一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法技术方案

一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法，用户随机地选择接入资源并把随机接入请求发送至基站；然后，基站估计选择当前时域的活跃用户数以及定时偏移，随后估计用户信道信息并广播预编码随机接入响应；根据接收到的预编码随机接入响应信息，用户判断自己是否被基站成功检测，且未被成功检测用户重新发起随机接入请求；最后，基站再次广播预编码随机接入响应。与现有方案相比，本发明专利技术使用了一种新型的定时偏移估计方法，其能够在保证时偏估计准确度的同时提高系统吞吐量。偏估计准确度的同时提高系统吞吐量。偏估计准确度的同时提高系统吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，更进一步涉及无线通信技术中的一种随机接入方法，具体地说是一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法。

技术介绍

[0002]大规模多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output，MIMO)技术通过在基站配置几十甚至几百根天线，充分利用空间资源，在不增加频谱资源和发射功率的情况下能够极大地提高信道容量，进而得到广泛的应用。在传统的H2H通信中，用户数较少，基站可以为每一个用户分配专用正交导频序列，进而利用导频的正交性估计用户到基站的信道状态信息。随着智能家居、智慧城市以及智能医疗等物联网产业的快速发展，通信已进入“万物互联”的新时代。作为物联网的关键技术，M2M(Machine
‑
to
‑
Machine)通信在无需人为干预的情况下实现数据的传输。但在M2M(Machine
‑
to
‑
Machine)场景下，用户数远远多于小区中可用的导频数，则会产生同一个导频被多个用户同时选择的情况，进而产生导频碰撞。此时，传统的导频专用分配方案将不适用于M2M通信。
[0003]导频随机接入的方法可以在一定程度上缓解导频碰撞。但现有的导频随机接入方案均假设接收端已经进行了准确的时频同步，进而保证接收到的导频序列仍然可以保持良好的正交性。但在用户高速移动时，会产生较大多普勒频移，进而导致接收到的导频信号具有较大频偏与相偏，进而破坏接收导频序列间的正交性。
[0004]为了解决这个问题，Luca Sanguinetti等人提出了一种基于时间偏移的导频随机接入方案(以下我们称之为SUCRF方案)，该方案在精确估计用户定时和频率偏移的同时能够有效的缓解导频碰撞。但是，该方案的冲突解决能力会受到子载波数目的限制，无法应对海量用户接入的M2M场景。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有方法的不足，本专利技术提出了一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法。该方法明显改善了现有方法受到频域资源数N限制的问题，在估计用户的时间误差和信道信息方面也有了很大的改善，极大地提高了系统的吞吐量。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法，包括以下步骤：
[0008](1)用户随机地选择接入资源并将随机接入请求发送至基站；
[0009](2)基站估计用户信道信息，并向用户广播预编码随机接入响应，过程如下：
[0010](2a)基站估计在同一时域资源上传输导频序列的活跃用户数
[0011]基站将接收到的导频信号与当前时域码t进行相关操作，即并利用下述公式计算出在当前时域资源上传输导频序列的活跃用户数：
[0012][0013][0014]其中K
a
为在当前时域资源上传输导频序列的活跃用户数，M为基站端配置的天线数。当M趋于无穷时，估计活跃用户数等于当前时域的活跃用户数K
a
；
[0015](2b)估计活跃用户的定时偏移
[0016]首先，将估计活跃用户数与子载波数目N进行比较，如果满足则利用ESPRIT方法估计活跃用户的定时偏移，否则，利用一种改进的ESPRIT方法估计用户的定时偏移；
[0017](2c)基站通过最小二乘法估计活跃用户的信道信息，记为并广播预编码随机接入响应
[0018](3)重新选择接入资源
[0019]活跃用户i根据接收的预编码随机接入响应信息后计算：
[0020][0021]若d
i
＝1，则用户被基站成功检测，否则，用户没有被基站成功检测，并随机选择一个接入资源发起接入请求；
[0022](4)再次广播预编码随机接入响应
[0023]基站重复步骤(2)的操作：首先先估计选择当前时域资源的活跃用户数，再估计用户的定时偏移，最后估计信道响应并将预编码随机接入响应下发给用户，重新发起接入请求的用户再次接收到预编码随机接入响应时，根据步骤(3)中的d
i
值判断是否被成功检测。
[0024]进一步，所述步骤(1)，用户随机选择接入资源的过程为：
[0025]可用的随机接入资源数为τ，τ＝QN，其中Q表示Q个连续的OFDM符号，N表示N个相邻的子载波，下行链路同步完成之后，活跃用户从时域码C
Q
＝{t0,t1,
…
,t
Q
‑1,}和频域码C
N
＝{f0,f1,
…
,f
N
‑1,}中随机地选择一对代码块并发送至基站；
[0026]基站端第m根天线接收到信号表示为：
[0027][0028]其中，N
a
表示总活跃用户数，ρ
k
表示用户k的发射功率，h
km
表示用户k到基站第m根天线的信道传输系数，∈
k
为用户k的有效定时偏移，c(∈
k
)为用户k的有效频域码，t表示当前时域资源块，和W
m
分别表示小区间干扰和热噪声，T表示矩阵的转置操作。
[0029]再进一步，所述步骤(2)中，估计用户的定时偏移的过程为：
[0030]首先，比较估计活跃用户数与N
‑
1；如果则采用ESPRIT算法估计定时偏移；否则采用一种改进的ESPRIT算法估计用户定时偏移，其计算方法如下：将用户分为前个和后个,针对前个用户采用ESPRIT算法估计定时偏移，记为
则表示估计的有效频域码的集合；
[0031]然后，令矩阵则
[0032][0033]其中，矩阵Z由接收信号矩阵与时域码相关联计算得到，Z1表示矩阵Z的第一列，分别表示每个用户的定时偏移，H表示矩阵的共轭转置操作；
[0034]最后，求解上述方程组，得到每个活跃用户的定时偏移。
[0035]所述步骤(3)，用户检测准则的过程如下：
[0036]步骤(2)中基站得到用户的定时误差估计值以用于估计用户信道信息并下发给所有活跃用户；然后，用户根据广播的信道估计值进行补偿从而获得自己的定时误差并用于上行链路传输；最后，确定定时误差之后基站端采用一种盲检测的方法获得用户的上行链路消息。
[0037]与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在：
[0038]1、提出了一种新的定时偏移估计方法以及用户数估计方法。与现有方法相比，该方案在能够提高估计的准确性。
[0039]2、所提方法能够显著提高系统吞吐量。由于该方案提高了用户数估计和定时偏移估计的准确性，用户可以使用定时偏移估计值进行补偿进而得到其定时误差从而进行上行链路传输，并在基站端采用盲检测方法获得其上行链路消息，从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)用户随机地选择接入资源并将随机接入请求发送至基站；(2)基站估计用户信道信息，并向用户广播预编码随机接入响应，过程如下：(2a)基站估计在同一时域资源上传输导频序列的活跃用户数基站将接收到的导频信号与当前时域码t进行相关操作，即并利用下述公式计算出在当前时域资源上传输导频序列的活跃用户数：述公式计算出在当前时域资源上传输导频序列的活跃用户数：其中K
a
为在当前时域资源上传输导频序列的活跃用户数，M为基站端配置的天线数，当M趋于无穷时，估计活跃用户数等于当前时域的活跃用户数K
a
；(2b)估计活跃用户的定时偏移首先，将估计活跃用户数与子载波数目N进行比较，如果满足则利用ESPRIT方法估计活跃用户的定时偏移，否则，利用一种改进的ESPRIT方法估计用户的定时偏移；(2c)基站通过最小二乘法估计活跃用户的信道信息，记为并广播预编码随机接入响应(3)重新选择接入资源活跃用户i根据接收的预编码随机接入响应信息后计算：若d
i
＝1，则用户被基站成功检测，否则，用户没有被基站成功检测，并随机选择一个接入资源发起接入请求；(4)再次广播预编码随机接入响应基站重复步骤(2)的操作：首先先估计选择当前时域资源的活跃用户数，再估计用户的定时偏移，最后估计信道响应并将预编码随机接入响应下发给用户，重新发起接入请求的用户再次接收到预编码随机接入响应时，根据步骤(3)中的d
i
值判断是否被成功检测。2.根据权利要求1所述的一种针对拥挤异步大规模MIMO通信系统的随机接入方法，其特征在于，所述步骤(1)，用户随机选择随机接入块的过程为：可用的随机接入资源数为τ，τ＝QN，其中Q表示Q个连续的OFDM符号，N表示N个相邻的子载波，下行链路同步完成之后，活跃用户从时域码C
Q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩会梅，方卢顺，卢为党，曹江，王双双，林波，高原，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院战争研究院，
类型：发明
国别省市：