专利名称：一种基于正交频分多址技术的媒体接入控制方法
技术领域：
本发明涉及正交频分多址(OFDMA)系统，尤其涉及一种基于OFDMA技术的媒体接入控制(MAC)方法。
背景技术：
随着移动通信技术的迅速发展和用户需求的快速增长，音频、视频、图像、以及互联网等多媒体业务将成为未来移动通信的主导业务，而这些业务对于无线链路传输能力的要求明显提高，在此情况下，正交频分复用(OFDM)技术逐渐崭露头角。OFDM技术将不仅具有抗多径时延的能力，并且完全消除由多径时延引起的符号间干扰(ISI)，目前OFDM技术已经被几个通信标准采用，而且已基本被公认为下一代移动通信系统物理层的基本技术之一。正交频分多址(OFDMA)技术就是通过将正交的子载波灵活地分配给不同的用户，使得在通信系统中实现了多用户的同时接入、动态变化资源分配方法，能够满足未来移动通信系统中多用户多业务的服务质量(QoS)需求，因此OFDMA是下一代移动通信系统极有可能采用的多址方法之一。
基于未来移动通信的发展需求和物理层的关键技术，MAC层需要对物理层的关键技术进行适配，能够满足数据的高速率传输以及数据速率的动态变化，能够对无线资源进行灵活分配，提高系统性能。对于目前经典的MAC方法，例如PRMA协议和MPRMA协议，其中PRMA协议结合了slotted-ALOHA的接入方式，MT使用slotted-ALOHA的接入方式竞争上行信道的可用时隙接入基站，只有语音业务才能进行预约，数据业务无法继续资源的预约；而MPRMA协议是对PRMA协议的改进，在接入竞争时隙末，BS通过ACK消息告知各移动台的接入状况，MT被允许接入后，选择距离接入竞争时隙最近的可用时隙发送数据，并通过标志位表明是否需要预约，虽然该协议允许语音用户和数据用户进行预约，但是该接入方法仍然采用时分复用(TDMA)技术，不能应用于先进的OFDMA/TDD系统进行动态、灵活地分配系统资源，因而不能满足未来移动通信增加系统容量，减小接入时延，降低系统成本的要求。
发明内容
本发明的任务是提供一种基于正交频分多址(OFDMA)技术的媒体接入控制(MAC)方法。
根据本发明基本构思，提出了基于OFDMA技术TDD模式的MAC帧结构，将系统提供的无线资源从时域和频域划分为微时频块(MTFB)作为信息传输的基本单元，以基站为中心对系统的无线资源进行动态控制；同时，方法采用了动态改变系统接入概率阈值的方法，系统根据当前系统可用资源的数目、系统允许数据用户接入时的最小可用时频块阈值以及业务优先级等参数动态地对非实时用户进行接纳控制，有效地改善了系统性能；该方法采用了资源预留机制，在用户数据包内设置标志位，用以表明是否对下一帧资源的申请，并且MT在数据包中通过背负(pigyback)的形式告知基站(BS)MT缓存器中待发送的数据包的数量，BS由此判定向MT增加传输资源或者减少分配的传输资源，这样可以额减少系统的信令交互，并能适应于变速率业务的传输需求，提高了系统效率。
根据本发明，提供了一种基于正交频分多址的媒体接入控制方法，所述方法包括步骤使用资源预留机制，通过在用户数据包内设置标志位，用以表明是否对下一帧同一资源进行预留申请，以及根据移动台缓存器中待发送的数据包的数量，基站向移动台增加传输资源或者减少分配的传输资源。
优选地，该方法还包括步骤如果标志位没有被置位，则基站释放资源，并将状态寄存器中所述资源的状态修改为可用，以便其他用户使用所述资源；如果标志位被置位，则基站继续为所述用户预留原资源以进行数据传输。
优选地，该方法还包括步骤基站根据用户需要发送包的数目以及对业务类型的判断，对所述用户进行减少原分配资源或者追加新分配资源，以满足变速率实时业务和非实时业务的传输需求。
优选地，该方法还包括步骤将正交频分多址系统提供的用于上下行数据传输的无线资源从时域和频域划分为微时频块作为信息传输的基本单元，并且以基站为中心对系统的无线资源进行动态控制。
优选地，其中每个微时频块由时域上的微时隙和频域上的子带组成。
优选地，其中一个微时隙包含3个OFDM符号，频域上的一个子带包含12个相邻子载波。
优选地，其中正交频分多址系统的MAC帧的上行阶段由接入时隙和上行传输时隙组成；用户在接入时隙发起接入请求，对实时用户在频域上随机选取不同频率的子载波发送接入请求，并对非实时用户在发起请求之前对其接入概率进行控制，以降低用户发生碰撞的概率和移动台侧的处理复杂度；下行阶段由广播时隙和下行传输时隙组成，基站在广播时隙发送对用户接入请求及资源预留请求的回复以及对资源的分配结果。此外，在上、下行帧之间具有保护间隔。
优选地，对非实时用户在发起请求之前对其接入概率进行控制的步骤具体包括对非实时用户采用动态改变系统接入概率阈值，其中系统的接入概率阈值根据当前系统负载状况、当前系统可用资源的数目、后续接入用户数目的预测以及业务的优先级进行确定，根据上次系统接入的情况对系统接入概率阈值进行动态调整，并以广播的形式将更新的系统接入概率阈值发送给用户，使得系统能动态地对数据用户进行接纳控制，减少下一次用户接入时的碰撞概率。
优选地，移动台在数据包中通过背负的形式向基站告知移动台缓存器中待发送的数据包的数量，基站由此判定向移动台增加传输资源或者减少分配的传输资源。
优选地，该方法还包括步骤非实时用户在发送接入请求前产生一个随机接入概率值Pa，并与正交频分多址系统的接入阈值Pc进行比较，当Pa大于Pc时才能发送接入请求，从而在正交频分多址系统负载繁忙时减少数据用户碰撞率过高而引起的其他业务的时延；当基站接收到接入请求后，进行接纳控制，如果正交频分多址系统仍有可用资源，并且判断出该业务类型是实时业务，则让所述移动台接入系统，允许其发送信息。
图1示出了本发明TDD模式的MAC帧结构示意图。
图2示出了该发明中的时频资源单元示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方法和优点更加清楚，下面结合附图及具体优选实施例对本发明，尤其是发明方法的接入过程、自适应改变系统接入概率阈值、动态资源分配机制进行进一步描述。
如图1所示，该发明方法TDD模式的MAC帧结构中，上行阶段由接入时隙和上行传输时隙组成，用户(MT)在接入时隙发起接入请求，该接入方法采用了对实时用户在频域上随机选取不同频率的子载波发送接入请求，并对非实时用户在发起请求之前对其接入概率进行控制的机制，以降低用户发生碰撞的概率和MT侧的处理复杂度。详细的接入控制过程会在下面结合优选实施例进行说明。MT利用传输时隙发送用户业务，为了能够有效动态地分配资源，协议将常规传输时隙进一步分为微时隙，将其作为时域上传输资源划分的最小单位，假设每个常规传输时隙分为Lm个微时隙。下行阶段由广播时隙和下行传输时隙组成，BS在广播时隙发送对用户接入请求的回复以及对资源的分配结果。此外，在上、下行帧之间具有保护间隔。
如图2所示，考虑到OFDMA系统资源的特点，我们定义该发明中时频资源的最小单位为微时频块(MTFB)，将其作为业务传输的基本单位。例如，假设系统中的一个MTFB可以由时域上的一个微时隙(包含3个OFDM符号)和频域上的一个子带(包含12个相邻子载波)组成，这样可以减少系统的信令交互和实现复杂度。
本发明方法利用了OFMDA/TDD技术的主要特点，使得对资源的分配更加灵活，并且能够减少信令开销，提高系统的性能。
以下结合优选实施例详细介绍根据本发明媒体接入控制(MAC)方法的运行操作。
假设系统中有语音用户和数据用户。当移动台有业务需要发送时，首先在接入时隙随机选择子载波发送接入请求，其中接入请求信息中包含了MT要发送的业务类型。但数据用户在发送接入请求前还要产生一个随机接入概率值Pa，并与系统的接入阈值Pc进行比较，只有当Pa大于Pc时才能发送接入请求，这样当系统负载繁忙时可以有效减少数据用户碰撞率过高而引起的其他业务的时延。当BS接收到接入请求后，进行接纳控制，若系统仍有可用资源，并且判断出该业务类型是语音业务，则让该MT接入系统，允许其发送信息。对于系统接入阈值Pc，本发明提出了动态改变接入概率阈值Pc的方法，该值可以根据系统负载、系统可用资源的数目、对后续接入用户数目的预测以及业务优先级进行动态变化，假设Pt是系统设定的接入概率值，Rf是当前系统可用时频块的数目，N是系统允许数据用户接入时的最小时频块阈值。Ω表示业务优先级，按照业务优先级的高低从0到n取值，值越小，优先级越高。ND(t+M)是第(t+M)帧请求接入的用户数目的估计值，则
Pc=PtND(t+M)≤Rf-N1-[Rf-NND(t+M)]Ω0<Rf-N<ND(t+M)1Rf-N≤0---(1)]]>其中，假设移动台发起接入请求服从参数为λ的泊松分布，则ND(t+M)=1MΣi=tt+M-1[ND(i)-NS(i)]+M*λ---(2)]]>其中，ND(i)是第i帧中发送接入请求的数据用户的数目，Ns(i)是第i帧中接入成功的数据用户数目。同时，BS通过周期广播的方式告知各移动台更新后的Pc值。若系统无可用资源，则拒绝该用户接入。当BS处理完所有用户的接入请求后，分别对语音和数据业务进行资源分配，并将分配给用户的时频块资源的标号在同一帧的下行阶段广播给MT。
在MT正确接收到ACK信息后，若被允许接入，则从ACK信息中读出分配给自己的时频块资源标号，并利用该资源发送数据包，并在该数据包中设置背负域(piggyback)，即标志位。若该标志位为“0”，则表示移动台自己的数据发送完毕，缓存器中已经没有数据可发送。若该标志位为“1”，则MT同时告知BS自己缓存器中待发送的数据包数目，以便进行资源预约。这样BS读取用户数据包的标志位，若标志位没有被置位，则基站修改状态寄存器中该资源的状态为可用，以便其他用户使用该资源；若标志位被置位，则根据目前移动台需要发送包的数目以及前面对该业务类型的判断结果对该用户进行资源分配。若该用户是语音用户，则只当等待发送的包数目大于系统设定的阈值V1并且系统可用资源大于阈值V2时会给该用户增加资源，否则继续给该用户分配下一帧中相同的时频资源；若该用户是数据用户，只有当待发送的数据包数目在阈值V3以上时才能申请更多的时频资源，分配机制与语音用户相同。这样在系统中设定进行资源追加或者减少的阈值机制可以适用于变速率业务的传输，同时兼顾保证用户之间的公平性；而且以基站为中心对资源状态进行控制的方式能够减少由各移动台进行单独控制而引起的计算复杂度。
该发明充分体现出了由基站进行中心控制接入和动态资源分配的优势，与PRMA、MPRMA方法相比能够增大系统容量，减少用户接入时延，能够在保证语音业务QoS的条件下，更加有效的支持数据业务的传输，能够满足未来移动通信网络支持多业务类型、多传输速率业务的要求。
权利要求
1.一种基于正交频分多址的媒体接入控制方法，所述方法包括步骤使用资源预留机制，通过在用户数据包内设置标志位，用以表明是否对下一帧同一资源进行预留申请，以及根据移动台缓存器中待发送的数据包的数量，基站向移动台增加传输资源或者减少分配的传输资源。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤如果标志位没有被置位，则基站释放资源，并将状态寄存器中所述资源的状态修改为可用，以便其他用户使用所述资源；如果标志位被置位，则基站继续为所述用户预留原资源以进行数据传输。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤基站根据用户需要发送包的数目以及对业务类型的判断，对所述用户进行减少原分配资源或者追加新分配资源，以满足变速率实时业务和非实时业务的传输需求。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤将正交频分多址系统提供的用于上下行数据传输的无线资源从时域和频域划分为微时频块作为信息传输的基本单元，并且以基站为中心对系统的无线资源进行动态控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其中每个微时频块由时域上的微时隙和频域上的子带组成。
6.根据权利要求1所述的方法，其中正交频分多址系统的MAC帧的上行阶段由接入时隙和上行传输时隙组成；用户在接入时隙发起接入请求，对实时用户在频域上随机选取不同频率的子载波发送接入请求，并对非实时用户在发起请求之前对其接入概率进行控制，以降低用户发生碰撞的概率和移动台侧的处理复杂度；下行阶段由广播时隙和下行传输时隙组成，基站在广播时隙发送对用户接入请求及资源预留请求的回复以及对资源的分配结果。
7.根据权利要求6所述的方法，其中对非实时用户在发起请求之前对其接入概率进行控制的步骤具体包括对非实时用户采用动态改变系统接入概率阈值，其中系统的接入概率阈值根据当前系统负载状况、当前系统可用资源的数目、后续接入用户数目的预测以及业务的优先级进行确定，根据上次系统接入的情况对系统接入概率阈值进行动态调整，并以广播的形式将更新的系统接入概率阈值发送给用户，使得系统能动态地对非实时用户进行接纳控制，减少下一次用户接入时的碰撞概率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中移动台在数据包中通过背负的形式向基站告知移动台缓存器中待发送的数据包的数量，基站由此判定向移动台增加传输资源或者减少分配的传输资源。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤数据用户在发送接入请求前产生一个随机接入概率值Pa，并与正交频分多址系统的接入阈值Pc进行比较，当Pa大于Pc时才能发送接入请求，从而在正交频分多址系统负载繁忙时减少数据用户碰撞率过高而引起的其他业务的时延；当基站接收到接入请求后，进行接纳控制，如果正交频分多址系统仍有可用资源，并且判断出该业务类型是实时业务，则让所述移动台接入系统，允许其发送信息。
全文摘要
本发明公开了基于正交频分多址的媒体接入控制方法，所述方法包括步骤使用资源预留机制，通过在用户数据包内设置标志位，用以表明是否对下一帧同一资源进行预留申请，以及根据移动台缓存器中待发送的数据包的数量，基站向移动台增加传输资源或者减少分配的传输资源。本发明的方法可以额减少系统的信令交互，并能适应于变速率业务的传输需求，提高了系统效率。
文档编号H04W28/26GK101018362SQ20071006360
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月6日 优先权日2007年2月6日
发明者田辉, 张平, 高有军, 孙雷, 徐海博, 王爽, 陶小峰 申请人:北京邮电大学