专利名称：无线移动宽带系统基于虚拟前导码的随机接入方法
技术领域：
本发明涉及一种无线移动宽带系统的随机接入方法，具体涉及一种无线移动宽带系统基于虚拟前导码的随机接入方法，属于无线移动通讯领域。
背景技术：
随机接入过程是通信系统中媒体接入控制的一项重要技术，是LTE(Long Term Evolution,长期演进，是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议)系统中的重要环节， 特指用户设备(UE，User Equipment，如手机、ipod、数据卡等具有输入、输出功能的通信领 域的通信终端设备)和网络通信之间的接入过程，主要用于用户的上行定时同步调整和用 户调度资源的申请。通过随机接入，UE可以获得上行同步，并获得调度初始资源，用于发送 上行信令和上行数据。根据现有LTE协议的最新版本定义，随机接入可以分为竞争模式的随机接入和非 竞争模式的随机接入，二者的主要区别在于是否需要竞争解决消息，也即竞争模式的随机 接入需要发送竞争解决消息，非竞争模式的随机接入不需要发送竞争解决消息。非竞争模式的随机接入主要应用于以下场景场景一，上行非同步状态时，UE处 在连接状态，下行数据到达发起的随机接入；场景二，切换过程中的随机接入。所谓上行，指 从UE到基站eNB(Evolved NodeBase station，演进型基站，与用户UE对应)方向的通信。 所谓非同步，即基站eNB和UE没有保持步调一致。如在美国的基站eNB会按照美国时间来 计算时刻，在中国的UE会按照中国时间来计算时刻，如果没有约定好以哪国时间为参考时 间而约定10点网上见，则基站eNB按照美国时间的10点，UE按照中国时间的10点，即没有 保持步调一致而无法在网上见。这种没有达成步调一致的情况就是失步。所谓下行数据达 到，就是基站eNB有数据要发送给UE。所谓下行数据到达发起，指基站eNB有数据要发送， 基站eNB触发数据发送动作。现有非竞争模式的随机接入过程如图2所示，包括步骤101，基站eNB从专有随机接入前导码组中选择随机接入前导码发送给UE。本步骤中，根据现有LTE协议规定，每个小区可以使用的随机接入前导码数量至 多为64个，根据接入目的不同分为非专有前导码分组和专有前导码分组，如图3所示；非专 有前导码用于竞争模式的随机接入，专有前导码用于非竞争模式的随机接入。其中竞争模 式的随机接入可以使用的随机接入前导码索引会通过小区广播消息进行广播，非竞争模式 的随机接入使用的专有前导码由eNB分配给UE，UE按照协议定义的初始发射功率，在相应 的随机接入信道中发送前导码。步骤102，UE在上行随机接入信道时频资源中发送专有前导码。本步骤中，UE使用的前导码是基站eNB分配的专有随机接入前导码，因而，不同的 UE发送不同的随机接入前导码不会发生碰撞。步骤103，基站eNB检测到随机接入信道中的专有前导码后，即构造随机接入响应 (RAR, RandomAccess Response)消息并发送给 UE。
基站eNB获取随机接入前导码后，根据不同的随机接入前导码，为该随机接入前导码对应的UE分配随机接入时频资源，不同的UE分配的随机接入时频资源也不同。随机接入响应消息包括随机接入前导码标识、时间提前消息、初始上行授权、以 及分配的临时小区无线网络临时标识(T-C-RNTI，Temporary-Cell-RNTI)。随机接入响应 消息中可以包含对多个UE发送的随机接入前导码的响应。至此，该非竞争的随机接入流程结束。由此可见，现有的非竞争随机接入流程，不同的UE分配了不同的随机接入前导 码，即使在相同的随机接入信道请求随机接入，由于前导码之间的正交性，基站eNB可以针 对不同的前导码正确区分UE，并向UE返回随机接入响应消息，然后UE分别在各自所分配的 随机接入时频资源上发消息，由于随机接入时频资源的不同，不同的UE发送的消息相互之 间不会发生冲突碰撞，基站eNB能够正确接收并解调不同的UE的消息，进而成功完成随机 接入的过程。然而，上述现有技术存在以下不足。对于一些场景，比如规模用户切换或下行数据到达时，专有前导码由于数量受限， 不能满足规模用户的专有前导码分配，进而造成部分用户发起竞争模式的随机接入而不是 非竞争模式的随机接入，而规模用户同时发起竞争随机接入，将不可避免的发生碰撞，导致 UE的随机接入成功率较低，同时增加UE接入时延，进而影响UE业务质量。由此可见，一方面，随机接入前导码仅分为专有和非专有两类，在如上描述的场景 中缺乏灵活性，导致专有前导码受限；另一方面，把本可以进行非竞争模式的随机接入流程 强行转入竞争模式的随机接入，不能充分利用UE在网的信息，会降低接入成功率，增大接 入时延。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线移动宽带系统基于虚拟前导码的随机接入方法，以 克服现有技术的不足。从上述分析可知在LTE系统中，明确的规定了一个小区最多使用的随机接入前导 码数量为64，因而在不改动现有LTE协议的情况下，不能通过硬性增加随机接入前导码数 量的方式来提高随机接入成功率。同时，在现有LTE协议规定的非竞争随机接入模式中，在 专有前导码资源受限的时候，没有考虑对非随机竞争的优化，而是直接强制进入竞争随机 接入流程，没有充分利用UE的在网信息资源，增加随机接入碰撞的几率和随机接入时延。本发明通过在非专有前导码分组设置前导码虚拟资源池的方式，解决了上述几方 面的技术问题。在本发明中，用于随机接入的前导码可分为非专有前导码分组，专有前导码分组， 以及本发明提出的来自于虚拟资源池中的虚拟前导码分组，前导码虚拟资源池软性的增加 随机接入的专有前导码的数量。通过设置eNB的前导码虚拟资源池，在专有前导码受限时， 基站eNB从前导码虚拟资源池中随机选择虚拟前导码并发送给满足非竞争接入的UE用于 随机接入，UE在随机接入信道中发送该前导码，基站eNB接收并判断该前导码属于前导码 虚拟资源池，则为该前导码对应的UE优先分配随机接入时频资源，UE根据随机接入响应信 息，完成非竞争随机接入流程，基站eNB根据已有的UE在网信息，无论前导码是否发生碰撞，都为所述UE返回随机接入响应消息，提高了该类UE的接入成功率，同时降低了该类UE随机接入的接入时延。所述的前导码虚拟资源池，是在非专有前导码分组的基础上，根据需要动态的临 时从非专有前导码分组中借用一部分资源组成一个虚拟的专有前导码分组，用于非竞争随 机接入流程使用。本发明的无线移动宽带系统基于虚拟前导码的随机接入方法，其特征在于该方法 包括以下步骤步骤1 基站eNB设置前导码虚拟资源池；步骤2 基站eNB判断UE的接入目的，并从专有前导码分组或前导码虚拟资源池 中为满足非竞争随机接入目的的UE选择前导码；步骤3 所述UE使用基站eNB分配的专有前导码分组或虚拟资源池中的前导码， 在相应的随机接入信道中向基站eNB发送该前导码；步骤4 基站eNB接收并解调所述前导码信息，判断上述随机接入的前导码是否属 于虚拟资源池中的前导码，如果是，优先为该UE分配相应的作为随机接入响应消息的时频 资源信息；如果不是，采用普通的随机接入流程完成随机接入；步骤5 所述的分配到虚拟前导码的UE根据步骤4的随机接入响应消息中的信 息，按照非竞争随机接入流程完成随机接入过程，从而实现基于虚拟前导码的非竞争随机 接入。上述步骤1中，基站eNB设置前导码虚拟资源池包括基站eNB在其现有的非专有前导码分组的基础上，将部分或全部非专有前导码设 置为前导码虚拟资源池。上述基站eNB将部分非专有前导码设置为前导码虚拟资源池是根据基站eNB的负 载状态确定设置前导码虚拟资源池的比例，基站eNB负载10% 30%时，虚拟前导码与其 他非专有前导码的比例设置为1 2 1 3之间；基站eNB负载超过30%时，该比例设 置为1 4 1 5之间。上述步骤2中，在满足非竞争随机接入目的的UE中，如果该UE的接入场景满足规 模用户切换或下行数据到达，且基站eNB的专有前导码受限，则基站eNB从前导码虚拟资源 池中随机选择一个前导码分配给所述UE,发起非竞争随机接入，否则基站eNB从专有前导 码分组中为该UE选择前导码，发起非竞争随机接入；如果所述UE的随机接入目的不满足非 竞争接入的策略，则按照竞争随机接入流程处理。由于在随机接入过程中非竞争和竞争目的的UE同时存在，上述步骤4中，基站eNB 接收并解调所述前导码信息，无论分配到虚拟资源池中的前导码的UE发送的非竞争随机 接入与其它选择该前导码的竞争随机接入发生碰撞冲突与否，基站eNB优先为虚拟资源池 前导码分配时频资源。基站eNB接收并解调所述前导码信息，当发生碰撞冲突时，可以通过以下方式解 决基站eNB填写上行授权信息时，只分配一个缓存状态报告的带宽，从而使基于非竞争模 式的随机接入流程，通过缓存状态报告进一步申请调度资源，而基于竞争模式的随机接入 流程，由于分配的资源不足以发送MSG3消息而停止本次随机接入，以却保非竞争随机接入 的成功。
而且，当发生碰撞冲突时，会有以下情况对于规模用户切换时的场景，基站eNB根据通过网络规划和优化对切换带和切换 点的设置，计算出该处UE的时间发送提前量值来填写切换时发起非竞争随机接入的提前 量值；或者基站eNB根据历史记录的UE在该处入网时的提前量值来填写切换时发起非竞争 随机接入的提前量值，以实现上行同步。对于上行非同步状态的场景时，UE处在连接状态，下行数据到达发起的随机接入 场景，基站eNB填写历史记录的UE使用的提前量值，以实现上行同步。即通过引进提前量 值是为了实现上行同步。由于虚拟前导码虚拟资源池只是对非专有前导码分组动态的借用，故基于虚拟前 导码的非竞争随机接入完成之后，或该非竞争随机接入失败后将标记为虚拟资源池中的前 导码释放，以还原其非专有前导码的特性。本发明方法简单可靠易行，通过设置前导码虚拟资源池的方式不需要对基站eNB 进行物理改变，也不需要改变已广泛使用的现有的LTE协议，解决了目前现有非竞争随机 接入方法的不足，进而实现了对包括非竞争目的与竞争目的的随机接入方法整体改善，提 高了用户UE的随机接入成功率，减少了用户UE的随机接入时延。由上述的技术方案可见，本发明提供的LTE系统中的基于虚拟前导码的随机接入 方法，基站eNB判断所收到的前导码是否属于虚拟资源池，如果是，为所述的UE分配并发送 给UE相应的随机接入时频资源；如果发生碰撞冲突，基站eNB填写UL Grant信息时，只分 配一个BSR大小的带宽保证非竞争随机接入的成功。这样，在不改变当前LTE协议规范的 前提下，因而能够显著的减少该类UE的随机接入时延并提高其接入成功率，对其它UE的随 机接入成功率和接入时延没有影响。
图1为本发明的随机接入方法的流程示意图。图2为现有非竞争模式的随机接入流程图示意图。图3为现有前导码分组方案示意图。图4为本发明的前导码虚拟资源池分组方案示意图。图5为本发明在LTE协议下的基于虚拟前导码的随机接入流程示意图。其中，1、非专有前导码分组，2、专有前导码分组，3、前导码虚拟资源池。
具体实施例方式如图5所示，在基于虚拟前导码的随机接入开始之前，基站eNB根据非专有前导码 和专有前导码的配置情况，在非专有前导码分组中设置前导码虚拟资源池，以及相应的策 略，即对于符合满足非竞争随机接入目的、接入场景为规模用户切换或下行数据到达的UE, 且基站eNB的专有前导码受限时，实现在不必改变现有LTE协议的前提下，对该UE采用基 于虚拟前导码的随机接入。如图1所示，本发明的无线移动宽带系统基于虚拟前导码的随机接入方法，其特 征在于该方法包括以下步骤步骤1 基站eNB设置前导码虚拟资源池；如图4所示，即基站eNB在其现有的非专有前导码分组的基础上，将部分或全部非专有前导码设置为前导码虚拟资源池，可以根据基站eNB的负载状态确定设置前导码虚拟资源池的比例，基站eNB负载10% 30%时，虚 拟前导码与其他非专有前导码的比例设置为1 2 1 3之间；基站eNB负载超过30% 时，该比例设置为1 4 1 5之间。基站eNB的负载状态与应用场景密切相关，比如城 区应用场景，大部分用户是长期驻留，非专有前导码设置比例可以高一些；又如铁路沿岸场 景，列车行驶中规模用户切换频繁，专有前导码分组设置比例可以高。值得一提的是，基站 eNB甚至可以把整个非专有前导码分组全部设置为前导码虚拟资源池，这样，对大规模用户 切换场景的随机接入，将有很大提高和改善。实际应用中，前导码虚拟资源池可以通过仿真或统计分析进行设置，通过合理设 置前导虚拟资源池和虚拟资源池前导码的随机选择策略，可以将基于前导码虚拟资源池的 随机接入UE数量控制在合适的范围内，做到即不影响系统随机接入的整体性能，又能保证 该类非竞争随机接入的接入成功率。步骤2 基站eNB判断UE的接入目的，并从专有前导码分组或前导码虚拟资源池 中为满足非竞争随机接入目的的UE选择前导码；在满足非竞争随机接入目的的UE中，如果 该UE的接入场景满足规模用户切换或下行数据到达，且基站eNB的专有前导码受限，则基 站eNB从前导码虚拟资源池中随机选择一个前导码分配给所述UE，发起非竞争随机接入， 否则基站eNB从专有前导码分组中为该UE选择前导码，发起非竞争随机接入；如果所述UE 的随机接入目的不满足非竞争接入的策略，则按照竞争随机接入流程处理。由此可见，UE满足非竞争随机接入目的，UE的接入场景满足规模用户切换或下行 数据到达，且基站eNB的专有前导码受限，是构成使用虚拟前导码的前提条件。关于无线移 动宽带系统，一共有五种随机接入场景，对于满足其他三种场景的UE将分配到专有前导码 而进行非竞争接入。尤其是当规模移动用户发生切换，专有前导码受限时，所述UE需要传输的业务数 据Q0S(Quality ofService，服务质量，网络的一种安全机制)时延要求较高，从前导码虚 拟资源池中为所述UE选择随机接入前导码，让该类UE发起非竞争随机接入流程，能显著地 提高其接入成功率并减少其接入时延。步骤3 所述UE使用基站eNB分配的专有前导码分组或虚拟资源池中的前导码， 在相应的随机接入信道中向基站eNB发送该前导码；本步骤中，UE通过基站发送的PDCCH-Order消息(PDCCH控制信道命令，切换时用 的一个信令)或切换信令获取基站eNB分配的随机接入前导码索引，所述UE按照协议定义 的初始发射功率，在相应的随机接入信道中发送出去。步骤4 基站eNB接收并解调所述前导码信息，判断上述随机接入的前导码是否属 于虚拟资源池中的前导码，如果是，优先为该UE分配相应的作为随机接入响应消息的时频 资源信息；如果不是，采用普通的随机接入流程完成随机接入。由于在随机接入过程中非竞争和竞争目的的UE同时存在，上述步骤4中，基站eNB 接收并解调所述前导码信息，无论分配到虚拟资源池中的前导码的UE发送的非竞争随机 接入与其它选择该前导码的竞争随机接入发生碰撞冲突与否，基站eNB优先为虚拟资源池 前导码分配时频资源。基站eNB接收并解调所述前导码信息，当发生碰撞冲突时，如果按照先前的流程，会按照随机接入失败处理，但采用本发明后，可以充分利用基站eNB已有的信息，感知到该 类UE发起的非竞争随机接入与其它竞争的随机接入发生了碰撞，并通过以下方式解决基 站eNB填写UL Grant (上行授权，就是基站eNB分给UE的可用资源)信息时，只分配一个 BSR(Buffer Status R印ort，缓存状态报告)的带宽，从而使基于非竞争模式的随机接入流 程，通过缓存状态报告进一步申请调度资源，而基于竞争模式的随机接入流程，由于分配的 资源不足以发送MSG3消息而停止本次随机接入，以却保非竞争随机接入的成功。这样，基 站eNB可以充分利用UE在网信息，忽略碰撞，完成非竞争模式的随机接入，提高该类UE随 机接入的成功接入率，同时减少该类UE随机接入的接入时延。本实施案例中，基于前导码虚拟资源池UE发送eNB分配的随机接入前导码，基站 eNB接收到该UE发送的MSG消息后，进行判决，判决的结果存在以下两种情况对于规模用户切换时的场景，基站eNB根据通过网络规划和优化对切换带和切 换点的设置，计算出该处UE的时间发送提前量值来填写切换时发起非竞争随机接入的 TA(Time Advanced，提前量)值；或者基站eNB根据历史记录的UE在该处入网时的提前量 值来填写切换时发起非竞争随机接入的提前量值，以实现上行同步。对于上行非同步状态的场景时，UE处在连接状态，下行数据到达发起的随机接入 场景，基站eNB填写历史记录的UE使用的提前量值，以实现上行同步。所述的TA值问题属 现有通信技术。其中，基站eNB判断前导码不属于虚拟资源池中的前导码，将采用普通的随机接 入流程完成随机接入是指对于分配到专有前导码或非专有前导码的UE分别采用LTE协议 标准现有的非竞争随机接入流程或竞争接入流程而完成随机接入。步骤5 所述的分配到虚拟前导码的UE根据步骤4的随机接入响应消息中的信 息，按照非竞争随机接入流程完成随机接入过程，从而实现基于虚拟前导码的非竞争随机 接入。由于虚拟前导码虚拟资源池只是对非专有前导码分组动态的借用，故基于虚拟前 导码的非竞争随机接入完成之后，或该非竞争随机接入失败后将标记为虚拟资源池中的前 导码释放，以还原其非专有前导码的特性。由于非专有和专有前导码都是由MAC层来维护的，本发明的虚拟资源池本身就是 MAC层协议栈的一部分，不需要另行加载，只需要MAC层自行根据算法维护即可。
权利要求
无线移动宽带系统基于虚拟前导码的随机接入方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤1基站eNB设置前导码虚拟资源池；步骤2基站eNB判断UE的接入目的，并从专有前导码分组或前导码虚拟资源池中为满足非竞争随机接入目的的UE选择前导码；步骤3所述UE使用基站eNB分配的专有前导码分组或虚拟资源池中的前导码，在相应的随机接入信道中向基站eNB发送该前导码；步骤4基站eNB接收并解调所述前导码信息，判断上述随机接入的前导码是否属于虚拟资源池中的前导码，如果是，优先为该UE分配相应的作为随机接入响应消息的时频资源信息；如果不是，采用普通的随机接入流程完成随机接入；步骤5所述的分配到虚拟前导码的UE根据步骤4的随机接入响应消息中的信息，按照非竞争随机接入流程完成随机接入过程，从而实现基于虚拟前导码的非竞争随机接入。
2.如权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于上述步骤1中，基站eNB设置前导码 虚拟资源池包括基站eNB在其现有的非专有前导码分组的基础上，将部分或全部非专有前导码设置为 前导码虚拟资源池。
3.如权利要求2所述的随机接入方法，其特征在于上述基站eNB将部分非专有前导码 设置为前导码虚拟资源池是根据基站eNB的负载状态确定设置前导码虚拟资源池的比例， 基站eNB负载10% 30%时，虚拟前导码与其他非专有前导码的比例设置为1 2 1 3 之间；基站eNB负载超过30%时，该比例设置为1 4 1 5之间。
4.如权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于上述步骤2中，在满足非竞争随机接 入目的的UE中，如果该UE的接入场景满足规模用户切换或下行数据到达，且基站eNB的专 有前导码受限，则基站eNB从前导码虚拟资源池中随机选择一个前导码分配给所述UE,发 起非竞争随机接入，否则基站eNB从专有前导码分组中为该UE选择前导码，发起非竞争随 机接入；如果所述UE的随机接入目的不满足非竞争接入的策略，则按照竞争随机接入流程 处理。
5.如权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于上述步骤4中，基站eNB接收并解调 所述前导码信息，无论分配到虚拟资源池中的前导码的UE发送的非竞争随机接入与其它 选择该前导码的竞争随机接入发生碰撞冲突与否，基站eNB优先为虚拟资源池前导码分配 时频资源。
6.如权利要求5所述的随机接入方法，其特征在于基站eNB接收并解调所述前导码信 息，当发生碰撞冲突时，基站eNB填写上行授权信息时，只分配一个缓存状态报告的带宽， 从而使基于非竞争模式的随机接入流程，通过缓存状态报告进一步申请调度资源，而基于 竞争模式的随机接入流程，由于分配的资源不足以发送MSG3消息而停止本次随机接入，以 却保非竞争随机接入的成功。
7.如权利要求5所述的随机接入方法，其特征在于基站eNB接收并解调所述前导码信 息，当发生碰撞冲突时，对于规模用户切换时的场景，基站eNB根据通过网络规划和优化对 切换带和切换点的设置，计算出该处UE的时间发送提前量值来填写切换时发起非竞争随 机接入的提前量值，以实现上行同步。
8.如权利要求5所述的随机接入方法，其特征在于基站eNB接收并解调所述前导码信 息，当发生碰撞冲突时，对于规模用户切换时的场景，基站eNB根据历史记录的UE在该处入 网时的提前量值来填写切换时发起非竞争随机接入的提前量值，以实现上行同步。
9.如权利要求5所述的随机接入方法，其特征在于基站eNB接收并解调所述前导码信 息，当发生碰撞冲突时，对于上行非同步状态的场景时，UE处在连接状态，下行数据到达发 起的随机接入场景，基站eNB填写历史记录的UE使用的提前量值。
10.如权利要求1所述的随机接入方法，其特征在于上述基于虚拟前导码的非竞争随 机接入完成之后，或该非竞争随机接入失败后将标记为虚拟资源池中的前导码释放。
全文摘要
一种无线移动宽带系统基于虚拟前导码的随机接入方法。包括以下步骤基站设置前导码虚拟资源池，并从专有前导码分组或虚拟资源池中为满足非竞争随机接入场景的UE选择前导码；UE在相应的随机接入信道中向基站发送分配到的前导码；基站判断接收到的前导码是否属于虚拟资源池，如果是，优先为该UE分配相应的时频资源信息；如果不是，采用普通的随机接入流程完成随机接入；分配到虚拟前导码的UE根据分配到的时频资源信息按照非竞争随机接入流程完成随机接入过程。本发明方法简单可靠，无需对基站进行物理改变或改变LTE协议，解决了目前现有非竞争随机接入方法的不足，提高了用户UE的随机接入成功率，减少了用户UE的随机接入时延。
文档编号H04W74/08GK101990311SQ20101058206
公开日2011年3月23日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者孟钰鑫, 张勤昭, 董军宇 申请人:中国海洋大学