本發(fā)明涉及一種隨機(jī)接入方法,尤其涉及一種基于大規(guī)模MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法,同時(shí)也涉及采用該隨機(jī)接入方法的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng),屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備是指“可監(jiān)測周圍的環(huán)境,報(bào)告自身的狀態(tài),接受命令或任務(wù),甚至根據(jù)接受的信息采取行動(dòng)”的通信終端設(shè)備。人們普遍預(yù)期:物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將很快成為數(shù)量最大的一類通信終端設(shè)備,到2018年它大約等于智能手機(jī)、智能電視、平板電腦、可穿戴設(shè)備和個(gè)人電腦的數(shù)量總和。
目前,3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織提出將5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng),并將所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。圖1顯示了MTC(Machine Type Communication,機(jī)器類型通信)設(shè)備與MTC服務(wù)器之間的通信場景。其中,MTC用戶可通過MTC服務(wù)器操作大量的MTC設(shè)備。MTC服務(wù)器由運(yùn)營商提供,并為MTC用戶提供接入MTC服務(wù)器的應(yīng)用程序接口(API)。MTC服務(wù)器和LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可以位于同一個(gè)域。通過連接到采用LTE-A標(biāo)準(zhǔn)的基站,MTC用戶可以通過MTC服務(wù)器控制MTC設(shè)備。
可以預(yù)期,在容納多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的5G通信系統(tǒng)(即蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng))中,將會(huì)有大量的終端設(shè)備(包括但不限于UE設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等)需要通過無線方式同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織的研究表明,當(dāng)存在大量的MTC設(shè)備時(shí),MTC設(shè)備和UE設(shè)備在隨機(jī)接入信道上(RACH)將遭受連續(xù)的碰撞。具體說明如下:
如圖2所示,在LTE系統(tǒng)的物理隨機(jī)接入信道(PRACH)協(xié)議中,隨機(jī)接入過程主要包含如下4個(gè)步驟:
步驟1:前導(dǎo)序列發(fā)送
UE設(shè)備從預(yù)定義集中隨機(jī)選取一條前導(dǎo)序列(preamble)。該前導(dǎo)序列為魯棒的實(shí)體,使基站(BS)能獲得同步。該序列不包含指定的預(yù)留信息或數(shù)據(jù),因此可用作導(dǎo)頻序列。既然多個(gè)用戶沒經(jīng)過協(xié)調(diào)選取導(dǎo)頻序列,故如果兩個(gè)或多個(gè)用戶選取了相同的導(dǎo)頻序列,則將發(fā)生沖突。然而,在此階段基站僅檢測一個(gè)指定的前導(dǎo)序列是否被使用。
步驟2:隨機(jī)接入響應(yīng)
基站對(duì)應(yīng)于各被激活的前導(dǎo)序列發(fā)送一個(gè)隨機(jī)接入響應(yīng),為激活該前導(dǎo)序列的UE設(shè)備轉(zhuǎn)達(dá)物理層參數(shù)(如時(shí)間提前量TA)和分配資源。
步驟3:連接建立請(qǐng)求信息
接收到為其所發(fā)送前導(dǎo)序列的響應(yīng)的那些UE設(shè)備將發(fā)送RRC(無線資源控制)連接請(qǐng)求信息,以獲取用于隨后數(shù)據(jù)發(fā)送的資源。如果多于一個(gè)UE設(shè)備激活了同一前導(dǎo)序列,那么使用相同資源的所有UE設(shè)備將發(fā)送其RRC連接請(qǐng)求,且該沖突將被基站檢測到。
步驟4:連接建立響應(yīng)信息/碰撞解決
如果基站成功地接收和檢測到步驟3中UE設(shè)備發(fā)送的連接建立請(qǐng)求信息,則基站給UE設(shè)備發(fā)送連接建立響應(yīng)信息。如果UE設(shè)備接收到連接建立響應(yīng)信息,則完成了隨機(jī)接入過程。
如果在步驟1中,兩個(gè)或更多的UE設(shè)備選取了相同的前導(dǎo)序列(即產(chǎn)生碰撞),那么這些用戶將在步驟3中通過相同的上行鏈路資源塊(Resource Block)發(fā)送連接建立請(qǐng)求信息。此時(shí),基站無法解調(diào)信息,則隨機(jī)接入過程由于碰撞而失敗。這些用戶將從步驟1開始重新啟動(dòng)隨機(jī)接入過程。該步驟稱為沖突解決,并且還包含旨在解決沖突的一個(gè)或多個(gè)步驟。沖突解決是一個(gè)復(fù)雜的步驟(往往需要重復(fù)多次隨機(jī)接入過程,才有可能接入網(wǎng)絡(luò)),將造成很大的延時(shí)。而且,終端設(shè)備的功耗也會(huì)急劇增加,使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的生命周期大為縮短。這種缺陷對(duì)于低功耗的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境來說是致命的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問題在于提供一種基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法。
本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題在于提供一種采用上述隨機(jī)接入方法的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的,本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案:
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一方面,提供一種基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法,用在包括多個(gè)用戶及至少一個(gè)基站的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中,所述基站提供多個(gè)波束;該方法包括如下步驟:
多個(gè)所述用戶使用相同的前導(dǎo)序列接入所述基站,各所述用戶分別在不同的所述波束中接入所述基站。
其中較優(yōu)地,所述基站在所述波束中形成隨機(jī)接入響應(yīng)信息,并用所述波束的特征空間對(duì)所述隨機(jī)接入響應(yīng)信息進(jìn)行波束成形,發(fā)送給所述用戶。
其中較優(yōu)地,所述基站將所述波束的序號(hào)以及所述波束中的隨機(jī)接入響應(yīng)信息,一并發(fā)給所述用戶。
其中較優(yōu)地,所述基站對(duì)所述隨機(jī)接入響應(yīng)信息,用偽隨機(jī)序列進(jìn)行擴(kuò)頻運(yùn)算,然后發(fā)送給所述用戶。
其中較優(yōu)地,所述偽隨機(jī)序列與所述波束之間為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
其中較優(yōu)地,所述基站將所述波束中的各隨機(jī)接入響應(yīng)信息相加,發(fā)送給所述用戶。
其中較優(yōu)地,所述用戶向所述基站發(fā)送隨機(jī)接入請(qǐng)求信息,所述隨機(jī)接入請(qǐng)求信息包括波束序號(hào)及波束中信號(hào)強(qiáng)度。
其中較優(yōu)地,所述基站根據(jù)所述波束中信號(hào)強(qiáng)度,確定一個(gè)或多個(gè)波束,并在確定的一個(gè)或多個(gè)波束上發(fā)送RRC連接建立信息。
其中較優(yōu)地,在所述波束中,所述基站接收的所述前導(dǎo)序列的信號(hào)強(qiáng)度大于預(yù)設(shè)的門限值。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第二方面,提供一種蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng),包括多個(gè)用戶及至少一個(gè)基站,其中所述基站提供多個(gè)波束,該蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)采用上述物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的隨機(jī)接入。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較,本發(fā)明充分利用了大規(guī)模MIMO技術(shù)的窄波束特性,使不同波束中的用戶能用相同的前導(dǎo)序列進(jìn)行隨機(jī)接入(理論上,如果基站端有N個(gè)波束,則隨機(jī)接入的用戶數(shù)比現(xiàn)有方法能增加N倍),從而極大降低了隨機(jī)接入的碰撞概率,極大增加了隨機(jī)接入的用戶數(shù),有效解決了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中大量用戶隨機(jī)接入時(shí)的擁塞與碰撞問題。
附圖說明
圖1為MTC設(shè)備與MTC服務(wù)器之間的通信場景示意圖;
圖2為LTE系統(tǒng)的物理隨機(jī)接入信道協(xié)議中,隨機(jī)接入過程的流程圖;
圖3為本發(fā)明所提供的基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法的流程圖;
圖4為修改前的隨機(jī)接入響應(yīng)信息的格式示意圖;
圖5為本發(fā)明中,修改后的隨機(jī)接入響應(yīng)信息的格式示意圖;
圖6為本發(fā)明中,2個(gè)用戶3波束時(shí)的最優(yōu)波束選擇示意圖;
圖7為本發(fā)明中,不同用戶數(shù)K和不同波束數(shù)Mb時(shí)的沖突概率示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容展開詳細(xì)具體的說明。
首先需要說明的是,下文中使用的各類序號(hào),例如Mb、M、N、j、K等均為正整數(shù)。為使說明書行文簡潔,在下文中不再一一說明。
大規(guī)模MIMO技術(shù)由于具有高數(shù)據(jù)傳輸率、高頻譜效率及高能效等特點(diǎn),目前已經(jīng)成為5G通信系統(tǒng)采用的一種關(guān)鍵技術(shù),同時(shí)也成為解決蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中大量用戶連接的關(guān)鍵技術(shù)之一。
在現(xiàn)有大規(guī)模MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上,用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提供的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中,包括至少一個(gè)基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的基站及多個(gè)用戶。該基站有Mb個(gè)波束該用戶使用全向天線。假設(shè)在隨機(jī)接入過程中,有N條前導(dǎo)序列供用戶進(jìn)行隨機(jī)接入。而且,假設(shè)有Mb條偽隨機(jī)序列PNj(j=1,2,…,Mb),且與Mb個(gè)波束一一對(duì)應(yīng)。
在上述蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,針對(duì)大量用戶的隨機(jī)接入需求,本發(fā)明提出一種基于多波束預(yù)編碼與擴(kuò)頻的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法,主要包含如下4個(gè)步驟。下面結(jié)合圖3進(jìn)行詳細(xì)具體的說明。
步驟1:用戶隨機(jī)選取一條前導(dǎo)序列pi進(jìn)行隨機(jī)接入。
用戶從預(yù)定義前導(dǎo)序列集中隨機(jī)選取一條前導(dǎo)序列pi(preamble)。前導(dǎo)序列集包括N條前導(dǎo)序列供用戶進(jìn)行隨機(jī)接入。該前導(dǎo)序列具有優(yōu)良的自相關(guān)特性,使基站能獲得上行同步。
既然多個(gè)用戶沒經(jīng)過協(xié)調(diào)選取導(dǎo)頻序列,因此兩個(gè)或多個(gè)用戶可能會(huì)選取相同的前導(dǎo)序列。然而在此階段,基站僅檢測某個(gè)前導(dǎo)序列是否被使用。
步驟2:基站在信號(hào)強(qiáng)度較大的波束中發(fā)送隨機(jī)接入響應(yīng)信息。
基站在各波束中檢測前導(dǎo)序列pi并確定接收信號(hào)較強(qiáng)的前M個(gè)波束,在各波束Um中形成隨機(jī)接入響應(yīng)信息Sm(只有位于波束Um中的用戶才能接收到隨機(jī)接入響應(yīng)信息Sm),對(duì)各波束Um中的信號(hào)Sm用偽隨機(jī)序列PNm進(jìn)行擴(kuò)頻運(yùn)算PNm·Sm,以便用戶能夠識(shí)別隨機(jī)接入響應(yīng)信息Sm來自哪個(gè)波束。這樣,基站形成了最終的隨機(jī)接入響應(yīng)信息{(pi序列號(hào),M個(gè)波束的序號(hào)),并發(fā)送該信號(hào)。具體說明如下:
首先,基站在Mb個(gè)波束中檢測前導(dǎo)序列pi。然后判斷在各個(gè)波束中接收到的前導(dǎo)序列pi,其接收信號(hào)強(qiáng)度是否達(dá)到門限值γth。
如果大于等于門限值,則在該波束中形成隨機(jī)接入響應(yīng)信息Sm;如果小于門限值,則檢測下一波束中的前導(dǎo)序列。
在此,假設(shè)在Mb個(gè)波束中有M個(gè)波束中的前導(dǎo)序列接收信號(hào)強(qiáng)度超過了此門限值?;驹谶@M個(gè)波束的各波束m中形成隨機(jī)接入響應(yīng)信息Sm,并用該波束的特征空間Um對(duì)Sm進(jìn)行波束成形,得到UmSm。因此,只有位于波束Um中的用戶才能接收到隨機(jī)接入響應(yīng)信息UmSm,其他波束中的用戶接收不到該信息。
隨機(jī)接入響應(yīng)信息UmSm可以設(shè)計(jì)成如圖4所示的格式。用戶根據(jù)其接收到的隨機(jī)接入響應(yīng)信息,即可判斷其在哪個(gè)波束中接收到了隨機(jī)接入響應(yīng)信息。但是,圖4所示的隨機(jī)接入響應(yīng)信息的基本格式會(huì)顯著增加資源的開銷。
為了減少資源開銷,本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的解決方案:為使用戶(UE設(shè)備、IoT設(shè)備等)能夠識(shí)別隨機(jī)接入響應(yīng)信息Sm來自哪個(gè)波束,基站通過用偽隨機(jī)序列PNm對(duì)波束m中的隨機(jī)接入響應(yīng)信息UmSm進(jìn)行擴(kuò)頻運(yùn)算PNm·UmSm(各波束與偽隨機(jī)序列之間存在著基站端和用戶端都已知的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,這樣基站不用再將隨機(jī)序列序號(hào)通知用戶)。然后,基站將M個(gè)波束中的隨機(jī)接入響應(yīng)信息相加后得到最后,基站將M個(gè)波束中的隨機(jī)接入響應(yīng)信息設(shè)計(jì)成圖5所示的格式,并發(fā)送該隨機(jī)接入響應(yīng)信息。
利用圖5所示的修改后的隨機(jī)接入響應(yīng)信息格式,一方面,隨機(jī)接入響應(yīng)信息將通過波束成形技術(shù)在不同的波束中傳輸,只有位于那個(gè)波束中的用戶才能收到該隨機(jī)接入響應(yīng)信息。另一方面,特定波束中的隨機(jī)接入響應(yīng)信息還要進(jìn)行擴(kuò)頻后再發(fā)送出去,這樣便于用戶確定該隨機(jī)接入響應(yīng)信息來自于哪個(gè)波束。
由此可見,偽隨機(jī)序列的序號(hào)與波束的序號(hào)之間建立了一個(gè)預(yù)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且基站端和用戶端都知道該對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣,用戶在哪個(gè)偽隨機(jī)序列上接收到了隨機(jī)接入響應(yīng)信息,也就知道了該隨機(jī)接入響應(yīng)信息來自哪個(gè)波束。可見,采用該解決方案可以極大地減少資源開銷。
步驟3:首先,用戶根據(jù)接收到的隨機(jī)接入響應(yīng)信息,確定基站在哪些波束中發(fā)送了隨機(jī)接入響應(yīng)。根據(jù)隨機(jī)接入響應(yīng)信息,用戶可以知道基站在M個(gè)波束中發(fā)送了隨機(jī)接入響應(yīng)信息。
然后,用戶在M個(gè)波束中對(duì)接收到的隨機(jī)接入響應(yīng)分別進(jìn)行解擴(kuò)運(yùn)算。假設(shè)用戶在其中J個(gè)波束中接收到了隨機(jī)接入響應(yīng),且各波束中的接收信號(hào)強(qiáng)度為rj。
之后,用戶選取接收信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的前J個(gè)波束,并形成隨機(jī)接入請(qǐng)求信息,該隨機(jī)接入請(qǐng)求信息中包含{前導(dǎo)序列pt的序列號(hào)、UE設(shè)備的ID,[波束序號(hào)及波束中信號(hào)強(qiáng)度(波束序號(hào)j,rj):j=1,…,J]}。其中,在現(xiàn)有大規(guī)模MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上新增加的“波束序號(hào)及波束中信號(hào)強(qiáng)度(波束序號(hào)j,rj)”有利于判斷用戶位于哪些波束中和各波束中的信號(hào)強(qiáng)度。這樣,有利于基站確定各用戶的最優(yōu)波束,且能解決沖突問題。
最后,用戶發(fā)送上述隨機(jī)接入請(qǐng)求信息。
需要說明的是,只有通過上述步驟2和步驟3中新增加的信息格式及相應(yīng)的信息生成與發(fā)送方式,才使得位于不同波束中的用戶能用相同的前導(dǎo)序列進(jìn)行隨機(jī)接入。這樣極大地降低了隨機(jī)接入的碰撞概率,降低了隨機(jī)接入中的時(shí)延,且極大地增加了隨機(jī)接入的用戶數(shù),特別適用于解決蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中的大量用戶接入問題。
步驟4:基站根據(jù)接收到的隨機(jī)接入請(qǐng)求信息,確定各用戶在哪個(gè)波束中為其發(fā)送了隨機(jī)接入請(qǐng)求信息。而且,根據(jù)隨機(jī)接入請(qǐng)求信息中各用戶在各波束上的信號(hào)強(qiáng)度,確定各用戶的最優(yōu)波束。最后,基站在上述各用戶的最優(yōu)波束內(nèi),給用戶發(fā)送RRC連接建立信息。具體說明如下:
首先,基站根據(jù)接收到的隨機(jī)接入請(qǐng)求信息,確定各用戶在哪個(gè)波束中為其發(fā)送了隨機(jī)接入請(qǐng)求信息。而且,根據(jù)隨機(jī)接入請(qǐng)求信息中各用戶在各波束上的信號(hào)強(qiáng)度,確定各用戶的最優(yōu)波束。下面用一個(gè)例子說明基站如何選取各用戶的最優(yōu)波束,并說明如何解決沖突問題。如圖6所示,假設(shè)基站端有3個(gè)波束,2個(gè)用戶選擇了相同的前導(dǎo)序列進(jìn)行隨機(jī)接入。其中,UE1通過波束1和波束2到達(dá)基站,而UE2通過波束2和波束3到達(dá)基站。此外,假設(shè)r1,1>r1,2,r2,2>r2,3,且r1,2與r2,2差不多大小。
由于UE1和UE2在波束2中的信號(hào)強(qiáng)度差不多,因此基站在波束2中無法成功檢測UE1或UE2的信號(hào)。但是,基站通過波束1中檢測到的UE1信號(hào),可知UE1是通過波束1和波束2到達(dá)基站的,且知道這2個(gè)波束中的信號(hào)強(qiáng)度。同理,基站通過波束3中檢測到的UE2信號(hào),可知UE1是通過波束2和波束3到達(dá)基站的,且知道這2個(gè)波束中的信號(hào)強(qiáng)度。最后,基站可確定波束1是UE1的最優(yōu)波束,而波束2是UE2的最優(yōu)波束。可見,基站不僅選取了用戶的最優(yōu)波束,并且解決了波束2中的沖突問題。
然后,基站在上述各用戶的最優(yōu)波束內(nèi),給用戶發(fā)送RRC連接建立信息。
上面對(duì)本發(fā)明所提供的基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法進(jìn)行了詳細(xì)說明。下面,通過比較沖突概率來說明本發(fā)明相比現(xiàn)有隨機(jī)接入方法的優(yōu)勢。假設(shè)前導(dǎo)序列數(shù)N=40,基站端的波束數(shù)為Mb(Mb=1對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的方案),且有K個(gè)用戶進(jìn)行隨機(jī)接入。此時(shí),不發(fā)生沖突的概率可表達(dá)為:
因此,沖突概率可表達(dá)為:
pc=1-pd (2)
圖7給出了不同用戶數(shù)K和不同波束數(shù)Mb時(shí)的沖突概率。圖7中,Mb=1對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的方案。由圖7可見,本發(fā)明中隨機(jī)接入的碰撞概率明顯低于現(xiàn)有隨機(jī)接入方法的碰撞概率。
實(shí)際上,在用式(2)計(jì)算本發(fā)明方法的碰撞概率時(shí),只考慮各用戶只選擇一個(gè)波束的情況。實(shí)際上,針對(duì)同一導(dǎo)頻序列,只要兩個(gè)用戶在不同的波束中,并不限于位于一個(gè)波束中,就不會(huì)發(fā)生碰撞。因此,利用式(2)所計(jì)算的本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法的碰撞概率是很保守的值,實(shí)際上的碰撞概率將遠(yuǎn)低于該值。
從圖7可以看出,本發(fā)明利用了大規(guī)模MIMO技術(shù)的窄波束特性,使不同波束中的用戶能夠使用相同的前導(dǎo)序列進(jìn)行隨機(jī)接入(理論上,如果基站端有N個(gè)波束,則隨機(jī)接入的用戶數(shù)能增加N倍),從而極大降低了隨機(jī)接入的碰撞概率,極大增加了隨機(jī)接入的用戶數(shù),可以有效解決蜂窩物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中大量用戶隨機(jī)接入過程時(shí)的擁塞與碰撞問題。
上面對(duì)本發(fā)明所提供的基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備隨機(jī)接入方法及其系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言,在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見的改動(dòng),都將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專利權(quán)的侵犯,將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。