CN113056027A - 一种通信中免授权接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通信中免授权接入方法，将用户端设备通过软SIM卡共享CTU，CTU意为竞争传输单元；将用户端设备采用CTU自行竞争模式争取上行资源；将用户端设备使用FQAM调制方案进行免授权传输，通过FQAM调制方案获取活动用户的数量。方案优点在于降低接入网与核心网的信令负载，复杂度低。

Description

一种通信中免授权接入方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种通信中免授权接入方法。

背景技术

随着网络和通信的发展，4G已不能满足各种设备、服务和人们对网络的需求，第五代移动通信***因用而生。5G并非一个全新的技术，是在4G的基础上进行了业务的拓展和其他功能的完善。5G主要具备超高速，低功耗，超低时延，高可靠性等特点。正因为这些特点的发展，使5G能够满足物联网，虚拟现实等技术，真正实现“万物互联”的愿景。对于无线通信而言，发展的关键且基础的技术在于用户在信道中的的多址接入方式。每一代移动通信***的提出，发展，一直到最后的成熟，均离不开多址技术。从1G开始的FDMA，一直到4G的OFDM技术，到目前5G的NOMA技术(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)，技术的迭代更新后面是人们对更低时延，更多接入，更可靠连接，更快速度的不懈追求。

同4G相比，5G需解决1000倍及以上的更大容量需要，10-100倍的大规模设备连接，5-15倍的频谱效率提升，并解决频谱稀缺等问题。若在5G中同样使用4G的OFDM多址技术，将会面临对抗多径衰弱，对载波的频偏非常敏感，采用的基带波形会产生较大旁瓣等问题。

因此，一种具备更高的频谱利用率，更强接入能力和更大***容量的新型的多址接入技术是5G急切需要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种通信中免授权接入方法，能够降低接入网与核心网的信令面负载。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种通信中免授权接入方法，其特征在于，包括以下步骤：将用户端设备通过软SIM卡共享CTU，CTU意为竞争传输单元；将用户端设备采用CTU自行竞争模式争取上行资源；将用户端设备使用FQAM调制方案进行免授权传输，所述FQAM调制方案包括获取活动用户的数量。

进一步的，所述获取活动用户的数量的方法包括：在每个免授权访问区域的活动区域上使用的调制方式和编码参数由基站预先定义，且用户和基站均了解调制方式和编码参数；计算给定数量用户的活动区域上的活跃的子载波的预期平均数量，并基于在活动区域中接收到的信号来估计活跃子载波的数量。

进一步的，所述通信中免授权接入方法还包括预先配置免授权接入区域，所述预先配置免授权接入区域由一个时频块组成；在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测。

进一步的，所述在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测的方法包括：将免授权接入区域将被划分为活动区域和数据区域；FQAM调制在所述活动区域中检测用户是否活跃；所述数据区域可以通过网络根据***要求对整个区域进行调节；将活动区域中的可用资源元素将被划分为U＝N_a/M_F的子集，每个FSK子载波子集将表示一个FQAM符号，其中N_a表示活动区域中的资源元素数。

进一步的，在用户传输的新数据到达时，每个用户将选择任意的免授权访问区域进行传输；用户将使用所选免授权访问区域中活动区域的调制和编码参数；如果网络没有定义，则用户将基于信道条件和所需的QoS在数据区域中使用调制和编码参数，QoS指网络能够利用的基础技术。

进一步的，所述在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测的方法包括以下步骤：基站将计算给定数量用户的活动区域上的活跃的子载波α(K，N_a，M_F)的预期平均数量；基站将基于在活动区域中接收到的信号来估计活跃子载波的数量。

进一步的，所述在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测的方法包括以下步骤：根据接收到被噪声干扰的用户信号估计活跃子载波的数目，并将把估计的活跃子载波的数目与预期的活跃子载波数目α(K，N_a，M_F)进行比较，并相应地估计活跃用户的数目。

进一步的，通过基站向用户传送：免授权访问区域的位置和大小，每个免授权访问区域中活动区域的大小，用于每个活动区域的调制和编码参数，用于开环功率控制的参数，基站可以设置用于每个数据区域的调制和编码参数。

进一步的，所述用于开环功率控制的参数包括路径损耗补偿系数、基站的预期接收功率。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明使用FQAM的免授权传输，可以获取活动用户的数量，从而可以更好的得到解调。

附图说明

图1是本发明的竞争传输单元(CTU)的定义图；

图2是本发明的用于基于上行竞争的传输的CTU接入区域的示意图；

图3是本发明的有M_F＝4个子载波和M_Q＝4的QAM的FQAM示例图；

图4是本发明的免授权访问的物理资源示例图；

图5是本发明的多用户免授权数据传输的示意图；

图6是本发明的免授权接入，用户活动盲检测的流程图

图7是本发明的在FQAM符号中子载波的平均数量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

NOMA大致思想为在发送端多个用户允许使用统一资源，而在接收端分离信号，提取出不同用户的信息。科研人员提出了许多的NOMA接入技术，我国科研单位提出了许多相关技术，包括由中兴通讯提出的多用户共享多址技术(Multiple User Shared Access，MUSA)，由电信研究院提出的图样分割多址技术(Pattern Division Multiple Access，PDMA)，以及华为提出的稀疏码分多址技术(Sparse Code Multiple Access，SCMA)。在资源配置相同的前提下，众多非正交多址方案中，因为SCMA的码本有低密度的特点，加持各类调频设备，使码本更加易于改变，导致了SCMA比MUSA和PDMA链路性能更加优秀。此外，SCMA依靠其具有的高过载和高吞吐等特性，更加适用于5G的低时延和大容量场景。

除此之外SCMA采用免授权的模式进行用户到基站的接入的原因是：其本质是基于用户之间的竞争，这种竞争更加适用于免授权。对于免授权的上行传输，所有用户首先会被分配不同的SCMA码本，来完成非正交多址接入。然后利用SCMA的稀疏码字特性，基站可以将叠加的信号，分离为每个独立用户的信息，大大提升了SCMA上行传输的容量。

免授权传输的过程是：用户进行竞争从而争取上行资源。在此过程中，用户随机选择竞争单元进行传输，由此将涉及到对于多用户盲检测的手段。对于盲检测而言，信道中的空闲用户将发送0码字，而活跃用户将发送1码字。盲检测器将进行对***列表的迭代筛查，逐步筛选出活跃用户。这个过程中，活跃用户数量决定了用户列表，以及进行迭代的次数等信息。因此对于整个免授权的过程而言，优先获得活跃用户的数量是及其关键的，就此根据FQAM调制的特性，对免授权区域中活跃用户的数量进行了估计。

为了能够支持上行的SCMA***的免授权多址接入，那么我们必须来确定正确的无线资源。如图1所示，用于免授权传输的最基本资源被称为竞争传输单元(CTU)，其由时间、频率、SCMA码本和导频够共同组成。在一个时频资源我们定义了码本J。对于每个码本，L导频序列将与码本互相关联。接下来定义L×J作为唯一导频序列。由此，在这个时频资源中，一共会有L×J个竞争传输单元(CTU)。根据图2，码本的指定时频资源形成CTU的接入区域。接入区域的大小和数量取决于许多因素，例如适用于免授权多址接入的终端和应用的数量。利用预先定义的CTU接入区域和对用户设备的CTU分配，消除了基于竞争的SCMA接入方式的动态上行授权过程。

在多载波通信中，***的可用带宽被划分为N个子载波(N＝{1，...，N})的集合，用户k∈K可以通过选择子载波向基站进行数据的传输。在目前无线通信***中采用的传统QAM调制方式中，用户在分配给它的所有子载波上发送符号。另一方面，M进制携带着Q＝log₂(M)个信息比特的FQAM通过在M_F(表示FSK的个数)个子载波中选择一个子载波，并将该子载波进行M进制的QAM调制。因此，FQAM符号的调制顺序可以由M＝M_FM_Q表示，并且每个FQAM符号均由的M_F子载波构成。图3中示出了M_F＝4个子载波和M_Q＝4的QAM星座的示例。值得强调的是，在每个传输时间中选择的子载波取决于输入的数据，它并不是预先分配好的。令子载波D＝{1，...，M_F}表示第u个子集(即每个FSK子载波对应的QAM调制载波集)，其中当|D|＝M_F用于传输第u个FQAM符号，该子集的第m个子载波(QAM符号对应的载波)将携带一个QAM符号，其余子载波为零。使用输入比特向量的log₂(M_F)选择子载波索引m∈D_u，使用其他log₂(M_Q)比特选择发送的QAM符号(a∈A)，其中A是具有|A|＝M_Q的QAM星座。FQAM被提出用于下行链路传输，以提高边缘用户的吞吐量。FQAM的研究主要来自于实际的应用：根据信道容量而言，加性噪声的最坏情况分布是高斯分布。通过在FQAM中使一些子载波处于非活跃状态，小区间干扰将具有非高斯分布，这将提高信道容量。在干扰受限的情况下，FQAM的优势更为突出，例如对于以小区间干扰为主导因素的小区边缘用户。

在免授权访问方法中，用户在没有基站的事先调度/授权许可的情况下发送到基站。为了实现免授权接入，并避免免授权接入和传统的定时接入之间的冲突，网络将预先配置免授权接入区域，如图4所示。每个免授权接入区域将由一个时频块组成。由于用户无需事先调度就可以访问***，因此多个用户可以选择相同的时间和频率资源。因此，基站不预先知道在免授权接入区域上发生的传输以及实际传输的用户数量。因此，基站必须在给定的免授权接入区域上进行对活跃/发送用户数量的盲检测。

在所提出的方法中，如图5所示，免授权接入区域将被划分为两个区块。第一个区域称之为活动区域。FQAM调制在其中用于检测用户是否活跃。第二个区域被称为数据区域，此区域可以通过网络根据***要求对整个区域进行调节，因此，数据区域是允许使用任意的调制方案(FQAM、QAM等)。但我们值得注意的一点是，这两个区域都将携带用户的数据。但是，在活跃区域上使用的调制将有助于盲检测在免授权接入区域上传输的用户数量。此外，免授权访问区域本质上而言只是由活动区域构成，数据区域仅仅是执行区域的调控功能。活动区域中的可用资源元素将被划分为U＝N_a/M_F的子集(由U＝{1，...，U}进行索引)，每个FSK子载波子集将表示一个FQAM符号，其中N_a表示活动区域中的资源元素数(即子信道数或子载波数)。

据设计要求，用户在每个免授权访问区域的活动区域上使用的调制方式和编码参数(即M_F、M_Q、码速率等)由基站预先定义，用户和基站均了解调制方式和编码参数。要做到上述要求，基站应(例如通过控制广播)向用户传送：免授权访问区域的位置和大小，每个免授权访问区域中活动区域的大小，用于每个活动区域的调制和编码参数，用于开环功率控制的参数(例如路径损耗补偿系数、基站的预期接收功率)，基站可以设置的用于每个数据区域的调制和编码参数。

在用户传输的新数据到达时，每个用户将选择任意的免授权访问区域进行传输。之后，用户将使用所选免授权访问区域中活动区域的调制和编码参数。如果网络没有定义，则用户将基于信道条件和所需的QoS在数据区域中使用调制和编码参数，QoS(Quality ofService，服务质量)指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在活动区域上传输的数据中，包括：数据区域的调制和编码信息，其用户ID(和其他需要的识别信息)和少量数据(取决于活动区域大小和调制和编码方案)。

在数据区域上传输的数据中，可以包括其用户ID(如果不包括在活动区域中)和任何其他有效载荷数据。

为了盲检测免授权访问区域中的活跃用户的数量，基站将执行以下步骤：

首先，基站将计算给定数量用户的活动区域上的活跃的子载波α(K,N_a,M_F)的预期平均数量。如后文所示，除了活跃用户的数量之外，活跃子载波的平均数量是活动区域(N_a)和M_F中的资源元素数量的函数。因此，该步骤可以一次完成，并且不需要在每次传输时执行该步骤。

然后，基站将基于在活动区域中接收到的信号来估计活跃子载波的数量(β)。如同在FQAM中，每个用户将激活一个FQAM符号，活跃资源元素的数量将取决于同一免授权访问区域上的发送用户的数量。

如果在给定的子载波上没有发送的信号，则基站应仅在该子载波上接收高斯噪声(在某些情况下为小区间干扰)，该子载波具有概率密度函数：

其中是σ²每个子载波的功率噪声。

另一方面，如果在子载波(来自一个或多个用户)上有传输，则基站将接收到被噪声干扰的用户信号。传统的能量检测方法可用于检测活跃子载波。一旦估计了活跃子载波的数目(β)，基站将把它与预期的活跃子载波数目α(K,N_a,M_F)进行比较，并相应地估计活跃用户的数目。

估计的用户数量

将被传递到检测和解码块(如图6所示)以检索活动区域上的用户数据。例如，如果基站估计只有一个用户处于活跃状态，它将对一个用户执行单用户检测和信道解码。然而，如果基站检测到两个用户处于活跃状态，它将执行多用户检测，然后对两个用户进行信道解码。基站使用从活动区域检索到的信息来检测和解码数据区域上的用户数据。如果基站成功地从活动区域中检索到所有用户的ID，它将能够发送出：1)每个用户的ACK+ID(其数据已成功解码)，或者是2)每个用户的NACK+ID(其数据未成功解码)。

我们提供给定数量用户的活动区域上活跃子载波α(K，N_a，M_F)的期望平均数量的推导，包括如下步骤：首先，我们要得到所有FQAM符号的活跃子载波的平均数量，并且通过简单的缩放将其扩展到N_a资源元素。设n表示一个FQAM符号中的活跃子载波的数目，即M_F子载波的子集的数目。由于每个FQAM符号由M_F子载波组成，因此可以激活的M_F子载波不超过M_F此外，活跃子载波的数目也不能大于活跃用户的数目(在子载波的相同子集上发送的用户)。因此，根据使用该子载波子集用户的数量，在每个FQAM符号中可以存在1到min(K，M_F)的活跃子载波，即1≤n≤min(K，M_F)。

每个FQAM符号的活跃子载波的平均数量的一般公式如下：

其中p(n|K，M_F)是假定有K个用户在同一子载波的M_F子集上传输的概率，即一个FQAM符号具有n个活跃子载波的概率。

对于只有一个用户正在发送(K＝1)的情况，我们将有1的概率，即仅使用一个M_F子载波(即p(n＝1|k＝1，M_F＝1))，因此，活跃子载波的期望平均数将是α(K＝1，M_F)＝1。对于两个用户的情况，通过两个用户选择相同子载波的概率来给出具有一个子载波活跃的概率。由于用户选择子载波的概率为1/M_F，并且存在M_F个子载波，因此概率将为：

类似地，两个子载波处于活跃状态的数目n＝2，等于一个用户选择子载波而第二个用户选择不同子载波的概率：

因此，对于两个用户的情况，每个FQAM符号的活跃子载波的平均数量将是：

对于不同数量的用户，可以遵循相同的推导步骤来推导每个FQAM符号的活跃子载波的平均数量，我们提供了以下几个示例(假设M_F≥4)：

图7示出了M_F＝4和8的活跃子载波的预期平均数目相对于活跃用户的数目。通过用N_a/M_F(表示活动区域中的FQAM符号的数量)进行缩放，可以将活跃子载波的平均数量从一个FQAM符号概括为N_a大小的活动区域。值得一提的是，活跃子载波的平均数目可以离线计算一次，并且不需要在每次传输时间执行。此外，更高数量的活跃用户可能不具有实际意义，因为即使确定了活跃用户的数量，也不太可能成功地检测到发送的数据(由于用户间干扰的增加)。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种通信中免授权接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

将用户端设备通过软SIM卡共享CTU，CTU意为竞争传输单元；

将用户端设备采用CTU自行竞争模式争取上行资源；

将用户端设备使用FQAM调制方案进行免授权传输，所述FQAM调制方案包括获取活动用户的数量。

2.根据权利要求1所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，所述获取活动用户的数量的方法包括：

在每个免授权访问区域的活动区域上使用的调制方式和编码参数由基站预先定义，且用户和基站均了解调制方式和编码参数；

计算给定数量用户的活动区域上的活跃的子载波的预期平均数量，并基于在活动区域中接收到的信号来估计活跃子载波的数量。

3.根据权利要求2所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，所述通信中免授权接入方法还包括预先配置免授权接入区域，所述预先配置免授权接入区域由一个时频块组成；在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测。

4.根据权利要求3所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，所述在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测的方法包括：

将免授权接入区域将被划分为活动区域和数据区域；通过FQAM调制在所述活动区域中检测用户是否活跃；所述数据区域可以通过网络根据***要求对整个区域进行调节；

将活动区域中的可用资源元素将被划分为U＝N_a/M_F的子集，每个FSK子载波子集将表示一个FQAM符号，其中N_a表示活动区域中的资源元素数。

5.根据权利要求4所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，在用户传输的新数据到达时，每个用户将选择任意的免授权访问区域进行传输；

用户将使用所选免授权访问区域中活动区域的调制和编码参数；如果网络没有定义，则用户将基于信道条件和所需的QoS在数据区域中使用调制和编码参数，QoS指网络能够利用的基础技术。

6.根据权利要求5所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，所述在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测的方法包括以下步骤：

基站将计算给定数量用户的活动区域上的活跃的子载波α(K,N_a,M_F)的预期平均数量；

基站将基于在活动区域中接收到的信号来估计活跃子载波的数量。

7.根据权利要求6所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，所述在给定的免授权接入区域上进行对活跃用户数量的盲检测的方法包括以下步骤：

根据接收到被噪声干扰的用户信号估计活跃子载波的数目，并将把估计的活跃子载波的数目与预期的活跃子载波数目α(K,N_a,M_F)进行比较，并相应地估计活跃用户的数目。

8.根据权利要求7所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，通过基站向用户传送：免授权访问区域的位置和大小，每个免授权访问区域中活动区域的大小，用于每个活动区域的调制和编码参数，用于开环功率控制的参数，基站可以设置用于每个数据区域的调制和编码参数。

9.根据权利要求8所述的通信中免授权接入方法，其特征在于，所述用于开环功率控制的参数包括路径损耗补偿系数、基站的预期接收功率。

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