基于大规模MIMO技术的物联网设备随机接入方法及其系统与流程

本发明涉及一种随机接入方法，尤其涉及一种基于大规模MIMO(多输入多输出)技术的物联网设备随机接入方法，同时也涉及采用该随机接入方法的蜂窝物联网通信系统，属于无线通信技术领域。

背景技术：

物联网(IoT)设备是指“可监测周围的环境，报告自身的状态，接受命令或任务，甚至根据接受的信息采取行动”的通信终端设备。人们普遍预期：物联网设备将很快成为数量最大的一类通信终端设备，到2018年它大约等于智能手机、智能电视、平板电脑、可穿戴设备和个人电脑的数量总和。

目前，3GPP标准化组织提出将5G网络技术应用于物联网，并将所有物联网设备通过5G网络来实现互联。图1显示了MTC(Machine Type Communication，机器类型通信)设备与MTC服务器之间的通信场景。其中，MTC用户可通过MTC服务器操作大量的MTC设备。MTC服务器由运营商提供，并为MTC用户提供接入MTC服务器的应用程序接口(API)。MTC服务器和LTE网络基础设施可以位于同一个域。通过连接到采用LTE-A标准的基站，MTC用户可以通过MTC服务器控制MTC设备。

可以预期，在容纳多个物联网设备的5G通信系统(即蜂窝物联网通信系统)中，将会有大量的终端设备(包括但不限于UE设备、物联网设备等)需要通过无线方式同时接入网络。3GPP标准化组织的研究表明，当存在大量的MTC设备时，MTC设备和UE设备在随机接入信道上(RACH)将遭受连续的碰撞。具体说明如下：

如图2所示，在LTE系统的物理随机接入信道(PRACH)协议中，随机接入过程主要包含如下4个步骤：

步骤1：前导序列发送

UE设备从预定义集中随机选取一条前导序列(preamble)。该前导序列为鲁棒的实体，使基站(BS)能获得同步。该序列不包含指定的预留信息或数据，因此可用作导频序列。既然多个用户没经过协调选取导频序列，故如果两个或多个用户选取了相同的导频序列，则将发生冲突。然而，在此阶段基站仅检测一个指定的前导序列是否被使用。

步骤2：随机接入响应

基站对应于各被激活的前导序列发送一个随机接入响应，为激活该前导序列的UE设备转达物理层参数(如时间提前量TA)和分配资源。

步骤3：连接建立请求信息

接收到为其所发送前导序列的响应的那些UE设备将发送RRC(无线资源控制)连接请求信息，以获取用于随后数据发送的资源。如果多于一个UE设备激活了同一前导序列，那么使用相同资源的所有UE设备将发送其RRC连接请求，且该冲突将被基站检测到。

步骤4：连接建立响应信息/碰撞解决

如果基站成功地接收和检测到步骤3中UE设备发送的连接建立请求信息，则基站给UE设备发送连接建立响应信息。如果UE设备接收到连接建立响应信息，则完成了随机接入过程。

如果在步骤1中，两个或更多的UE设备选取了相同的前导序列(即产生碰撞)，那么这些用户将在步骤3中通过相同的上行链路资源块(Resource Block)发送连接建立请求信息。此时，基站无法解调信息，则随机接入过程由于碰撞而失败。这些用户将从步骤1开始重新启动随机接入过程。该步骤称为冲突解决，并且还包含旨在解决冲突的一个或多个步骤。冲突解决是一个复杂的步骤(往往需要重复多次随机接入过程，才有可能接入网络)，将造成很大的延时。而且，终端设备的功耗也会急剧增加，使得物联网设备的生命周期大为缩短。这种缺陷对于低功耗的物联网环境来说是致命的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于大规模MIMO技术的物联网设备随机接入方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述随机接入方法的蜂窝物联网通信系统。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于大规模MIMO技术的物联网设备随机接入方法，用在包括多个用户及至少一个基站的蜂窝物联网通信系统中，所述基站提供多个波束；该方法包括如下步骤：

多个所述用户使用相同的前导序列接入所述基站，各所述用户分别在不同的所述波束中接入所述基站。

其中较优地，所述基站在所述波束中形成随机接入响应信息，并用所述波束的特征空间对所述随机接入响应信息进行波束成形，发送给所述用户。

其中较优地，所述基站将所述波束的序号以及所述波束中的随机接入响应信息，一并发给所述用户。

其中较优地，所述基站对所述随机接入响应信息，用伪随机序列进行扩频运算，然后发送给所述用户。

其中较优地，所述伪随机序列与所述波束之间为一一对应关系。

其中较优地，所述基站将所述波束中的各随机接入响应信息相加，发送给所述用户。

其中较优地，所述用户向所述基站发送随机接入请求信息，所述随机接入请求信息包括波束序号及波束中信号强度。

其中较优地，所述基站根据所述波束中信号强度，确定一个或多个波束，并在确定的一个或多个波束上发送RRC连接建立信息。

其中较优地，在所述波束中，所述基站接收的所述前导序列的信号强度大于预设的门限值。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种蜂窝物联网通信系统，包括多个用户及至少一个基站，其中所述基站提供多个波束，该蜂窝物联网通信系统采用上述物联网设备随机接入方法实现物联网设备的随机接入。

与现有技术相比较，本发明充分利用了大规模MIMO技术的窄波束特性，使不同波束中的用户能用相同的前导序列进行随机接入(理论上，如果基站端有N个波束，则随机接入的用户数比现有方法能增加N倍)，从而极大降低了随机接入的碰撞概率，极大增加了随机接入的用户数，有效解决了蜂窝物联网通信系统中大量用户随机接入时的拥塞与碰撞问题。

附图说明

图1为MTC设备与MTC服务器之间的通信场景示意图；

图2为LTE系统的物理随机接入信道协议中，随机接入过程的流程图；

图3为本发明所提供的基于大规模MIMO技术的物联网设备随机接入方法的流程图；

图4为修改前的随机接入响应信息的格式示意图；

图5为本发明中，修改后的随机接入响应信息的格式示意图；

图6为本发明中，2个用户3波束时的最优波束选择示意图；

图7为本发明中，不同用户数K和不同波束数M_b时的冲突概率示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容展开详细具体的说明。

首先需要说明的是，下文中使用的各类序号，例如M_b、M、N、j、K等均为正整数。为使说明书行文简洁，在下文中不再一一说明。

大规模MIMO技术由于具有高数据传输率、高频谱效率及高能效等特点，目前已经成为5G通信系统采用的一种关键技术，同时也成为解决蜂窝物联网通信系统中大量用户连接的关键技术之一。

在现有大规模MIMO技术的基础上，用于实现本发明所提供的物联网设备随机接入方法的蜂窝物联网通信系统中，包括至少一个基于大规模MIMO技术的基站及多个用户。该基站有M_b个波束该用户使用全向天线。假设在随机接入过程中，有N条前导序列供用户进行随机接入。而且，假设有M_b条伪随机序列PN_j(j＝1,2,…,M_b)，且与M_b个波束一一对应。

在上述蜂窝物联网通信系统的基础上，针对大量用户的随机接入需求，本发明提出一种基于多波束预编码与扩频的物联网设备随机接入方法，主要包含如下4个步骤。下面结合图3进行详细具体的说明。

步骤1：用户随机选取一条前导序列p_i进行随机接入。

用户从预定义前导序列集中随机选取一条前导序列p_i(preamble)。前导序列集包括N条前导序列供用户进行随机接入。该前导序列具有优良的自相关特性，使基站能获得上行同步。

既然多个用户没经过协调选取导频序列，因此两个或多个用户可能会选取相同的前导序列。然而在此阶段，基站仅检测某个前导序列是否被使用。

步骤2：基站在信号强度较大的波束中发送随机接入响应信息。

基站在各波束中检测前导序列p_i并确定接收信号较强的前M个波束，在各波束U_m中形成随机接入响应信息S_m(只有位于波束U_m中的用户才能接收到随机接入响应信息S_m)，对各波束U_m中的信号S_m用伪随机序列PN_m进行扩频运算PN_m·S_m，以便用户能够识别随机接入响应信息S_m来自哪个波束。这样，基站形成了最终的随机接入响应信息{(p_i序列号，M个波束的序号),并发送该信号。具体说明如下：

首先，基站在M_b个波束中检测前导序列p_i。然后判断在各个波束中接收到的前导序列p_i，其接收信号强度是否达到门限值γ_th。

如果大于等于门限值，则在该波束中形成随机接入响应信息S_m；如果小于门限值，则检测下一波束中的前导序列。

在此，假设在M_b个波束中有M个波束中的前导序列接收信号强度超过了此门限值。基站在这M个波束的各波束m中形成随机接入响应信息S_m，并用该波束的特征空间U_m对S_m进行波束成形，得到U_mS_m。因此，只有位于波束U_m中的用户才能接收到随机接入响应信息U_mS_m，其他波束中的用户接收不到该信息。

随机接入响应信息U_mS_m可以设计成如图4所示的格式。用户根据其接收到的随机接入响应信息，即可判断其在哪个波束中接收到了随机接入响应信息。但是，图4所示的随机接入响应信息的基本格式会显著增加资源的开销。

为了减少资源开销，本发明中设计了一个巧妙的解决方案：为使用户(UE设备、IoT设备等)能够识别随机接入响应信息S_m来自哪个波束，基站通过用伪随机序列PN_m对波束m中的随机接入响应信息U_mS_m进行扩频运算PN_m·U_mS_m(各波束与伪随机序列之间存在着基站端和用户端都已知的一一对应关系，这样基站不用再将随机序列序号通知用户)。然后，基站将M个波束中的随机接入响应信息相加后得到最后，基站将M个波束中的随机接入响应信息设计成图5所示的格式，并发送该随机接入响应信息。

利用图5所示的修改后的随机接入响应信息格式，一方面，随机接入响应信息将通过波束成形技术在不同的波束中传输，只有位于那个波束中的用户才能收到该随机接入响应信息。另一方面，特定波束中的随机接入响应信息还要进行扩频后再发送出去，这样便于用户确定该随机接入响应信息来自于哪个波束。

由此可见，伪随机序列的序号与波束的序号之间建立了一个预定的对应关系，且基站端和用户端都知道该对应关系。这样，用户在哪个伪随机序列上接收到了随机接入响应信息，也就知道了该随机接入响应信息来自哪个波束。可见，采用该解决方案可以极大地减少资源开销。

步骤3：首先，用户根据接收到的随机接入响应信息，确定基站在哪些波束中发送了随机接入响应。根据随机接入响应信息，用户可以知道基站在M个波束中发送了随机接入响应信息。

然后，用户在M个波束中对接收到的随机接入响应分别进行解扩运算。假设用户在其中J个波束中接收到了随机接入响应，且各波束中的接收信号强度为r_j。

之后，用户选取接收信号强度最强的前J个波束，并形成随机接入请求信息，该随机接入请求信息中包含{前导序列p_t的序列号、UE设备的ID，[波束序号及波束中信号强度(波束序号j,r_j):j＝1,…,J]}。其中，在现有大规模MIMO技术的基础上新增加的“波束序号及波束中信号强度(波束序号j,r_j)”有利于判断用户位于哪些波束中和各波束中的信号强度。这样，有利于基站确定各用户的最优波束，且能解决冲突问题。

最后，用户发送上述随机接入请求信息。

需要说明的是，只有通过上述步骤2和步骤3中新增加的信息格式及相应的信息生成与发送方式，才使得位于不同波束中的用户能用相同的前导序列进行随机接入。这样极大地降低了随机接入的碰撞概率，降低了随机接入中的时延，且极大地增加了随机接入的用户数，特别适用于解决蜂窝物联网通信系统中的大量用户接入问题。

步骤4：基站根据接收到的随机接入请求信息，确定各用户在哪个波束中为其发送了随机接入请求信息。而且，根据随机接入请求信息中各用户在各波束上的信号强度，确定各用户的最优波束。最后，基站在上述各用户的最优波束内，给用户发送RRC连接建立信息。具体说明如下：

首先，基站根据接收到的随机接入请求信息，确定各用户在哪个波束中为其发送了随机接入请求信息。而且，根据随机接入请求信息中各用户在各波束上的信号强度，确定各用户的最优波束。下面用一个例子说明基站如何选取各用户的最优波束，并说明如何解决冲突问题。如图6所示，假设基站端有3个波束，2个用户选择了相同的前导序列进行随机接入。其中，UE1通过波束1和波束2到达基站，而UE2通过波束2和波束3到达基站。此外，假设r_1,1＞r_1,2，r_2,2＞r_2,3，且r_1,2与r_2,2差不多大小。

由于UE1和UE2在波束2中的信号强度差不多，因此基站在波束2中无法成功检测UE1或UE2的信号。但是，基站通过波束1中检测到的UE1信号，可知UE1是通过波束1和波束2到达基站的，且知道这2个波束中的信号强度。同理，基站通过波束3中检测到的UE2信号，可知UE1是通过波束2和波束3到达基站的，且知道这2个波束中的信号强度。最后，基站可确定波束1是UE1的最优波束，而波束2是UE2的最优波束。可见，基站不仅选取了用户的最优波束，并且解决了波束2中的冲突问题。

然后，基站在上述各用户的最优波束内，给用户发送RRC连接建立信息。

上面对本发明所提供的基于大规模MIMO技术的物联网设备随机接入方法进行了详细说明。下面，通过比较冲突概率来说明本发明相比现有随机接入方法的优势。假设前导序列数N＝40，基站端的波束数为M_b(M_b＝1对应于传统的方案)，且有K个用户进行随机接入。此时，不发生冲突的概率可表达为：

$p_d=\frac{\left({\mathrm{NM}}_b\right)\·({\mathrm{NM}}_b-1)\·({\mathrm{NH}}_b-K+1)}{{\left({\mathrm{NM}}_b\right)}^K}---\left(1\right)$

因此，冲突概率可表达为：

p_c＝1-p_d (2)

图7给出了不同用户数K和不同波束数M_b时的冲突概率。图7中，M_b＝1对应于传统的方案。由图7可见，本发明中随机接入的碰撞概率明显低于现有随机接入方法的碰撞概率。

实际上，在用式(2)计算本发明方法的碰撞概率时，只考虑各用户只选择一个波束的情况。实际上，针对同一导频序列，只要两个用户在不同的波束中，并不限于位于一个波束中，就不会发生碰撞。因此，利用式(2)所计算的本物联网设备随机接入方法的碰撞概率是很保守的值，实际上的碰撞概率将远低于该值。

从图7可以看出，本发明利用了大规模MIMO技术的窄波束特性，使不同波束中的用户能够使用相同的前导序列进行随机接入(理论上，如果基站端有N个波束，则随机接入的用户数能增加N倍)，从而极大降低了随机接入的碰撞概率，极大增加了随机接入的用户数，可以有效解决蜂窝物联网通信系统中大量用户随机接入过程时的拥塞与碰撞问题。

上面对本发明所提供的基于大规模MIMO技术的物联网设备随机接入方法及其系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。