非正交随机接入方法与流程

本发明涉及通信技术领域。更具体地，涉及一种非正交随机接入方法。

背景技术：

随机接入过程是指从用户发送随机接入前导码开始尝试接入网络到与网络间建立起基本的信令连接之前的过程。随机接入是移动通信系统中非常关键的步骤，也是终端与基站建立通信链路的第一步：UE通过随机接入过程与基站进行必要的信令交互，以完成后续操作：如呼叫、资源请求、数据传输等；UE通过随机接入实现与系统的上行时间同步。可以说，随机接入的性能直接影响到用户的体验。

未来第五代移动通信通信网络将支持单小区以万计的用户数量。网络中每个UE都需随机接入过程以实现到eNodeB的初始接入并与eNodeB实现同步。当UE数量十分巨大时，用户的随机接入过程将会发生频繁碰撞，从而造成网络拥塞、时延增大、丢包率增加、功率消耗增大、无线资源浪费等问题。因此随机接入过程是5G网络性能提升的瓶颈。

传统随机接入过程包括UE与eNodeB之间的四步握手过程，即前导码传输、随机接入响应、连接请求和竞争解决。网络中周期性地预留一部分时频资源即上行物理信道PRACH资源用于用户随机接入，称为随机接入时隙。随机接入的第一步是UE从eNodeB周期性广播的正交伪随机前导码中随机选取一个，并在某一随机接入时隙中传输。在单个小区中，可用的前导码数量最多为64。因此，若多于64个用户在同一随机接入时隙中接入，碰撞无可避免。若UE在前导码传输过程发生碰撞，将不会被调度进行第三步连接请求的传输，而是等待随机接入响应窗口溢出后重新进行第一步前导序列的传输。随着UE数量的增加，碰撞将会变得更加频繁，最终导致网络拥塞，导致最终用户不断重复第一步的前导序列传输过程，直到达到前导传输最大次数后宣布随机接入失败并退出随机接入过程。在该机制下，即使UE在最大允许前导传输次数之内成功完成了随机接入过程，接入时延也会明显增大。面向5G网络中用户数量的急剧增长，亟需对随机接入机制进行优化设计。

近几年，非正交多址接入技术(NOMA)受到广泛关注。与串行干扰消除(SIC)技术相结合，NOMA可以实现多个用户数据的同时传输。非正交多址技术(NOMA)的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除(SIC)接收机实现正确解调。NOMA的子信道传输依然采用正交频分复用(OFDM)技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是一个子信道上不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干扰问题，这也就是在接收端要采用SIC技术进行多用户检测的目的。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收机再根据不同户用信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。

功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。在发送端中，NOMA在功率域叠加多个用户，对不同的用户分配不同的发射功率，在接收端，SIC接收机可以根据不同的功率区分不同的用户。

因此，为了满足未来第五代移动通信通信的要求，本发明通过对信令流程的重新设计，充分结合非正交技术与随机接入技术，意在提供一种非正交随机接入方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以实现前导码传输过程发生碰撞的多个UE在第三步连接请求过程采用功率域复用的方式在同一时频资源上同时传输，而不需进行前导码重新传输的过程，从而有效缓解碰撞，且不需增加第三步连接请求过程所需的时频资源的非正交随机接入方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种非正交随机接入方法，该方法包括如下步骤：

S1：N个用户中的每个用户获取必要配置消息，必要配置消息来自eNodeB广播的物理广播信道(PBCH)系统消息，其包括上行子帧分配消息、下行子帧分配消息、物理随机接入信道(PRACH)配置消息和随机接入信道(RACH)配置消息，其中，物理随机接入信道(PRACH)配置消息包括物理随机接入信道(PRACH)配置序号、物理随机接入信道(PRACH)随机接入频率和可用随机接入前导码，随机接入信道(RACH)配置消息包括前导码最大传输次数、随机接入相应窗口大小和竞争解决窗口大小。

S2：随机接入前导码发送，包括：

S201：N个用户中的每个用户从可用随机接入前导码中随机选取一个；

S202：N个用户中的每个用户选择下一可用随机接入时隙作为其随机接入时隙；

S203：N个用户中的每个用户随机选择一随机接入频率进行随机接入前导码的发送。

S3：基于用户到达时间进行前导码检测，其中

S301：将N个用户中随机接入时隙、随机接入频率和前导码均相同的a个用户作为碰撞用户，其余b个用户作为非碰撞用户；

S302：在a个碰撞用户的同一前导码检测区间上存在a个功率时延谱，该a个功率时延谱的起始时间分别对应a个碰撞用户的到达时刻，将该a个碰撞用户中到达时间间隔大于多径时延扩展长度且功率值超过阈值的m个用户作为有效碰撞用户；

S303：在b个非碰撞用户的b个前导码检测区间上存在b个功率时延谱，该b个功率时延谱的起始时间分别对应b个碰撞用户的到达时刻，将该b个非碰撞用户中功率值超过阈值的n个用户作为有效非碰撞用户；

S304：eNodeB记录m个有效碰撞用户和n个有效非碰撞用户中每个用户的到达时刻，并基于该时刻确定其对应用户的定时提前量，并对每个用户进行物理上行共享信道(PUSCH)上行时频资源分配、小区无线网络临时标识(C-RNTI)配置和功率配置。

S4：随机接入响应传输，其中

S401：eNodeB在物理下行控制信道(PDCCH)上发送包含随机接入响应消息(RAR)的物理下行共享信道(PDSCH)的时频资源位置信息，其中随机接入响应消息(RAR)结构包括退避指示、前导码指示和一个或多个用户的随机接入响应消息，每个用户随机接入响应消息包括定时提前量、上行资源分配结果、小区无线网络临时标识(C-RNTI)值和功率配置指示；物理下行控制信道(PDCCH)消息中包含随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)，用户首先对随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)进行检测，若检测到与自身随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)相同，则接收该物理下行控制信道(PDCCH)消息，并获取物理下行共享信道(PDSCH)时频资源位置信息。

S402：N个用户中检测到与自身随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)相同的用户，读取并解调出随机接入响应传输(PDSCH)时频资源位置信息中包含的随机接入响应消息(RAR)；

S403：检测到与自身随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)相同的用户根据解调出的所述退避指示和前导码指示进行随机接入响应消息接收。

随机接入响应消息接收过程包括以下步骤：

(1)N个用户中的每个用户在随机接入响应窗口持续时间内没有检测到包含与自身相同随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)的物理下行控制信道(PDCCH)，则将前导传输计数器加1并检查前导传输计数器是否达到前导码最大传输次数，若是，则退出随机接入过程；若否，则等待退避计时器溢出后重新进行随机接入前导码的传输过程；

(2)N个用户中的每个用户在随机接入响应窗口持续时间内检测到包含与自身相同随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)的物理下行控制信道(PDCCH)，则在物理下行控制信道(PDCCH)指示的随机接入响应传输(PDSCH)时频资源上接收相应随机接入响应消息(RAR)。此时用户获得退避指示信息。若检测到的前导码指示与自身前导码不一致，则根据退避指示消息调整自身定时器长度，将前导传输计数器加1并检查前导传输计数器是否达到前导码最大传输次数，若是，则退出随机接入过程；若否，则在退避计时器溢出后的下一可用物理随机接入信道(PRACH)传输的子帧中进行随机接入前导码的传输过程；

(3)N个用户中的每个用户在随机接入响应窗口持续时间内检测到包含与自身相同随机接入-无线网络临时标识(RA-RNTI)的物理下行控制信道(PDCCH)，则在物理下行控制信道(PDCCH)指示的随机接入响应传输(PDSCH)时频资源上接收相应随机接入响应消息(RAR)。此时用户获得退避指示信息。若检测到的前导码指示与自身前导码一致，则基于接收到的小区专用参考信号的接收信号强度估计到eNodeB的距离从而估计定时提前量的范围，进而从接收到的前导码指示后搜索与自身对应的定时提前量，搜索成功后提取对应的上行资源分配结果、小区无线网络临时标识(C-RNTI)值和功率配置指示。

S5：层三消息传输，其中

S501：成功接收随机响应消息的用户利用其小区无线网络临时标识(C-RNTI)值对其层三消息进行扰乱；

S502：扰乱后的层三消息在RAR消息中指示的上行资源分配结果对应的物理上行共享信道(PUSCH)时频资源上发送，其中成功接收随机响应消息用户中的有效非碰撞用户的扰乱后的层三消息直接在物理上行共享信道(PUSCH)时频资源上传输，成功接收随机响应消息用户中的有效碰撞用户的扰乱后的层三消息按照对应的功率配置指示在相同的物理上行共享信道(PUSCH)时频资源上以功率域复用的方式同时传输；

S503：开启竞争解决窗口。

S6：eNodeB根据用户定时提前量的关系确定用户解调顺序，以串行干扰(SIC)的方式进行多用户分离；

S7：eNodeB对每个被识别出的小区无线网络临时标识(C-RNTI)回复竞争解决消息，指示用户随机接入成功；

其中，a、b、m、n和N为自然数，且a+b＝N，0≤m≤a,0≤n≤b。

优选地，竞争解决消息中包括物理上行链路控制信道(PUCCH)资源的指示消息，其用于用户后续的调度请求过程。

本发明的有益效果如下：

本发明中的非正交随机接入方法可以实现前导码传输过程发生碰撞的多个UE在第三步连接请求过程采用功率域复用的方式在同一时频资源上同时传输，而不需进行前导码重新传输的过程，从而有效缓解碰撞，且不需增加第三步连接请求过程所需的时频资源。本发明提出的非正交随机接入方法对于前导码碰撞概率、接入成功概率、接入时延以及前导码传输次数等性能指标均进行了有效改善。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出非正交随机接入方法随机接入步骤示意图。

图2示出非正交随机接入方法信息流程示意图。

图3示出物理随机接入信道(PRACH)位置示意图。

图4示出选择同一随机接入前导的多个用户功率时延谱示意图。

图5示出定时提前量与上行资源分配、小区无线网络临时标识(C-RNTI)和功率配置对应关系示意图。

图6示出随机接入响应消息结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图1示出非正交随机接入方法随机接入步骤，图2示出非正交随机接入方法的信息传递过程。该方法包括以下步骤：

1.用户从eNodeB广播的PBCH系统消息中获取用于完成随机接入过程的必要配置消息，包括上下行子帧分配消息、PRACH配置消息(PRACH配置序号、PRACH频率偏移、可用随机接入前导码等)和RACH配置消息(前导码最大传输次数、随机接入响应窗口大小、竞争解决窗口大小等)。

2.用户开启随机接入前导码传输过程，从可用随机接入前导码中随机选取一个，并在下一随机接入时隙(该时隙开始的子帧序号记为tid)中选择某一频率偏移(频域偏移序号记为fid)进行传输，如图3示出PRACH位置(随机接入时隙位置及频率偏移大小根据系统消息中获取的上下行子帧配置消息、PRACH配置序号和PRACH频率偏移可以得到)。根据用户选择的随机接入时隙和频率偏移，每个用户可以计算其RA-RNTI，即RA-RNTI＝1+tid+(10*fid)。用户在PRACH信道上发送随机接入前导码，开启前导发送计数器，初始值为0，并从发送PRACH后的第三个子帧开启随机接入响应窗口。

3.针对每一随机接入时隙，eNodeB首先通过频域分离的方法将选择了不同频域偏移的用户分离开；对于选择了相同频率偏移的用户，eNodeB进一步执行频域循环相关操作，得到各个用户随机接入前导码的功率时延谱。每一随机接入前导码对应一个特定的检测区间。当eNodeB在检测区间中检测到功率值超过一定阈值时，认为有用户采用该随机接入前导码进行随机接入。因此，若多个用户选择同一随机接入前导码并在相同的时频资源中传输(即多个用户选择同一随机接入时隙及相同的频率偏移)，经过eNodeB的频域循环相关的接收过程，各个用户随机接入前导序列的功率时延谱将出现在同一检测区间中，如图4所示。当用户到达时间间隔超过多径时延扩展长度时，eNodeB将检测到多个功率值超过阈值，此时，eNodeB基于用户到达时间进行多用户前导码的分别检测。eNodeB记录检测到各个超过阈值的功率值所对应的时间，将该时间的2倍作为各个用户的定时提前量，并对应每个定时提前量确定上行资源分配、小区无线网络临时标识(C-RNTI)和功率配置。如图5所示，多个定时提前量分别对应相同的上行资源分配结果、不同的小区无线网络临时标识(C-RNTI)值和不同的功率配置指示。根据用户的定时提前量确定用户的功率配置指示的规则为：若用户定时提前量的关系为τ1<τ2<τ3<…，则其功率配置指示为P1>P2>P3>…。

4.eNodeB首先在PDCCH上发送随机接入响应消息的PDSCH时频资源位置信息。PDCCH消息中包含RA-RNTI信息，若UE检测到与其自身相同的RA-RNTI信息，则进一步读取PDCCH中包含的随机接入响应消息的PDSCH时频资源位置信息，根据提取的随机接入响应消息的PDSCH时频资源位置信息，UE可以对应解调出随机接入响应消息。随机接入响应消息的结构如图6所示。退避指示用于退避定时器调整。每一前导码指示对应一特定的随机接入前导码，其后的信息为eNodeB反馈给选择该前导码进行随机接入的用户的随机接入响应消息。随机接入响应消息包括定时提前量、上行资源分配结果、临时C-RNTI值和功率配置指示。eNodeB向选择了同一前导序列的多个用户分别发送随机接入响应消息。不同用户的随机接入响应消息中具有不同的定时提前量、相同的上行资源分配结果、不同的临时C-RNTI值和不同的功率配置指示。

5.若在随机接入响应窗口持续时间内UE没有检测到与包含其自身相同的RA-RNTI信息的PDCCH消息，则将前导传输计数器加1，检查前导发送计数器是否达到前导码最大传输次数，若达到，则退出随机接入过程；若未达到，则等待退避计时器溢出后重新进行随机接入前导码的传输过程。由于退避计时器的初始值为0，且此时UE没有收到任何关于调整退避定时器长度的指示，因此UE将在下一可用于PRACH传输的子帧中重新进行随机接入前导码的传输过程。若在随机接入响应窗口持续时间内UE检测到了与包含其自身相同的RA-RNTI信息的PDCCH消息且对随机接入响应消息进行解调后获取了退避指示消息，但是没有检测到与自身随机接入前导码对应的前导码指示，则根据退避指示消息调整自身定时器长度，将前导传输计数器加1，检查前导发送计数器是否达到前导码最大传输次数，若达到，则退出随机接入过程；若未达到，则在退避计时器溢出后的下一可用于PRACH传输的子帧中进行随机接入前导码的传输过程。

6.若用户在随机接入响应窗口持续时间内UE检测到了包含与其自身相同RA-RNTI信息的PDCCH消息，则对随机接入响应消息进行解调后获取退避指示消息，根据退避指示消息调整自身定时器长度；若检测到与自身随机接入前导码对应的前导码指示，则基于接收到的小区专用参考信号的接收信号强度估计到eNodeB的距离从而估计定时提前量的范围，进而从接收到的前导码指示后搜索与自身对应的定时提前量，搜索成功后提取对应的上行资源分配结果、临时C-RNTI值和功率配置指示。

7.成功接收随机接入响应消息的用户利用其临时C-RNTI值对其需要传输的初始层三消息进行扰乱，然后在eNodeB指示的上行资源分配结果对应的PUSCH时频资源上发送。此时，在第一步中选择了相同随机接入前导码的多个用户按照各自的功率配置指示在相同的PUSCH时频资源上以功率域复用的方式同时传输。用户在发送初始层三消息之后开启竞争解决窗口，在竞争解决窗口之内等待竞争解决消息。

8.eNodeB根据用户定时提前量的关系确定用户解调顺序，以SIC的方式进行多用户分离。若用户定时提前量的关系为τ1<τ2<τ3<…，则用户解调顺序为1>2>3>…。由于eNodeB已知各个用户的临时C-RNTI值，因此可以从被扰乱的数据中提取各个用户的初始层三消息。

9.eNodeB对每个被识别出的临时C-RNTI回复竞争解决消息，指示用户随机接入成功。竞争解决消息中包括物理上行链路控制信道(PUCCH)资源的指示消息，用于用户后续的调度请求过程。

10.若用户在竞争解决窗口之内没有收到竞争解决消息，则将前导传输计数器加1，检查前导发送计数器是否达到前导码最大传输次数，若达到，则退出随机接入过程；若未达到，则在退避计时器溢出后的下一可用于PRACH传输的子帧中进行随机接入前导码的传输过程。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。