終端對應的符號位置(時頻位置)不同；
[0050] (3)隨機接入終端偵聽虛擬載波信號并接入信道：
[0051 ]終端D和終端E在虛擬載波子時隙偵聽虛擬載波信號；當終端D和終端E偵聽到終端 A、B、C的虛擬載波信號強度都低于一個預設口限，則終端D和終端E獲得在下一個上行時隙 接入信道發起接入請求或進行數據傳輸的權限；否則，進入等待狀態；
[0052] (4)基站接收信號：
[0053] 基站在進行上行時隙數據接收時，首先對終端A、B、C分別形成接收波束，進行數據 接收；W最大比接收技術為例，終端A、B、C的接收波束信號可W表示為:ri = biR ie{A，B, C}，其中R為基站接收信號；
[0054] 由于虛擬載波偵聽過程保證了隨機接入終端的信道和已分配終端的信道正交，所 W接收波束會大幅度抑制來自隨機接入終端的信號，避免隨機接入終端的干擾；
[00對基站在已分配終端波束子空間Wi = span化A，hB，hc)的正交子空間Wi咕捜索隨機接 入終端，對隨機接入終端進行信道估計后，形成接收波束接收隨機接入終端的數據;已分配 終端子空間由該時隙上所有已分配終端對應的信道向量形成，其中每個向量維度等于基站 天線數；已分配終端的正交子空間是指空間中的任一向量與已分配終端子空間正交的子空 間。
[0056] 本發明提供的運種多天線無線通信系統的隨機接入方法可靈活應用在頻分雙工 系統中，在頻分雙工情況下的時隙安排和虛擬載波子時隙如圖3所示;頻分雙工系統中的終 端隨機接入步驟與上述時分雙工系統中的步驟相同。
[0057] 本發明提供多天線無線通信系統的隨機接入方法可靈活應用在多信道通信系統 中；多信道時隙安排和虛擬載波子時隙如圖4所示;對于時分雙工模式而言，隨機接入終端 對系統中的N個信道進行上述隨機接入處理:隨機接入終端對每個信道的虛擬載波子時隙 進行偵聽；當該終端偵聽到其中多個信道的所有虛擬載波信號強度都低于口限，則該隨機 接入終端可從運多個信道中隨機選擇其中一個信道進行接入或者選擇其中虛擬載波信號 總體強度最低的信道進行接入。
[0058] 本領域的技術人員容易理解，W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種多天線無線通信系統的隨機接入方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 基站在下行信道時隙劃分出虛擬載波子時隙； (2) 基站通過虛擬載波子時隙為下一個上行信道時隙的每個已分配終端形成發送波 束，并利用發送波束生成虛擬載波信號； (3) 有數據發送需求的隨機接入終端偵聽虛擬載波信號；當在偵聽周期內偵聽到的所 有虛擬載波信號的強度都低于門限，則該隨機接入終端獲得在下一個上行信道時隙發起接 入請求或傳輸數據的權限； (4) 基站對已分配終端形成接收波束，接收已分配終端數據;并在已分配終端波束子空 間的正交子空間內檢測、接收隨機接入終端的數據。2. 如權利要求1所述的隨機接入方法，其特征在于，所述劃分虛擬載波子時隙的方法具 體為： 在下行信道時隙中，預選取一段時隙作為虛擬載波子時隙，所述虛擬載波子時隙由L個 符號構成;L不小于下一上行信道時隙的已分配終端的個數。3. 如權利要求1或2所述的隨機接入方法，其特征在于，根據以下方法生成所述虛擬載 波信號： (2.1) 對每個已分配終端形成發送波束h; 其中，h是維度為天線數的行向量，i是指第i個已分配終端，l<i<Na;Na表示已分配終 端總個數； (2.2) 采用正交矩陣S的一行作為每個已分配終端的虛擬載波，根據每個已分配終端的 發送波束和正交矩陣S生成虛擬載波信號：其中，V是行數為天線數、列數為L的矩陣;Sl是指正交矩陣S的第i行；（)τ表示轉置。4. 如權利要求1或2所述的隨機接入方法，其特征在于，根據以下方法生成所述虛擬載 波信號： (2.1) 對每個已分配終端形成發送波束h; 其中，h是維度為天線數的行向量，i是指第i個已分配終端，l<i<Na，Na表示已分配終 端總個數； (2.2) 采用單個時域或者頻域符號作為各已分配終端的虛擬載波信號；各終端對應的 符號位置不同，以使各終端的虛擬載波信號相互正交。
【文檔編號】H04W72/04GK106060943SQ201610537284
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】屈代明, 丁杰, 江濤
【申請人】華中科技大學