一种4G/5G通信多切片随机接入方法与流程

本发明涉及无线通信，特别是一种4g/5g通信多切片随机接入方法。

背景技术：

1、5g网络超高速率、极低时延和海量连接三大设计能力指标催生了三大应用场景:增强型移动宽带(embb)、超可靠低延迟通信(urllc)和海量机器通信(mmtc)。embb、urllc和mmtc三大应用场景对网络的服务能力需求有很大差异。

2、网络切片技术是 5g 网络为不同应用场景提供差异化服务的关键。通过网络切片,运营商在一个通用物理平台上构建多个专用的、虚拟化的、互相隔离的逻辑网络,来满足不同客户对网络能力的不同要求,进而最大程度提升网络对外部环境、客户需求和业务场景的适应性,提升网络资源使用效率,最优化运营商的网络建设投资,构建灵活和敏捷的5g网络。随着云计算、软件定义网络(sdn)、网络功能虚拟化(nfv)等新技术以及网络构建新思路的出现,基于一个物理网络构建不同逻辑网络的思想应运而生,这种逻辑网络被称为网络切片。 5g 网络切片是网络服务模式的一种全新尝试,是 nfv 技术应用于5g 网络的关键特征。利用 nfv 技术可将 5g 网络物理基础设施根据场景需求虚拟化为多个相互独立的虚拟网络切片,每个切片按照业务场景需求和话务模型进行网络功能的定制裁剪和相应的网络资源编排管理。一个网络切片实例可以视为一个实例化的 5g 端到端网络。在一个网络切片内,运营商可以进一步对虚拟资源进行灵活分割,按需创建子网络（《无线电通信技术》2019年第6期《5g 网络切片技术综述》）。

3、随机接入（ra）是ue和4g/5g网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，enb/gnb和ue之间才能正常进行数据互操作。4g与5g的随机接入过程类似，分为基于竞争和基于非竞争的随机接入两种类型。基于非竞争的随机接入过程中，enb/gnb根据需要给ue分配指定的随机接入前导码，故不存在ue间的相互冲突，其随机接入过程更简单，但灵活性更差、系统容量更低、适用场景更少。基于竞争的随机接入过程主要分四步，包括ue向enb/gnb发送前导码发起随机接入尝试、enb/gnb盲检测前导码并响应、ue向enb/gnb发送msg3、enb/gnb向ue发送msg4完成竞争解决。

4、在基于竞争的随机接入过程中，由于用户的随机性以及无线信道的复杂性决定了这种接入的发起及采用的资源具有随机性。前导码是随机接入过程中一种重要的资源，前导码的分配方案直接影响到整个系统的传输性能。在5g蜂窝网络随机接入过程中，随机接入前导码通常不依据具体业务需求来进行分配，无法满足各类切片的业务需求。因此，作为随机接入过程中最为重要的一种无线资源，需要针对不同切片，对前导码进行灵活以及个性化的配置与分配，以实现同一随机接入过程高效满足不同异构服务的需求。

5、一些工作提出了基于前导分配的优先级排序，试图管理前导分配到多个acs以改进系统。现有技术1（c. h. lee, t. m. lin and j. p. cheng, "prioritized randomaccesswith dynamic access barring for ran overload in 3gpp lte-a networks,"proc. ieee globecom, pp. 368-372, dec., 2011）建议为不同的acs预先分配前导码，并使用依赖于服务的退避过程以及动态访问限制。现有技术2（s. kim, b. yi and k. d.lee, "throughput comparison of random access methods for m2m service over ltenetworks," proc.ieee globecom, pp. 373-377, dec., 2011.）中的方案通过分离的前导分组将h2h优先于mtc服务，并评估两种情况：（i）一组用于h2h，另一组用于mtc，（ii）一组仅用于h2h，而另一组同时用于h2h和m2m。现有技术3（y. y. chu et al., "study ofgeneralized resource allocation scheme for multichannel slotted alohasystems," proc. ieee pimrc, pp. 1702-1706, 2015.）对两个以上acs的部分共享前导分配进行了仿真研究。现有技术4（x. l. li, q. n. ren and n. hu, "random accesspreamble assignment algorithm of td-lte," advan. comput., commun.,controlautom., lec. notes in electr. eng., vol. 121, pp. 701-708,2012.）中，前导码分为三组：无争用、基于争用和优先级组。在无争用前导码数目固定的情况下，根据预先定义的负载阈值调整基于争用的和优先级的前导码数目，以提高无争用和基于争用的ue接入成功概率。现有技术5（r harwahyu, j loo, rg cheng and yy chu, smoothing the drive:critical access for intelligent transportation systems[j], ieee vehiculartechnology magazine, 2017, 12(2): 60-68.）提出了一种广义的前导分配策略来处理各种网络模式和qos需求下的优先级划分和分配优化方法。现有技术6（徐鑫聂静等，一种机器类通信随机接入过程的前导码分配方法，国家发明专利，申请号cn201811295923.9）提出了一种机器类通信随机接入过程的前导码分配方法。然而，以上技术或者以接入成功概率为目标，或者针对某种特定场景下的业务进行分析，再或者是只适用于5g网络而并不适用于4g网络。

6、为满足4g/5g通信系统中的小区和小区内某（几）类切片的随机接入碰撞概率性能指标要求，本发明提出一种4g/5g通信多切片随机接入方法，以小区系统及各切片类型的碰撞概率为衡量指标对基于竞争的随机接入过程中的前导码进行分配，形成针对整个小区系统以及不同类型切片业务对碰撞概率要求的折衷方案。

技术实现思路

1、不同类型的切片，具有可能完全不同的特征。如海量物联网(miot)切片所需要的高并发接入和捎带小微数据等特征、超可靠低延时(urllc)切片所需要的高可靠性与低时延特征、增强移动宽带(embb)切片所要求的高数据速率等特征。即便是同一大类型切片，其内部不同种类切片也有可能具有完全不同的特征与需求，如c-v2x切片中的自动驾驶切片所需要的快速接入与高可靠性，车辆信息娱乐所要求的平滑接入与业务负载接纳控制以及车辆远程诊断和管理所要求的高并发接入和捎带小微数据等特征。在存在多种不同类型切片的4g/5g通信网络随机接入过程中，需要针对不同的切片类型体现出其不同的随机接入特征和需求。

2、前导码是随机接入过程中一种重要的空口资源，前导码的分配方案直接影响到整个系统的传输性能。在4g/5g蜂窝网络随机接入基本过程中，随机接入前导码通常不依据具体业务需求来进行分配，不能满足各类切片的需求。因此，作为随机接入过程中最为重要的一种无线资源，需要针对不同类型切片，对前导码进行灵活以及个性化的配置与分配，以实现同一随机接入过程高效满足不同异构服务的需求。

3、假设4g/5g系统中的某小区系统内存在 p种切片类型，分别为ac1、ac2、……、ac p。

4、基于碰撞概率最小化（或次小化）或满足某种碰撞概率性能指标要求的前导码分配方案是针对不同类型切片业务对传输性能要求的折衷。比如可能ac1对于其自身碰撞概率要求要尽可能低，而从整个系统来说，在尽量满足这一类切片业务需求的同时，对整个系统的碰撞概率也需要综合考虑，以达到一定的性能要求。因此，一味地通过为ac1分配更多的前导码来降低其碰撞概率并不可取。对于不同类型的切片业务，我们允许每个前导码独立地分配给一个或多个acs。在具体实现中，该方案中指定的前导码分配由enb/gnb经由sib2（lte中）或sib1（5g nr中）广播到每个ac中的ue，以供ue在前导码选择中使用。切片业务类型由网络运营商定义。

5、在4g/5g中，在ra过程期间单小区的prach碰撞概率主要取决于竞争用户的数量和预先分配的前导码的数量。enb/gnb通过为关键切片预留所有的前导码，可以确保关键业务的低碰撞概率要求。然而，为这些关键服务预留所有前导码也阻止了剩余服务使用4g/5g网络的机会。基于前导码分配的原理是分割和降低争用以获得更好的碰撞概率性能。

6、考虑基于竞争的随机接入过程，其可用前导码个数 n满足1≤ n≤64。设分配给ac1的前导码个数为 k1(1≤ k1≤ n)，分配给ac2的前导码个数为 k2(1≤ k2≤ n)，……，分配给ac p的前导码个数为 k p(1≤ k p≤ n)。为充分利用前导码资源，则应满足 k1+ k2+……+ k p≥ n。假设基于非竞争的随机接入前导码数目为 m，则基于竞争的随机接入前导码个数 n=64- m。前导码分配情况见图1。其中“1”代表该前导码已分配给当前业务切片，“0”代表该前导码未分配给当前业务切片。

7、假设4g/5g通信中的prach碰撞概率表示为 p b，根据全概率公式可知，存在 p种切片业务类型的条件下，单小区prach碰撞概率可表示为式（1）。

8、  p b=1-[(1- p b1) (1- p b2)…(1- p bn)] （1）

9、 其中， p b1为前导码1发生碰撞的概率， p b2为前导码2发生碰撞的概率，……， p bn为前导码 n发生碰撞的概率。

10、针对切片类型ac i（ i=1,2,……, p），同理可得其对应的碰撞概率如式（2）所示。

11、 p b( ac i)=1-[(1- p b1( ac i)) (1- p b2( ac i))…(1- p bn( ac i))] （2）

12、其中， p b1(ac i)为切片类型ac i在前导码1中发生碰撞的概率， p b2(ac i)为切片类型ac i在前导码2中发生碰撞的概率，……， p bn(ac i)为切片类型ac i在前导码 n中发生碰撞的概率，当切片类型ac i未使用前导码 j时，则很明显 p bj(ac i)=0(1≤ j≤ n)。

13、在获得小区系统碰撞概率 p b及小区内 p类切片相应碰撞概率 p b(ac i)( i=1,2,…, p)后，即可实现寻找小区系统碰撞概率最小化或某几类切片碰撞概率最小化（次小化）或满足某种碰撞概率性能指标要求的前导码分配方案。