一种多天线无线通信系统的随机接入方法
【专利摘要】本发明公开了一种多天线无线通信系统的随机接入方法,多天线基站在每一个下行信道时隙中分配一段虚拟载波子时隙给有需求的随机接入终端；在虚拟载波子时隙，基站对下一个上行信道时隙的每个已分配终端形成发送波束，并利用发送波束发送虚拟载波信号；有需求的随机接入终端通过侦听和检测虚拟载波信号判断是否有机会接入到下一个上行信道时隙；该方法可在不干扰已分配用户的情况下，使得有需求的随机接入终端共享上行信道时隙，提高系统容量；相比传统的终端随机接入方法，采用本发明提出的方法使每个上行时隙都可以作为随机接入时隙，大大增加了随机接入时隙资源数量，资源利用率高，随机终端接入的时延短；能够满足未来5G中海量无线终端的大规模接入需求。
【专利说明】
-种多天线无线通信系统的随机接入方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，更具体地，设及一种多天线无线通信系统的随机 接入方法。
【背景技术】
[0002] 第五代移动通信(5G)已成为全球的研发热点。作为5G的主要应用场景，机器类通 信(MTC)具有巨大的发展前景。MTC能够在无需人工介入的情况下实现亿万终端智能化的连 接。运种大规模智能化的终端连接方式将创造前所未有的应用场景和经济模型。预计到 2030年，全球MTC终端连接数将接近1千亿，其中中国超过200亿。在如此大规模终端连接的 场景中，如何在不干扰传统移动互联网终端通信的情况下满足MTC终端的大规模通信需求 是5G系统中的关键挑战。因此，设计MTC终端在无线通信系统中的随机接入方式至关重要， 随机接入方式是未被分配无线资源的终端利用专用的时隙和频谱资源请求基站分配无线 资源进行通信或者直接发送数据的过程。
[0003] 现有技术中的随机接入方式是LTE通信系统随机接入方式，包括基于非竞争和基 于竞争的随机接入方式;在基于非竞争的随机接入方式下，基站将指定的接入资源分配给 特定需求(时限要求高）的接入终端，运种接入方式无终端冲突，但是可接入终端数量少;在 基于竞争的随机接入方式下，待接入终端通过基站预留的有限的时间和频谱资源发送接入 请求，与其他终端竞争可用于通信的无线资源；因为多个终端可能同时选择相同的导频序 列请求接入，所W终端间存在潜在的接入冲突。
[0004] 由于LTE系统中随机接入方式可用于接入的无线资源有限，而MTC通常拥有海量接 入需求且对时延要求高，LTE系统中随机接入方式在未来MTC场景下容易引发大规模的终端 冲突，无法提供及时可靠的接入服务;另一方面，由于MTC终端发送的数据包通常较短，终端 通过与基站进行交互再获得无线资源的随机接入方式从资源利用和时间效益上来看效率 较低。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多天线无线通信系统的 随机接入方法，其目的在于在保证传统移动互联网终端接入不受影响的情况下，实现海量 终端的接入。
[0006] 为实现本发明目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多天线无线通信系统的 随机接入方法，包括如下步骤：
[0007] (1)基站在下行信道时隙划分出虚拟载波子时隙；
[000引（2)基站通过虚拟载波子时隙为下一个上行信道时隙的每个已分配终端形成发送 波束，并利用运些发送波束生成虚拟载波信号；
[0009] (3)有数据发送需求的随机接入终端侦听虚拟载波信号；当在侦听周期内侦听到 的所有虚拟载波信号的强度都低于口限，则该随机接入终端获得在下一个上行信道时隙发 起接入请求或数据传输的权限；否则，进入等待状态；
[0010] 上述口限根据系统所能允许的最大随机接入终端数确定；
[0011] (4)基站对已分配终端形成接收波束，接收已分配终端数据，并在已分配终端波束 子空间的正交子空间内检测、接收随机接入终端的数据。
[0012] 在侦听周期内侦听到的所有虚拟载波信号的强度都低于口限，表明有需求的随机 接入终端的信道与下一个上行信道时隙的所有已分配终端的信道正交，该随机接入终端对 已分配终端没有干扰；
[0013] 通过上行波束成形处理形成接收波束，具体地，基站在接收到终端信号时，对每个 接收天线上的信号乘W不同的复数接收权重然后相加，将多个接收天线收到的接收信号进 行线性组合，W增强来自该终端的信号，同时抑制来自其他终端的干扰；
[0014] 通过下行波束成形处理形成发送波束，具体地，基站在对终端发送信号时，将发射 信号预先乘W不同的复数发射权重，再从多个发射天线发送出去;接收权重和发送权重由 基站根据终端的信道信息计算得到。
[0015] 本发明提出的上述方法相比传统的随机接入方法具有明显的优势;传统的随机接 入方法划分特定的无线资源供有需求的随机接入终端竞争，由于无线资源有限，运种集中 式的接入方法无法满足海量终端接入的需求，会导致严重的终端冲突和传输时延;而本发 明提供的运种分布式的方法，通过在下行时隙分配一小段虚拟载波子时隙，每个下行时隙 都可W作为随机接入时隙，无需特定的随机接入资源，大大增加了随机接入时隙资源数量， 且资源利用率高，随机终端接入的延时短;可满足未来5G中海量无线终端的大规模接入需 求。
[0016] 优选地，上述多天线无线通信系统的随机接入方法，其步骤（1)划分虚拟载波子时 隙的方法具体为：
[0017] 在下行信道时隙中，预先选取一小段时隙作为虚拟载波子时隙；虚拟载波子时隙 由L个符号构成，L不小于下一上行信道时隙的已分配终端的个数；
[0018] 其中，已分配终端是指已被基站分配上行信道时隙资源，并在分配的上行信道时 隙向基站发送数据的终端。
[0019] 优选地，上述多天线无线通信系统的随机接入方法，在步骤(2)中，给每个已分配 终端赋一个虚拟载波信号；终端之间的虚拟载波信号相互正交;发送的虚拟载波信号包含 所有已分配终端的虚拟载波信号;根据W下方法生成虚拟载波信号：
[0020] (2.1)对每个已分配终端形成发送波束bi;其中bi是维度为天线数的行向量;i是指 第i个已分配终端，1《i《Na ;Na表示已分配终端总个数；
[0021] (2.2)采用正交矩阵S的一行作为每个已分配终端的虚拟载波，其中第i个终端对 应S的第i行；
[0022] 根据每个已分配终端形成的发送波束和正交矩阵S生成虚拟载波信号：
[0023] 其中，V是行数为天线数、列数为L的矩阵;Si是指正交矩阵S的第i行；（)τ表示转置； 正交矩阵S可采用哈达码矩阵或离散傅里叶变换矩阵。
[0024] 优选地，上述多天线无线通信系统的随机接入方法，根据W下方法生成虚拟载波 信号：
[0025] (2.1)对每个已分配终端形成发送波束bi;
[0026] 其中，bi是维度为天线数的行向量，i是指第i个已分配终端，l《i《Na;Na表示已分 配终端总个数；
[0027] (2.2)采用单个时域或者频域符号作为每个已分配终端的虚拟载波信号；为了保 证各终端的虚拟载波信号互相正交，每个终端对应的符号位置(时频位置)不同。
[0028] 上述多天线无线通信系统的随机接入方法，可灵活应用到多信道无线通信系统 中：
[0029] 随机接入终端对系统中的多个信道进行上述随机接入处理，在每个信道的虚拟载 波子时隙进行侦听；当该终端侦听到多个信道的所有虚拟载波信号强度都低于口限，则该 随机接入终端可从运多个信道中随机选择一个信道接入或者选择其中虚拟载波信号总体 强度最低的信道接入。
[0030] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0031] (1)本发明提供的多天线无线通信系统的随机接入方法，通过在下行时隙分配虚 拟载波子时隙，将每个下行时隙作为待选随机接入时隙，因此无需分配特定的随机接入资 源，大大增加了随机接入时隙资源数量，提高了资源利用率，降低了接入延时；
[0032] (2)本发明提供的多天线无线通信系统的随机接入方法，由于有需求的随机接入 终端所选定信道与下一个上行信道时隙的所有已分配终端的信道正交，因此该随机接入终 端对已分配终端没有干扰；
[0033] (3)本发明提供的多天线无线通信系统的随机接入方法，随机接入终端在不干扰 已分配终端的前提下，可共享上行信道时隙，具有提高系统容量的有益效果。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明实施例提供的多天线无线通信系统的随机接入方法的流程示意图；
[0035] 图2是本发明实施例中的时分双工情况下的时隙安排与虚拟载波子时隙示意图；
[0036] 图3是本发明实施例中的频分双工情况下的时隙安排和虚拟载波子时隙示意图；
[0037] 图4是本发明实施例中的多信道时隙安排和虚拟载波子时隙示意图。
【具体实施方式】
[0038] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0039] 实施例中，W时分双工模式下的单信道为例对本发明提供的多天线无线通信系统 的随机接入方法进行说明。实施例中，系统基站配置多根发送和接收天线;基站将信道时隙 划分为多个上行和下行时隙，运些时隙被定义为时隙资源;基站将每个上行时隙资源分配 给数个终端;在分配的上行时隙向基站发送数据的终端定义为已分配终端;在本实施例中， 终端A、终端B和终端C为当前信道已分配终端;终端D和终端E为系统中当前有数据发送需求 的随机接入终端。
[0040] 对于终端A、B、C，它们的信道向量分别表示为hA、hB和h。基站掌握运Ξ个终端的信 道信息并对其进行上、下行波束成形处理;对于终端D和终端E，基站不掌握其信道信息。
[0041] 实施例提供的多天线无线通信系统的随机接入方法，其具体流程如图1所示，包括 如下步骤：
[0042] (1)基站划分虚拟载波子时隙：
[0043] 在当前的下行信道时隙中，基站为终端D和终端E划分出一段虚拟载波子时隙；本 实施例中，系统时隙与虚拟载波子时隙关系如图2所示；
[0044] 虚拟载波子时隙位置由系统预先设定，虚拟载波子时隙由L个符号构成，符号长度 L不小于已分配终端的个数;在实施例中，L大于等于3;
[0045] 之所W称之为虚拟载波是因为在本发明中，随机接入终端并非实际侦听终端A、B、 C的发送情况，而是通过基站发送的信息获取信道占用情况;终端D和终端E利用虚拟载波子 时隙的接收信号判断自己是否可W在下一上行时隙发起接入请求或进行数据传输；
[0046] (2)基站发送虚拟载波信号：
[0047] 在虚拟载波子时隙，基站为终端A、B、C分别形成发送波束；W最大比传输为例，终 端A、B、C的发送波束表示为131 =山^￡^，8，(：}，其中（）^表示共辆;并利用运些发送波束分 别发送终端A、终端B和终端C的对应虚拟载波信号；各终端的虚拟载波信号相互正交;基站 发送的虚拟载波信号包含上述所有3个终端的虚拟载波信号；已分配终端的虚拟载波信号 可有多种形式生成，只要确保每个终端的虚拟载波信号相互正交即可；
[0048] 一种方法是采用已分配终端通过L阶正交矩阵（哈达码矩阵或离散傅里叶变换矩 阵）的行/列调制生成;为了保证终端的虚拟载波信号互相正交，每个终端对应的正交矩阵 行/列不同；WL = 8为例，终端A可选取哈达码矩阵中[1，1，1，1，1，1，1，1 ]运一行;终端B可选 取哈达码矩阵中[1，1，1，1，-1，-1，-1，-1]运一行;终端(：可选取哈达码矩阵中[1，-1，1，-1， 1,-1,1,-1]运一行；
[0049] 另一种方法是由已分配终端占用单个符号生成;为了保证终端的虚拟载波信号互 相正交，每个终端对应的符号位置(时频位置)不同；
[0050] (3)随机接入终端侦听虚拟载波信号并接入信道：
[0051 ]终端D和终端E在虚拟载波子时隙侦听虚拟载波信号；当终端D和终端E侦听到终端 A、B、C的虚拟载波信号强度都低于一个预设口限，则终端D和终端E获得在下一个上行时隙 接入信道发起接入请求或进行数据传输的权限；否则，进入等待状态；
[0052] (4)基站接收信号：
[0053] 基站在进行上行时隙数据接收时，首先对终端A、B、C分别形成接收波束，进行数据 接收；W最大比接收技术为例，终端A、B、C的接收波束信号可W表示为:ri = biR ie{A，B, C}，其中R为基站接收信号；
[0054] 由于虚拟载波侦听过程保证了随机接入终端的信道和已分配终端的信道正交，所 W接收波束会大幅度抑制来自随机接入终端的信号，避免随机接入终端的干扰；
[00对基站在已分配终端波束子空间Wi = span化A，hB，hc)的正交子空间Wi咕捜索随机接 入终端，对随机接入终端进行信道估计后，形成接收波束接收随机接入终端的数据;已分配 终端子空间由该时隙上所有已分配终端对应的信道向量形成，其中每个向量维度等于基站 天线数；已分配终端的正交子空间是指空间中的任一向量与已分配终端子空间正交的子空 间。
[0056] 本发明提供的运种多天线无线通信系统的随机接入方法可灵活应用在频分双工 系统中，在频分双工情况下的时隙安排和虚拟载波子时隙如图3所示;频分双工系统中的终 端随机接入步骤与上述时分双工系统中的步骤相同。
[0057] 本发明提供多天线无线通信系统的随机接入方法可灵活应用在多信道通信系统 中；多信道时隙安排和虚拟载波子时隙如图4所示;对于时分双工模式而言，随机接入终端 对系统中的N个信道进行上述随机接入处理:随机接入终端对每个信道的虚拟载波子时隙 进行侦听；当该终端侦听到其中多个信道的所有虚拟载波信号强度都低于口限，则该随机 接入终端可从运多个信道中随机选择其中一个信道进行接入或者选择其中虚拟载波信号 总体强度最低的信道进行接入。
[0058] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 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、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多天线无线通信系统的随机接入方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 基站在下行信道时隙划分出虚拟载波子时隙； (2) 基站通过虚拟载波子时隙为下一个上行信道时隙的每个已分配终端形成发送波 束，并利用发送波束生成虚拟载波信号； (3) 有数据发送需求的随机接入终端侦听虚拟载波信号；当在侦听周期内侦听到的所 有虚拟载波信号的强度都低于门限，则该随机接入终端获得在下一个上行信道时隙发起接 入请求或传输数据的权限； (4) 基站对已分配终端形成接收波束，接收已分配终端数据;并在已分配终端波束子空 间的正交子空间内检测、接收随机接入终端的数据。2. 如权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于，所述划分虚拟载波子时隙的方法具 体为： 在下行信道时隙中，预选取一段时隙作为虚拟载波子时隙，所述虚拟载波子时隙由L个 符号构成;L不小于下一上行信道时隙的已分配终端的个数。3. 如权利要求1或2所述的随机接入方法，其特征在于，根据以下方法生成所述虚拟载 波信号： (2.1) 对每个已分配终端形成发送波束h; 其中，h是维度为天线数的行向量，i是指第i个已分配终端，l<i<Na;Na表示已分配终 端总个数； (2.2) 采用正交矩阵S的一行作为每个已分配终端的虚拟载波，根据每个已分配终端的 发送波束和正交矩阵S生成虚拟载波信号：其中，V是行数为天线数、列数为L的矩阵;Sl是指正交矩阵S的第i行；（)τ表示转置。4. 如权利要求1或2所述的随机接入方法，其特征在于，根据以下方法生成所述虚拟载 波信号： (2.1) 对每个已分配终端形成发送波束h; 其中，h是维度为天线数的行向量，i是指第i个已分配终端，l<i<Na，Na表示已分配终 端总个数； (2.2) 采用单个时域或者频域符号作为各已分配终端的虚拟载波信号；各终端对应的 符号位置不同，以使各终端的虚拟载波信号相互正交。
【文档编号】H04W72/04GK106060943SQ201610537284
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】屈代明, 丁杰, 江涛
【申请人】华中科技大学