一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法。

背景技术

随机接入技术主要分为两大类：以建立连接为目的的随机接入和以短包传输为目的的随机接入。以建立连接为目的的随机接入主要用于蜂窝通信中用户终端与一个基站首次通信的过程中，此过程也称为四步随机接入过程。在四步随机接入过程中，随机接入前导码通常是研究的重点。目前第四代移动通信(Fourth-Generation Mobile Communication，4G)和5G移动通信中，前导码采用基于一个根序列(Root Sequence)的ZadoffChu(ZadoffChu，ZC)序列。ZC序列具有自相关特性好、峰均功率比低，检测复杂度低、码字空间较大的优点，非常适用于蜂窝通信。随着5G网络部署和下一代移动通信网络的研究，在一些新的应用场景中，例如NTN(non-terrestrial network，非地面网络)、物联网、海量机器通信(Massive Machine-Type Communication，mMTC)，ZC序列开始无法满足随机接入的需求。在NTN中，由于传输时延和多普勒频移都高于地面通信，前导码还承担着时延和多普勒估计的任务，超出了5G中ZC序列的能力。以短包传输为目的的随机接入最早应用在卫星通信中。卫星链路传输时延较长且链路质量波动大，传输短包时建立连接的时间往往比数据传输时间更长，因此采用随机接入的方式传输短包更高效。

目前大部分此类随机接入技术都基于时隙ALOHA(SlottedALOHA)。ALOHA是最早的随机接入模型，每个用户在共享的通信媒介中随机发送数据，若发生碰撞，则碰撞的数据都会传输失败，因此ALOHA系统的传输效率极低。为降低碰撞概率，Robert提出了时隙ALOHA，要求每个用户必须按照统一划分的时隙发送，传输效率提升至约0.55。在2007年，Casini等人发现每个用户在一个帧内多发送一次数据能够显著提升传输效率，这种方法被命名为竞争解决多样的时隙ALOHA(Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA，CRDSA)。在CRDSA中，如果两个用户的数据发生碰撞，则接收端先搁置当前时隙去检测其它时隙，若其中一个用户的另一次发送被正确接收，则这个碰撞时隙上的数据也能被正确恢复。从纠错码的角度来看，CRDSA本质上是先对原数据进行码率1/2的重复编码(Repetition Coding)，然后发送到随机接入信道上。遵循这种思想，Liva等人分别在2010年和2015年将码率1/2的重复码扩展到一般码率的重复码和一般纠错码，并提出了非规则重复时隙ALOHA(Irregular Repetition Slotted ALOHA:IRSA)和编码时隙ALOHA(Coded Slotted ALOHA，CSA)。编码时ALOHA能够取得接近1的理论峰值效率和接近0.9的实际峰值效率，是目前擦除随机接入信道下的最高效率。

无速率码的思想也被应用于无帧结构的随机接入系统中。Stefanovic等人提出了无帧结构时隙ALOHA方法，以最大化吞吐量为目标优化接入方法。浙江大学张朝阳教授团队提出了无速率多址接入(Rateless Multiple Access，RMA)的概念并分析了RMA系统的理论性能。多个用户端接入信道向同一卫星接收端发送数据时，利用时隙ALOHA方案减少碰撞。一些时隙ALOHA方法适用于无帧结构的系统，用户端将待发送数据划分为多个数据块，各数据块按顺序发送，接收端成功恢复一个数据块后，用户端再发送下一个数据块，但这浪费了很多时间资源导致数据传输效率慢。编码时隙ALOHA方法适用于固定帧结构的系统，在一帧内，用户端利用纠错码将各数据块编码为预编码分组，将预编码分组随机分配到一帧内的时隙中，接收端接收到完整的帧后进行连续干扰消除和译码，恢复数据。上述方法不能同时兼容无帧结构和固定帧结构的系统，且无法根据用户端的数量调整接入策略。

发明内容

本发明提供了一种在卫星物联网场景下基于无速率码的无帧结构随机接入方法，能够兼容无帧结构和固定帧结构系统的数据传输，且可根据用户端数量调整接入策略，降低了卫星物联网中随机接入过程的错误概率，提高系统性能和资源利用率。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法，包括以下步骤：

步骤一、地面发送端生成输入符号；

步骤二、LDPC生成预编码符号；

步骤三、估计接入所需时隙数；

步骤四、计算最优接入概率；

步骤五、将预编码符号经过调制后按照步骤三获得的接入所需时隙数和步骤四获得的最优接入概率发送到无固定帧结构的时隙上；

步骤六、卫星接收端采用SIC技术在接收到的混叠信号中恢复发送的预编码符号；

步骤七、采用LDPC解码恢复出原始的输入数据。

进一步的，步骤一的具体操作流程如下：

每个地面用户终端都有等量的数据待传输，由信关站先将卫星波束小区内待传输的数据分为K个输入分组，生成相应的输入符号。

进一步的，步骤二的具体操作流程如下：

采用非规则LDPC码对K个输入分组进行LDPC码编码得到预编码符号。

进一步的，步骤三的具体操作流程如下：

基于渐进性能分析估计地面发送端达到卫星接收端可靠接入需要的时隙数；考虑卫星接收端卫星波束的通信范围内发送数据数量趋近于无穷大，接收的时隙数趋近于无穷大，在此渐进假设下，当地面发送端位置服从均匀分布时，传输时延由缓存区中的等待时延和在编码器中的等待时延组成，总传输时延T

T

其中，T

缓存区中的等待时延T

其中

在编码器中的等待时延分为平均发送时延和往返时延，平均发送时延与进入编码器中数据包的平均数量有关，在编码器中的等待时延T

其中τ表示产生一个编码包发送到接收端的时间，U表示一个编码包包含数据的比特数，ο表示译码开销，K

其中r表示信道参数，R(r)表示U比特数据经过此信道传输后包含的有效信息，p(r)表示r的概率密度函数。

进一步的，步骤四的具体操作流程如下：

考虑无帧结构接入部分，对于M个地面用户终端组成的卫星物联网，共有MK

采用与或树的性能分析方法计算接入性能：无帧结构随机接入方法的性能与地面用户终端的数量M、时隙数量N以及接入概率p

本发明的有益效果是：

针对卫星物联网网络传输效率差的问题以及卫星物联网网络所具有的高动态、集中式的特点，本发明提出了一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法，本发明首先采用LDPC预编码和无帧接入级联的接入方法，并采用SIC与LDPC解码进行数据恢复，实现了高效灵活的分布式无帧接入。通过估计接入所需时隙数、计算最优接入概率、设计接入方案降低了接入方法的错误概率。本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法在所需时隙数下能满足可靠接入的要求，并且相比现有接入方法能够显著降低误比特率与误块率，因此本发明很好地满足了未来卫星物联网网络对随机接入系统灵活性和可靠性的要求。

附图说明

图1为卫星物联网随机接入场景图。

图2为卫星物联网地面发送端随机接入消息结构图。

图3为本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法的原理图。

图4为本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法整体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法，主要由LDPC编解码和无帧结构接入两部分组成。本发明主要研究无帧结构接入部分对接入性能的影响，而不对LDPC编码参数进行考虑。在无帧结构接入性能分析方法中，现有方法多采用理想假设。此种假设下单时隙数据能够无误解码且信号干扰能够完美消除，该假设是基于图表示性能分析框架的基础。后续研究也继续采用理想假设，研究数据解码和干扰消除无误时的接入方法。因此，本发明中接入方法的性能分析也采用理想假设。

本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法，考虑集中式的网络结构，低轨卫星工作的波束小区在一定区域内，有1个信关站的卫星波束小区场景如图1所示，由信关站负责收集地面用户终端(UE)的数据进行分组，地面用户终端(UE)间按照同步的时隙划分交互信息，帧长不受限但只有一个可用信道。在一个时隙上发送的信息分为前导码和数据两部分，如图2所示，t为时间，①为前导码，②为数据部分，③为时隙，④为保护间隔。每个地面用户终端(UE)具有独一无二的前导码并假设前导码一定能被成功检测。数据部分有可能被噪声或干扰影响，因此需要利用SIC技术(串行干扰删除)进行检测。

参见图1至图4进行说明，本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法，其具体操作流程如下：

步骤一、地面发送端生成输入符号；

考虑集中式的网络结构，低轨卫星工作的波束小区在一定区域内，有1个信关站的卫星波束小区场景如图1所示。如图3所示，每个地面用户终端(UE)都有等量的数据待传输，由信关站先将卫星波束小区内待传输的数据分为K个输入分组，生成相应的输入符号。

步骤二、LDPC生成预编码符号；

采用非规则LDPC码对K个输入分组进行LDPC码编码得到预编码符号。

步骤三、估计接入所需时隙数；

基于渐进性能分析估计地面发送端达到卫星接收端可靠接入需要的时隙数。

具体的，渐进假设为：考虑卫星接收端卫星波束的通信范围内发送数据数量趋近于无穷大，接收的时隙数趋近于无穷大。在此假设下，当地面发送端位置服从均匀分布时，传输时延由缓存区中的等待时延和在编码器中的等待时延组成，总传输时延T

T

其中，T

缓存区中的等待时延T

其中

在编码器中的等待时延分为平均发送时延和往返时延(Round-Trip Time，RTT)，平均发送时延与进入编码器中数据包的平均数量有关，也可以通过状态B的稳态分布

其中τ表示产生一个编码包发送到接收端的时间，U表示一个编码包包含数据的比特数，ο表示译码开销，K

其中r表示信道参数，R(r)表示U比特数据经过此信道传输后包含的有效信息，p(r)表示r的概率密度函数(Probability Density Function，PDF)。

通过以上步骤能够根据具体通信需求和变化的节点数量动态估算时隙数量。

步骤四、计算最优接入概率；

接入概率对本发明的无帧结构随机接入方法性能至关重要。在地面发送端随机发送预编码比特的前提下，无帧结构随机接入方法的性能由预编码比特和时隙的度分布决定，可以利用密度进化的输出作为度量进行优化，对时隙的度分布进行分解即可得到接近最优的接入概率。

为降低优化过程中的计算量，本发明利用与高斯时隙信道等效的擦除时隙信道进行优化。具体的，考虑无帧结构接入部分，对于M个地面用户终端(UE)组成的卫星物联网，共有MK

采用与或树的性能分析方法即可计算接入性能。具体的，本发明的无帧结构随机接入方法的性能与地面用户终端(UE)的数量M、时隙数量N以及接入概率p

步骤五、传输预编码符号；

将预编码符号经过调制后按照步骤三获得的接入所需时隙数以及步骤四获得的最优接入概率发送到无固定帧结构的时隙上。

步骤六、SIC过程；

在数据恢复过程中，卫星接收端采用SIC技术(串行干扰删除)在接收到的混叠信号中恢复发送的预编码符号。

步骤七、LDPC解码；

进一步采用LDPC解码恢复出原始的输入数据。

由于在卫星物联网的上行免授权大规模接入场景下，卫星链路传输时延较长，且链路质量波动大，传输短包时建立连接的时间往往比数据传输时间更长，因此采用随机接入的方式传输短包更高效。但在传输数据过程中有一定概率会发生短包丢失导致数据传输失败，本发明主要建立在卫星物联网上行免授权接入场景下，在有限接入时间内完成数据的传输，根据到卫星与接入节点的距离以及接入节点的地面用户终端(UE)数量，估计接入目标完成接入的时间，根据设置的时隙数量、地面用户终端(UE)的数据量和接入目标接入节点的地面用户终端(UE)数量，确定最优接入概率，按照最优接入概率发送数据。根据接入的地面用户终端(UE)数量确定最优接入概率，灵活调整接入策略，提高资源利用率和通信性能，同时能够适用于无帧和有帧结构的通信系统。

本发明的一种基于无速率码的无帧结构随机接入方法，降低了卫星物联网中随机接入过程的错误概率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。