一种基于多天线基站的随机接入资源分配方法

1.本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种基于多天线基站的随机接入资源分配方法。


背景技术：

2.蜂窝网络是一种无线通信技术，它通过将通信区域分割成许多小区域来提高网络的覆盖范围和容量。蜂窝网络的随机接入技术是指移动设备与网络之间建立连接时，通过随机选择一个空闲的信道来进行通信的过程。蜂窝网络的随机接入技术得到了广泛应用，特别是在4g和5g移动通信技术中。随机接入技术可以使得移动设备在通信过程中更加高效和稳定，同时也能够减少通信时延和丢包率，提高通信的质量和可靠性。
3.随机接入技术的实现主要涉及到两个方面：信道分配和接入控制。信道分配是指将可用的信道分配给移动设备使用，避免多个设备同时使用同一信道导致通信干扰。接入控制是指对接入请求进行控制，防止设备过多导致网络拥堵和质量下降。
4.随机接入过程主要依赖基站中的前导序列，其帮助基站分配随机接入信道并确认移动设备的接入请求。在随机接入过程中，移动设备会先发送一个带有随机接入前导序列的信号，用于识别移动设备的开始位置。基站通过识别前导序列，为移动设备分配一个随机接入信道，并通过这个信道确认移动设备的接入请求。针对多用户的随机接入，虽然多天线已经被广泛应用，但是目前许多的研究考虑的是基于单天线的情况，也就是前导序列的冲突阈值为1，这在多天线系统不适用，而多天线也会导致多用户的随机接入资源分配不合理的情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种基于多天线基站的随机接入资源分配方法。本发明可以对随机接入资源的合理配置，实现系统资源效率的最大化。
6.本发明的技术方案：一种基于多天线基站的随机接入资源分配方法，包括如下步骤：
7.步骤1、建立基站与用户之间的随机接入关系；
8.步骤2、基站根据用户数量和天线数量，初始化可用的随机接入资源；
9.步骤3、计算多天线情况下的随机接入用户数的成功期望，通过最大化成功期望得到最优的随机接入资源数；
10.步骤4、基站根据最优的随机接入资源数分配随机接入资源。
11.上述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，所述用户的随机接入过程包括如下步骤：
12.步骤1.1、用户发起随机接入请求，向基站发送随机接入前导序列msg1；
13.步骤1.2、基站接收到用户发送的前导序列msg1后，基站将随机接入前导码响应msg2发送给用户；
14.步骤1.3、用户根据msg2得到基站分配的上行资源，用户在分配的上行资源上发送prc连接请求信息msg3，msg3中包含竞争解决id；
15.步骤1.4、基站向用户返回prc连接建立成功消息msg4，msg4中包含竞争解决id；
16.步骤5、用户判断接收的竞争解决id和发送的竞争解决id是否相同，若相同则认为竞争解决，随机接入成功，若不相同，则竞争失败，用户返回步骤1.1重新发起随机接入请求。
17.前述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，步骤1.2中，基站接收用户的前导序列msg1后，先判断用户接入资源的判断，其中随机接入资源上用户没有发送前序列时定义为空闲i,在选择前导序列发生冲突时定义为冲突c，在选择前导序列未发生冲突则定义为选择成功s,表示如下：
[0018][0019]
式中：n为当前时间同时发送前导序列的用户数，k为基站天线的数量。
[0020]
前述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，步骤3中，所述成功期望的计算公式如下：
[0021][0022]
其中，m为基站随机接入用户数量，n为分配的随机接入资源数量，k为基站天线的数量，c为组合数公式。
[0023]
前述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，步骤3中，最大化成功期望以公式表示为：
[0024][0025][0026]
然后通过暴力搜索算法，根据固定的天线数量和用户数量，计算得到随机接入资源的最佳数量n
*
。
[0027]
与现有技术相比，本发明提出了多天线的随机接入资源分配方案，通过多天线技术，多个用户设备可以在没有冲突的情况下并行传输前导序列。本发明的基站根据用户数量和天线数量，初始化可用的随机接入资源；然后计算多天线情况下的随机接入用户数的成功期望，通过最大化成功期望得到最优的随机接入资源数，最后基站根据最优的随机接入资源数分配随机接入资源，由此可见，本发明可以对随机接入资源的合理配置，实现系统资源效率的最大化。
附图说明
[0028]
图1是本发明的随机接入资源更新流程示意图；
[0029]
图2是本发明的随机接入过程的示意图；
[0030]
图3为本发明的用户侧的随机接入过程的示意图；
[0031]
图4为本发明的基站侧的随机接入过程的示意图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0033]
实施例：一种基于多天线基站的随机接入资源分配方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0034]
步骤1、建立基站与用户之间的随机接入关系；如图2所示，所述用户的随机接入过程包括如下步骤：
[0035]
步骤1.1、用户发起随机接入请求，向基站发送随机接入前导序列msg1；具体的，用户终端从基站广播的信息中得到随机接入相关的配置消息，然后从前导序列集合中随机选择一个前导序列，并在基站指示的物理随机接入信道(physical random access channel，prach)上，向基站发送msg1。基站在配置了prach资源的子帧中检测并解码msg1，得到前导序列码标识终端准备数据帧。
[0036]
步骤1.2、基站接收到用户发送的前导序列msg1后，基站将随机接入前导码响应msg2发送给用户；具体的，基站接收到终端发送的前导序列后发送随机接入响应，并基于接收到前导序列的时间完成终端的上行同步。用户在随机接入响应(random access response，rar)窗内侦听物理下行控制信道(physical downlink control channel，pdcch)，以便得到指示msg2在物理下行共享信道(physical downlink shared channel，pdsch)上的位置的下行控制消息，并在对应位置的pdsch上接收并解码msg2。在这过程中，基站接收用户的前导序列msg1后，会判断用户接入资源的判断，其中随机接入资源上用户没有发送前序列时定义为空闲i,在选择前导序列发生冲突时定义为冲突c，在选择前导序列未发生冲突则定义为选择成功s,表示如下：
[0037][0038]
式中：n为当前时间同时发送前导序列的用户数，k为基站天线的数量。
[0039]
步骤1.3、用户根据msg2得到基站分配的上行资源，用户在分配的上行资源上发送prc连接请求信息msg3，msg3中包含竞争解决id；具体的，用户根据msg2得到上行调度授权和用户识别码，并在为其分配的上行共享信道(uplink shared channel，ul-sch)中传输携带用户识别码(即竞争解决id)的msg3，而基站在该上行信道上进行监听，以便进行后续的数据传输。
[0040]
步骤1.4、基站向用户返回prc连接建立成功消息msg4，msg4中包含第二竞争解决id；
[0041]
步骤5、用户判断接收的竞争解决id和发送的竞争解决id是否相同，若相同则认为竞争解决，随机接入成功，若不相同，则竞争失败，用户返回步骤1.1重新发起随机接入请
求。
[0042]
图3表示了用户侧的随机接入流程，图4表示了基站侧的随机接入流程。
[0043]
步骤2、基站根据用户数量和天线数量，初始化可用的随机接入资源；本步骤也就是基站在判断用户随机接入是否成功后，对基站的随机接入资源数进行更新，便于后续基站的随机接入资源利用率最大化；
[0044]
步骤3、计算多天线情况下的随机接入用户数的成功期望，通过最大化成功期望得到最优的随机接入资源数；本步骤中，如天线数量为k，而碰撞容量等于基站的天线数目k。假设用户在多天线的情况下可以并行传输前导序列，考虑前导序列是否被用户利用。
[0045]
根据公式(2)的递归操作，可以得到多天线情况下的随机接入用户数的成功期望为公式(3)：
[0046][0047][0048]
其中，m为基站随机接入用户数量，n为分配的随机接入资源数量，k为基站天线的数量，c为组合数公式。
[0049]
步骤4、基站根据最优的随机接入资源数分配随机接入资源，本步骤中，针对资源分配问题需要优化的目标为最大化随机接入用户数的成功期望，因此将数学问题建模为：
[0050][0051]
通过暴力搜索算法(暴力搜索是一个非常一般的解决问题的技术，包括系统地枚举解决方案的所有可能的候选项，以及检查每个候选项是否符合问题的描述，其为常规性的技术手段，本实施例不在具体赘述)，根据固定的天线数量和用户数量，可以得到随机接入资源的最佳数量n
*
，由此得到随机接入用户数接入成功期望。此外，根据用户数量的动态变化，可以实时得到最适合的随机接入资源配置数。
[0052]
综上所述，本发明提出了多天线的随机接入资源分配方案，通过多天线技术，多个用户设备可以在没有冲突的情况下并行传输前导序列。本发明可以对随机接入资源的合理配置，实现系统资源效率的最大化。

技术特征：
1.一种基于多天线基站的随机接入资源分配方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、建立基站与用户之间的随机接入关系；步骤2、基站根据用户数量和天线数量，初始化可用的随机接入资源；步骤3、计算多天线情况下的随机接入用户数的成功期望，通过最大化成功期望得到最优的随机接入资源数；步骤4、基站根据最优的随机接入资源数分配随机接入资源。2.根据权利要求1所述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，其特征在于：所述用户的随机接入过程包括如下步骤：步骤1.1、用户发起随机接入请求，向基站发送随机接入前导序列msg1；步骤1.2、基站接收到用户发送的前导序列msg1后，基站将随机接入前导码响应msg2发送给用户；步骤1.3、用户根据msg2得到基站分配的上行资源，用户在分配的上行资源上发送prc连接请求信息msg3，msg3中包含竞争解决id；步骤1.4、基站向用户返回prc连接建立成功消息msg4，msg4中包含竞争解决id；步骤5、用户判断接收的竞争解决id和发送的竞争解决id是否相同，若相同则认为竞争解决，随机接入成功，若不相同，则竞争失败，用户返回步骤1.1重新发起随机接入请求。3.根据权利权利要求1所述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，其特征在于：步骤1.2中，基站接收用户的前导序列msg1后，先判断用户接入资源的判断，其中随机接入资源上用户没有发送前序列时定义为空闲i,在选择前导序列发生冲突时定义为冲突c，在选择前导序列未发生冲突则定义为选择成功s,表示如下：式中：n为当前时间同时发送前导序列的用户数，k为基站天线的数量。4.根据权利要求1所述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，其特征在于：步骤3中，所述成功期望的计算公式如下：其中，m为基站随机接入用户数量，n为分配的随机接入资源数量，k为基站天线的数量，c为组合数公式。5.根据权利要求4所述的基于多天线基站的随机接入资源分配方法，其特征在于：步骤3中，最大化成功期望以公式表示为：s.t.n≥1，然后通过暴力搜索算法，根据固定的天线数量和用户数量，计算得到随机接入资源的
最佳数量n
*
。

技术总结
本发明公开了一种基于多天线基站的随机接入资源分配方法，包括如下步骤：建立基站与用户之间的随机接入关系；基站根据用户数量和天线数量，初始化可用的随机接入资源；计算多天线情况下的随机接入用户数的成功期望，通过最大化成功期望得到最优的随机接入资源数；基站根据最优的随机接入资源数分配随机接入资源。本发明可以对随机接入资源的合理配置，实现系统资源效率的最大化。现系统资源效率的最大化。现系统资源效率的最大化。


技术研发人员：卢为党 饶文斌 殷锐 袁建涛 欧阳杰 万安平
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/6