一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备。

背景技术

大规模多址接入是未来旨在支持物联网（IoT）和机器类型通信（MTC）的无线蜂窝网络的一项关键需求。在IoT和MTC中，蜂窝基站可能需要连接大量设备，但是IoT和MTC流量的关键特征是设备活动通常是不定时发生的，因此在任何给定时间只有一小部分潜在设备处于活动状态。

然而，传统的蜂窝网络是基于活动用户设备在时隙或频率时隙的调度而设计的。在单独的控制信道上调度大量偶发活动的用户会带来相当大的开销。即使当前提出了一些基于竞争的方案来解决这个问题。但这种随机访问协议的主要缺点是需要争用解决，因此在大量设备的情况下依然不可避免地会发生很多冲突，造成极大的通信延时。因此3GPP提出了一种极有前景的被称为无授权随机接入方式以替代传统接入方法，它允许活跃用户设备在没有任何许可的情况下直接向基站（BS）传输签名和消息，从而确保低通信延迟和高频谱效率。

近年来，无授权随机接入方法得到了广泛研究。目前提出的多数方法使用相干接收，同时现有方法都依赖于极高复杂度的译码算法，往往需要部署多天线甚至超多天线来确保方案的可行性。然而，相干接收方法以及硬件复杂度和算法复杂度都极高的方法在很多重要的IoT和MTC应用场景中可能极难适用。首先，相干接收方法需要额外开销支持信道训练，且会导致用户设备接入数量受到信道相干时间严格限制。其次在很多IoT和MTC场景中，过高的硬件复杂度和算法复杂度，以及多天线将导致实际部署会极为困难。因此，用户设备接入数量受相干时间限制，以及极高硬件复杂度和算法复杂度是现有方法的不足之一。此外现有方法通常需要用户设备同步条件，但由于大规模多址接入庞大的用户设备数量该条件在实际中也很难达成。

发明内容

本发明的目的是提供一种低复杂度免授权大规模多址接入方法、系统及设备，可以识别上行链路中零星的活跃用户设备并译码其发送消息，使用无需信道训练，仅需极低的硬件和计算复杂度，且可在用户设备非同步条件运行，相比于现有方案，本方案能够在多址信道、用户非同步条件下中取得可靠接入性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种低复杂度免授权大规模多址接入方法，包括：

结合设定的活跃概率，为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本；

所述用户设备在进行上行传输时，将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列，获得消息序列，并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输；

基站使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带，获得基带信号，根据当前信道场景，通过硬判决获得硬判决序列，并根据当前信道场景使用相应的译码方式，由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息，再识别出活跃用户设备并确定对应消息。

一种应用于大规模多址接入的收发系统，包括：分配单元、用户设备与基站；其中：

所述分配单元，用于结合设定的活跃概率，为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本；

所述用户设备包括：信息存储单元，用于存储身份序列和消息码本；无线信号发送单元，用于在进行上行传输时，将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列，获得消息序列，并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输；

所述基站包括：无线信号采样判决单元，用于使用混频器将接收到的上行传输信号下变频至基带，获得基带信号，根据当前信道场景，通过硬判决获得硬判决序列；译码单元，其包含多个子单元，不同子单元使用不同的译码方式，根据信道场景通过相应子单元，由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息；活跃与译码判定单元，用于根据译码单元的输出结果识别出活跃用户设备并确定对应消息。

一种用户设备，包括存储器和处理器，所述存储器，用于存储程序，所述处理器，用于执行所述程序，实现前述方法中与所述用户设备相关的步骤。

一种基站，包括存储器和处理器，所述存储器，用于存储程序，所述处理器，用于执行所述程序，实现前述方法中与所述基站相关的步骤。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过使用基于布隆过滤器的编码和硬判决包络检波，整个方案仅需极低的硬件和计算复杂度，且基站无需估计信道状态信息，从而降低系统部署成本。相比现有的免授权大规模多址接入方法，本发明可以在极大的降低系统硬件及算法复杂度的同时实现有效的识别用户设备并进行消息传输，从而降低实际部署难度，同时也避免接入用户设备数量受信道相干时间限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种低复杂度免授权大规模多址接入方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的用户设备工作流程图；

图3为本发明实施例提供的基站工作流程图；

图4为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的单径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线；

图5为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的单径衰落信道场景下错误概率随码长

图6为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的多径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线；

图7为本发明实施例提供的在用户设备时间同步的多径衰落信道场景下错误概率随码长

图8为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的单径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线；

图9为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的单径衰落信道场景下错误概率随码长

图10为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的多径衰落信道场景下错误概率随信噪比SNR的变化曲线；

图11为本发明实施例提供的在用户设备时间非同步的多径衰落信道场景下错误概率随码长

图12为本发明实施例提供的一种低复杂度免授权大规模多址接入系统的示意图；

图13为本发明实施例提供的一种用户设备的示意图；

图14为本发明实施例提供的一种基站的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

下面对本发明所提供的一种低复杂度免授权大规模多址接入方案进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例一

如图1所示，一种低复杂度免授权大规模多址接入方法，主要包括如下步骤：

步骤1、结合设定的活跃概率，为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本。

本发明实施例中，将总的用户设备数目设为

本发明实施例中，

步骤2、所述用户设备在进行上行传输时，将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字，获得消息序列，并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输。

如图2所示，用户设备的执行步骤包括：1）存储被分配的基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本；2）根据自身情况确定待发送的消息，再结合消息码本映射得到对应的消息码字，获得相应的消息序列；3）将消息序列与身份序列进行调制后通过上行链路传输。示例性的，可采用OOK（开关键控）调制。

步骤3、基站使用混频器将接收到的免授权上行传输信号下变频至基带，获得基带信号，根据当前信道场景，通过硬判决获得硬判决序列，并根据当前信道场景使用相应的译码方式，先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息，最后识别出活跃用户设备并获得对应消息。

如图3所示，本步骤主要包括三个阶段：第一个阶段，接收免授权上行传输的信号，根据应用场景，通过采样和硬判决，得到硬判决序列

一、第一个阶段。

第一个阶段的主要步骤包括：

1、使用混频器将接收到的免授权上行传输信号下变频至基带，免授权上行传输信号为若干（一个或多个）活跃用户设备发送的信号的叠加。

2、使用积分存储滤波器对基带信号进行滤波采样获得采样序列

3、根据当前信道场景，使用判决门限为

本发明实施例中，不同场景下，硬判决序列不同，例如后文介绍的各个场景下

二、第二个阶段。

第二个阶段中根据不同应用场景选择相应的译码方式，本发明实施例中，主要包括四个应用场景：1、用户设备时间同步的单径衰落信道；2、用户设备时间同步的多径衰落信道；3、用户设备时间非同步的单径衰落信道；4、用户设备时间非同步的多径衰落信道。各应用场景下的步骤如下：

1、用户设备时间同步的单径衰落信道。

当信道场景为用户设备时间同步的单径衰落信道时，使用相应的译码方式，先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息，步骤包括：

当前应用场景下， 硬判决序列

其中，

注意到布隆过滤器随机序列的稀疏性，以及系统信号噪声比通常足够大，因此用户设备信号功率通常远大于噪声功率。同时注意到上述形式实际等效为一个有噪OR信道模型，在输入功率远大于噪声功率并有合适的硬判决门限

基于上述原理，因此可以通过第

即通过上式来确定满足条件的用户设备索引，并将所有满足条件的用户设备索引组成一个列表，获得用户设备索引列表。其中，

在得到用户设备索引列表后，通过用户设备索引列表中的第

即通过上述确定用户设备索引列表中用户设备发送的消息；其中，

具体的：

上述各集合（或者序列）中每个元素后方的[.]表示元素所在集合（或者序列）的位数，后文也是如此含义，故不再赘述。

2、用户设备时间同步的多径衰落信道。

当信道场景为用户设备时间同步的多径衰落信道时，使用相应的译码方式，先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息，步骤包括：

当前应用场景下，硬判决序列

其中，

如果基站已知用户设备多径时延，注意到同时使用用户设备上行序列的延时副本可以获得更多的信息，提高活跃识别和消息译码性能。可以通过第

即通过上述来确定满足条件的用户设备索引，并将所有满足条件的用户设备索引组成一个列表，获得用户设备索引列表。

本发明实施例中，第

在得到用户设备索引列表后，通过用户设备索引列表中第

即通过上述确定用户设备索引列表中用户设备发送的消息；其中，

本发明实施例中，

本发明实施例中，用户设备索引列表第

3、用户设备时间非同步的单径衰落信道。

当信道场景为用户设备时间非同步的单径衰落信道时，使用相应的译码方式，先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息，步骤包括：

当前应用场景下，硬判决序列

其中，

如果基站已知用户设备最大到达时延Z，使用滑窗算法，执行Z次滑窗，第

通过上式计算第

再执行Z次滑窗，第

合并Z次滑窗结果确定用户设备索引列表中用户设备发送消息（即Z次滑窗中满足一次就则认为用户设备的消息被发送）。其中，

类似的，

4、用户设备时间非同步的多径衰落信道。

当信道场景为用户设备时间非同步的多径衰落信道时，使用相应的译码方式，先由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，再结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息，步骤包括：

当前应用场景下，硬判决序列

此部分中

如果基站已知各用户设备多径时延，以及用户设备最大到达时延Z，使用滑窗算法，执行Z次滑窗，第

通过上式计算第

本发明实施例中，第

再执行Z次滑窗，第

合并Z次滑窗结果确定用户设备索引列表中用户设备发送消息。其中，

三、第三个阶段。

通过前述第二个阶段，可以得到可能的活跃用户设备索引列表和相关用户设备发送的消息。译码器申明被判断存在发送消息的用户设备为活跃用户设备，从被判断为该活跃用户设备发送的消息中任选一个申明为其发送的消息。

举例来说：对于任何一个应用场景，在上述第二个阶段中，先得到用户设备索引列表，再确定用户设备索引列表中各个用户设备是否发送消息；假如用户设备索引列表包含10个用户设备，其中6个用户设备发送消息，那么，这6个用户设备即为活跃用户设备；同时，6个活跃用户设备可能被译码器认为各自发送了一个或多个消息，但是，第三个阶段，只从发送的消息中任选一个消息申明为相应活跃用户设备发送的消息。

对于上述实施例一，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

图4与图5展示了本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间同步的单径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。图4与图5以活跃用户设备误消息译码概率P

图6与图7展示了本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间同步的多径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。该图6与图7以活跃用户设备误消息译码概率P

图8与图9为本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间非同步的单径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。图8与图9以活跃用户设备误消息译码概率P

图10与图11展示了本实施例提供的免授权大规模多址接入方法在用户设备时间非同步的多径衰落信道场景的活跃识别和消息译码成功概率性能。图10与图11以活跃用户设备误消息译码概率P

需要说明的是，以上各性能图介绍中所涉及的各项参数的具体数值均为举例，并非构成限制；在实际应用场景中，相关参数的具体数值可根据实际情况来设定。

实施例二

本发明还提供一种应用于大规模多址接入的收发系统，其主要基于前述实施例提供的方法实现，如图12所示，该系统主要包括：分配单元、用户设备与基站；其中：

1、所述分配单元，用于结合设定的活跃概率，为所有用户设备分配基于布隆过滤器的独立的身份序列和独立的消息码本。

2、所述用户设备包括：

1）信息存储单元，用于存储身份序列和消息码本。

2）无线信号发送单元，用于在进行上行传输时，将待发送的消息结合相应的消息码本映射得到对应的消息码字序列，获得消息序列，并对消息序列与相应的身份序列进行调制后进行上行传输。

3、所述基站包括：

1）无线信号采样判决单元，用于使用包络检波方式接收若干免授权上行传输，通过硬判决获得硬判决序列。具体的，可用于执行前述实施例一中第一阶段的操作。

2）译码单元，其包含多个子单元，不同子单元使用不同的译码方式，根据信道场景通过相应子单元，由所述硬判决序列中的身份序列部分初步估计出上行传输的用户设备索引列表，结合所述硬判决序列中的消息序列部分译码初步估计的上行传输的用户设备索引列表中用户设备的消息。

以前述介绍的四种应用场景为例，子单元数目可以设为4个，每一子单元各自应用于一种应用场景下，使用配套的译码方式确定上行传输的用户设备索引列表及相应的消息。具体的，可用于执行前述实施例一中第二阶段的操作。

3）活跃与译码判定单元，用于根据译码单元的输出结果识别出活跃用户设备并确定对应消息。具体的，可用于执行前述实施例一中第三阶段的操作。

需要说明的是，系统各部分内部的各单元所涉及的具体处理过程在之前的实施例一中已经做了详细的介绍，故不再桌数，

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例三

本发明还提供一种用户设备，如图13所示，其主要包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现前述实施例一中与用户设备相关的步骤。

进一步的，所述用户设备还可以包括至少一个输入设备与至少一个输出设备；在所述处理设备中，处理器、存储器、输入设备、输出设备之间通过总线连接。

本发明实施例中，所述存储器、输入设备与输出设备的具体类型不做限定；例如：

输入设备可以为触摸屏、图像采集设备、物理按键或者鼠标等；

输出设备可以为显示终端；

存储器可以为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），也可为非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如磁盘存储器。

处理器可以是一个CPU，或者是特定集成电路ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等。该处理器可以被划分为前述实施例二中用户设备内部的各个单元。

实施例四

本发明还提供一种基站，如图14所示，其主要包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现前述实施例一中与基站相关的步骤。

存储器可以为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），也可为非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如磁盘存储器。

处理器可以是一个CPU，或者是特定集成电路ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等。该处理器可以被划分为前述实施例二中基站内部的各个单元。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。