随机接入方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字信息传输的多址接入技术领域，特别涉及一种随机接入方法。
【背景技术】
[0002]在典型的移动通信系统中，基站需要与覆盖范围内的多个用户进行通信。其中，对于上行多址接入信道的随机接入场景，基站的接入控制策略、逼近多用户信道容量域的编码调制方案、以及活跃用户发送信息的编码调制模式选择仍然没有得到很好的解决，特别是面临海量小包突发业务场景对用户负载率和总传输速率的双重需求。
[0003]传统的上行多用户随机接入采用竞争信道和数据信道结合模式，通常需要信令支持。每个用户首先根据协议利用竞争信道通过竞争接入方式与基站建立连接，从而获取该用户发送信息所需的数据信道资源(包括信令资源和导频资源)，随后利用相应的数据信道资源传输用户的发送信息。
[0004]从网络信息论的角度看，竞争信道的多址接入信道模型属于随机接入(RandomAccess)模型，即在用户发送信息之前，基站并没有在不同用户间调度信道资源，从而不同活跃用户之间可能存在不可控的竞争冲突;而数据信道的多址接入信道模型属于调度接入模型(Scheduled Access)，即在用户发送信息之前，基站将信道资源在不同用户间进行调度，从而在数据信道中不同用户上行接入所占用的信道资源由基站完全掌控，不存在竞争冲突。需要指出的是:数据信道的调度接入可以采用正交多址接入技术，也可以采用非正交多址接入技术。
[0005]传统上行多用户随机接入方法主要存在以下几方面问题:
[0006]1.通过竞争信道与基站建立连接的过程几乎不传输用户信息，从而是额外传输开销。对于传统大包大容量数据业务场景，这一额外开销的资源占比通常较小。然而，随着移动通信的发展和用户需求的推动，特别是在海量小包突发数据业务的场景下，该额外传输开销的占比逐渐增加，成为亟待优化的一部分。
[0007]2.竞争信道通常采用传统时隙ALOHA协议及其改进。如果多个活跃用户发生竞争碰撞，即多个活跃用户在竞争信道的同一个时隙中发送信号，接收端通常无法解调出其中任何一个用户的信息，从而导致该时隙传输失败。而网络信息论指出，多个活跃用户发生竞争碰撞时，由于基站接收端接收信号功率的增加，多用户接入总传输速率可优于单用户接入传输速率。根据理论计算，在竞争碰撞导致传输失败的情况下，传统时隙ALOHA协议对信道资源利用率(具体为平均用户负载率)不会超过36.8%，且当用户负载率较高时信道资源利用率将进一步降低，从而影响整个系统的性能、可靠性和稳定性;并且，随着信道资源利用率的提高，用户数据发生碰撞后丢包的概率急剧增加，导致大量的用户信息重传需求。
[0008]3.用户通过传统时隙ALOHA协议接入竞争信道时，通常不同用户的传输速率相同，并且速率较低，没有考虑到不同用户信道条件的不同。因此，信道条件更好的用户，其传输能力得不到充分利用;信道条件较差的用户，其传输能力不能保证可靠接入信道。
[0009]4.—方面，数据信道通常采用正交多址接入技术，将信道带宽资源正交分割后分配给多个用户，从而各用户之间的信号是相互正交的。正交多址接入技术实现简单、灵活，但是，网络信息论指出，采用正交多址接入时，多用户的联合可达速率域上界距离多址接入信道容量域的理论界(简称“理论界”)有较大差距。另一方面，数据信道也可以采用非正交多址接入技术，结合信道的功率资源区分不同用户，从而相同信道带宽资源的不同用户之间的信号是相互重叠的。选择合适的非正交多址接入技术可以使多用户联合可达速率域上界逼近理论界。但是，目前的非正交多址接入技术采用的编码调制方案有待优化，多用户联合可达速率域上界距离理论界仍有一定差距，例如，非正交多址接入采用的信道编码通常与正交多址接入采用的信道编码相同，如LTE和LTE-A的Turbo码，导致性能损失。
[0010]为此，有必要采用近几年提出的逼近多址接入信道容量域理论界的非正交多址接入技术。采用非正交多址接入技术，不同用户发送的信号在基站接收端直接叠加;相应地，基站接收端通过串行干扰消除(Successive Interference CancelIat1n，SIC)或同时译码(Simultaneous Decoding，SD)技术依次或同时解调这些叠加的信号。在调度接入下，通过设计逼近容量的编码调制方案，并在用户多址接入时选择合适的编码调制模式，基站接收端可以解调出所有叠加的用户信号。从而，当多用户发生竞争碰撞时，只要碰撞的用户数在一定数量范围内，且他们的编码调制模式选择得当，基站接收端就可以解调出所有碰撞的用户信号，显著降低用户信号碰撞后的丢包概率。另外，相比于多址接入技术，非正交多址接入的多用户联合可达速率域更大，多址接入的系统吞吐率更高。
[0011]目前典型的基于叠加编码和SIC/SD技术的非正交多址接入技术有:稀疏扩频序列的多址接入(Low Density Signature/Spreading-Multiple Access，LDS_MA)、稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)、交织多址接入(Interleave Divis1nMultiple Access，IDMA)和迭代多用户检测的比特交织编码调制(Mult1-User Bit-1nterleaved-Coded-Modulat1n with Iterative Decoding，MU_BICMID)。
[0012]IDMA面向低信噪比和较低速率的应用场景设计。采用IDMA时，不同用户通过不同交织方式进行区分，因此可以同时接入的用户数很多。并且IDMA有逼近多址接入信道容量域的理论界的性能。虽然IDMA可显著地增加系统同时接入的用户数，但是受限于简化的接收机算法仅适用于低信噪比区域，并且每个用户的传输速率受限，每个用户单位信息比特的运算量很大。
[0013]采用LDS-MA和SCMA时，不同用户通过采用不同的扩频码本进行区分。两种方法在接收端均采用消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)算法实现近似的最大似然多用户检测。LDS-MA和SCMA均是多址接入信道的联合编码多址接入技术(即基于叠加编码和SD技术的多址接入技术)，但是在已有文献提供的具体方案中，通常每个用户均采用相同的单用户编码调制方案，如采用第三代移动通信合作伙伴计划(3GPP)的长期演进(LTE和LTE-A)标准规范的规则正交幅度调制(QAM)星座映射结合Turbo码的编码调制方案。由于没有面向多址接入信道条件进行联合优化，因此整个方案的性能距离多址接入信道容量域的理论界仍有一定距离。需要指出的是:一些扩频码本对应的稀疏扩频序列之间是相互正交的，因此在低负载时，SCMA和LDS-MA的方案和性能接近正交多址接入。同时，由于扩频的处理，导致每个用户信息比特的运算量急剧增加。
[0014]MU-BICMID也是一种多址接入信道的联合编码多址接入技术，同时也给出了多址接入的多用户编码调制方案。采用MU-BICMID时，通过联合优化不同用户的编码调制方案和发送功率使实际传输性能逼近多址接入信道容量域的理论界，并且传输方案适用于多址接入信道下高、中、低频谱效率的各种应用场景。MU-BICMID的基本思想是:通过用户各自的编码调制参数和发送功率区分不同用户。MU-BICMID不需要扩频处理，因此相同用户信号叠加层数下，用户负载率更高。
[0015]因此，上述多址接入技术及其编码调制方案适用于调度的数据信道。然而在竞争信道的随机多址接入场景下如何设计基站的接入控制策略、如何设计逼近多址接入信道容量域理论界的编码调制方案、如何选择合适的编码调制模式、如何适应用户负载率和信道状态信息的变化依然是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0016]本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0017]为此，本发明的目的在于提出一种随机接入方法，该方法通过基站广播控制信息，用户根据自身的信道状态信息选择编码调制模式，使得随机接入的基站控制和用户接入简单有效，并且可以充分利用逼近信道容量的多址接入技术。
[0018]为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种随机接入方法，包括以下步骤:S1:基站以基本传输单元为单位对信道的带宽资源进行正交分割，并根据基站覆盖范围内所有用户的传输需求得到用于随机接入的基本传输单元，并将所述用于随机接入的基本传输单元的信息广播给所述所有用户；S2:所述基站构建随机接入查找表，并对所述随机接入查找表进行初始化，并将所述随机接入查找表的信息广播给所述所有用户，以将所述用于随机接入的基本传输单元的信道状态信息映射至所述用户的编码调制模式;S3:在所述信道的发送端，活跃用户根据所述随机接入查找表、所述用于随机接入的基本传输单元的信息、自身的信道状态信息及传输需求得到所述信道的发送信号，其中，所述信道的发送信号包含所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号；以及S4:在所述信道的接收端，所述基站接收所述用于随机接入的基本传输单元的接收信号及所述用于随机接入的基本传输单元对应的导频信号，并对所述接收信号和所述导频信号进行检测和解调，以得到活跃用户的数量、活跃用户的信道状态信息和活跃用户的发送信息。
[0019