CN113766464A - 面向机器类型通信的无线接入***及其接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向机器类型通信的无线接入***及其接入方法，其中，每个无线接入帧可分为信标相位和多址接入相位。在信标相位中，接入点向所有终端设备广播同步信号和导频信号。在多址接入相位中，不同设备基于收到的导频信号完成信道估计；并根据统一的目标信噪比决定各自的发射功率，然后依照所设定方法发送数据包；接入点采用连续干扰消除算法对所有终端设备的数据包进行联合解调。本发明提供了一种接入流程较简单的适用于无线物联网设备入网中的无线接入***及其接入方法。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种面向机器类型通信的无线接入***及其接入方法。
背景技术
在5G及其后的6G通信下，海量机器类型通信应用场景，如智慧城市、智慧农业、智能家居、森林防火、环境监测等，将占据物联网中最大的一份终端设备接入量。这类场景具有待接入设备密度高、对时延不敏感、设备简易廉价、电池不易更换等特点，因此要求一种大负载、低能耗、不复杂的多址接入技术。随机接入方式不依赖接入点的集中资源调度，显著减少了随终端设备数量线性增加的信令消耗，且降低了接入流程的复杂度，是海量机器类型通信的有力备选技术。
由于无中心调度，在传统的随机接入方案中，接入点处来自不同终端设备的数据包容易互相干扰，使得接入点无法做到有效的信号检测和解调，进而导致较低的接入成功率和***吞吐量。此外，***负载的增加会使终端设备之间发生冲突的概率增大。为了获得随机接入方式流程简单且能耗低的优点，同时增加其负载能力，考虑使用数据包重复发送与连续干扰消除相结合的策略来克服设备间的冲突。现有部分工作借鉴物理层低密度检验编码的解码过程，讨论在介质访问控制层采取连续干扰消除方式对抗数据包冲突的可能性，取得了一些进展。但一方面，这些研究缺乏一种***性地、面向提升设备接入成功率的数据包重复规则，无法达到最优性能；另一方面，也没有给出一套易于实现的无冲突时隙检测机制，同时未将终端设备有限的电池容量考虑在内。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种接入流程较简单的适用于无线物联网设备入网中的无线接入***及其接入方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种面向机器类型通信的无线接入***，包括至少一个接入点，以及与所述接入点对应的若干个终端设备；所述接入点通过无线接入帧实现与若干个终端设备的无线接入；所述无线接入帧可分为信标相位和多址接入相位。
本发明一个较佳实施例中，通过信标相位由接入点向所有终端设备广播同步信号和导频信号；通过多址接入相位由不同设备基于收到的导频信号进行信道估计，并根据目标信噪比确认发射功率，按照设置的方式发送数据包。
本发明一个较佳实施例中，接入点对多址接入相位中来自不同终端设备的数据包执行联合解调。
本发明一个较佳实施例中，接入点采用连续干扰消除算法对接入***中的所有终端设备的数据包进行联合解调。
本发明一个较佳实施例中，一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，包括以下步骤：
步骤一，接入点在无线接入帧中的信标相位向接入***中的若干个终端设备广播同步信号和导频信号；
步骤二，接入***中的各个待发送数据的终端设备根据接收到的同步信号更新时间状态，根据接收到的导频信号进行信道估计，从而调整发射功率在接入点处达到信噪比；
步骤三，基于所述信道估计的结果，各个待发送数据的终端设备执行功率分配计算；
步骤四，各个活跃的终端设备在多址接入相位执行随机接入计算。
本发明一个较佳实施例中，步骤三中，执行功率分配计算后确认是否在所述无线接入帧中执行发送过程以及对应的发送功率，确认发送的终端设备成为本无线接入帧中的活跃设备；或/和；步骤四中，根据设定的分布函数决定所述无线接入帧发送的数据包副本的个数，并将所述副本随机放进不同的时隙中进行发送。
本发明一个较佳实施例中，还包括步骤五，所述接入点交替执行信号功率计算和连续干扰消除算法，对接收到的数据包进行解调。
本发明一个较佳实施例中，在无线接入***中设定衰落因子的阈值；当信道估计结果大于等于设定的衰落因子的阈值时，终端设备才调整功率和待发送数据；否则将待发送数据保留至满足要求的无线接入帧再行发送。
本发明一个较佳实施例中，无线接入帧的多址接入相位被分成等长的时隙，终端设备依托所述时隙执行随机接入过程；各设备不依靠接入点的集中调度地将数据包随机放进多址接入相位的时隙中，所有数据包的长度均与时隙长度相同。
本发明一个较佳实施例中，一个终端设备在无线接入帧的多址接入相位所发送的全部内容是待传输数据包的若干副本，所述副本的个数取决于设定的分布函数；或/和；一个终端设备在无线接入帧的多址接入相位所随机选择的时隙个数等于所述终端设备在所述无线接入帧发送的数据包的副本个数，每个时隙属于同一终端设备的数据包不超过一个。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：
本发明提供一种接入流程较简单的适用于无线物联网设备入网中的无线接入***及其接入方法。本发明的接入***和接入方法的接入流程较简单，且不依赖接入点的集中资源调度，显著降低了通信协议复杂度及信令开销。
用无线接入帧中的信标相位维持***同步、保证接入点处各终端设备的信噪比一致。通过多址接入相位实现各终端设备的随机接入、接入点的联合解调，有效提高设备接入成功率和***吞吐量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明优选实施例中海量机器类型通信应用场景的示例的图；
图2是本发明优选实施例中接入***的流程图；
图3是本发明优选实施例中有无线接入帧结构示意图；
图4是本发明优选实施例中终端设备的功率分配方法的示意图；
图5是本发明优选实施例中联合解调过程的示意图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例一
如图1所示，一种面向机器类型通信的无线接入***，包括至少一个接入点，以及与接入点对应的多个终端设备；接入点通过无线接入帧实现与多个终端设备的无线接入；无线接入帧可分为信标相位和多址接入相位。通过信标相位由接入点向所有终端设备广播同步信号和导频信号；通过多址接入相位由不同设备基于收到的导频信号进行信道估计，并根据目标信噪比确认发射功率，按照设定的规则发送数据包。接入点对多址接入相位中来自不同终端设备的数据包执行联合解调。接入点采用连续干扰消除算法对接入***中的所有终端设备的数据包进行联合解调。
如图1的***场景所示，大量的终端设备向同一个接入点传输数据。这些终端设备在多数时候处于休眠状态，而只在需要上传数据的时候被激活。终端设备激活后，并不等待接入点分配时间或频率资源，而是在接收到某一无线接入帧中由接入点所广播的同步信号后，将终端设备的自身的时间状态更新为和整个***一致，然后在该无线接入帧执行既定的发送策略。此外，考虑到电池的容量有限，为所有终端设备设定一个相同的发送功率限制，设备将基于这个功率限制和设定的功率分配算法自适应调整发送功率。
实施例二
如图1、图2所示，一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，包括以下步骤：
步骤一，接入点在无线接入帧中的信标相位向接入***中的若干个终端设备广播同步信号和导频信号。
步骤二，接入***中的各个待发送数据的终端设备根据接收到的同步信号更新时间状态，根据接收到的导频信号进行信道估计，从而调整发射功率在接入点处达到信噪比。
步骤三，基于所述信道估计的结果，各个待发送数据的终端设备执行功率分配计算；执行功率分配计算后确认是否在所述无线接入帧中执行发送过程以及对应的发送功率，确认发送的终端设备成为本无线接入帧中的活跃设备。
步骤四，各个活跃的终端设备在多址接入相位执行随机接入计算；根据设定的分布函数决定所述无线接入帧发送的数据包副本的个数，并将所述副本随机放进不同的时隙中进行发送。
步骤五，接入点交替执行信号功率计算和连续干扰消除算法，对接收到的数据包进行解调。其中，进一步的，信号功率计算即是对信号功率的估计。
具体的，在无线接入***中设定衰落因子的阈值；当信道估计结果大于等于设定的衰落因子的阈值时，终端设备才调整功率和待发送数据；否则将待发送数据保留至满足要求的无线接入帧再行发送。
具体的，无线接入帧的多址接入相位被分成等长的时隙，终端设备依托所述时隙执行随机接入过程；各设备不依靠接入点的集中调度地将数据包随机放进多址接入相位的时隙中，所有数据包的长度均与时隙长度相同。一个终端设备在无线接入帧的多址接入相位所发送的全部内容是待传输数据包的若干副本，所述副本的个数取决于设定的分布函数。一个终端设备在无线接入帧的多址接入相位所随机选择的时隙个数等于所述终端设备在所述无线接入帧发送的数据包的副本个数，每个时隙属于同一终端设备的数据包不超过一个。
进一步的，无线接入帧的结构，如图3所示，以第t帧为例进行详细说明。第t帧有被分为信标相位和多址接入相位，其中多址接入相位被进一步划分为N(t)个时隙。在信标相位，接入点以广播的形式向各终端设备下发同步信号和导频信号；在多址接入相位，第t帧的M(t)个活跃的终端设备依托N(t)个时隙完成数据包的发送。
图中，X1,X2,…,XM分别表示设备1,2,…,M(t)发出的数据包，而Y(1),Y(2),…,Y(N(t))分别表示接入点接收到的时隙1,2…,N(t)中的信号，如Y(1)就包含X1、X3、XM这三个来自不同设备的数据包。
其中，t是对应的无线接入帧的对应编号；N是划分的时隙数量，M是活跃的终端设备的数量；X是与活跃的终端设备对应的数据包；Y是与接入点接收到的时隙对应的信号。
进一步的，终端设备的功率分配如图4所示，一个终端设备在无线接入帧向接入点传输信号的过程可以被表示为：Yk＝hXk+Wk；公式(1)。
其中，Xk和Yk分别是终端设备发送的第k个数据包和接入点接收到的第k个信号，Wk和h分别是对应的加性噪声和衰落因子。无线信道的加性噪声和衰落因子的统计特性能通过测试得到，用
表示加性噪声Wk的方差；用fh(x)表示衰落因子h的概率密度函数。设置衰落因子的阈值为h0，终端设备对当前无线接入帧的信道估计结果h＜h0时，不发送数据并等待下一帧的信道估计结果；设备对当前帧的信道估计结果h≥h0时，需进一步选择发送功率。一个设备在某帧不发送数据的概率表示为：
公式(2)。
设备的最大可用发送功率是P/(1-ε)，其中P是发送功率限制。将衰落因子达到阈值h0，且使用最大可用发送功率P/(1-ε)传输信号时接入点处的信噪比设置为所有终端设备需实现的统一的信噪比，由公式(3)得出信噪比:
公式(3)；对于信道估计结果为h的活跃的终端设备，其自适应选择的发送功率为：
公式(4)。
终端设备的发送方法，如图3所示，每个活跃的终端设备在多址接入相位将数据包重复发送多次，发送的数据包的副本被按照均匀分布随机地放入N(t)个时隙中。此外，数据包重复规则取决于一个预先设定的分布函数，公式为；
公式(5)。公式(5)指代概率分布的生成多项式。多项式中x的低r次方项的系数，即Λr指代设备发送r个数据包副本的概率。其中，公式(5)需满足概率分布所需满足条件∑rΛr＝1。***中的所有终端设备的数据包重复规则遵循同一个分布函数，而不同设备在同一帧中发送的数据包副本个数以及对时隙的选择是相互独立的。如图3中的终端设备1和设备3为例，除折叠部份外，设备1在时隙1、时隙4、时隙(N-1)(t)和时隙N(t)共发送了四个数据包副本，而设备3在时隙1和时隙(N-1)(t)共发送了两个数据包副本。每个数据包副本中都包含其它副本的位置信息。
接入点的解调方法如图5所示。从图3可以看到，接入点接收到的信号Y(1),Y(2),…,Y(N(t))有相当一部分都存在冲突现象，如Y(1)中包含X1、X3和XM，而Y(N(t))中包含X1、X2、X3和XM(对Y(1)和Y(N(t))的描述均未计入折叠部分数据包。为了从这些冲突中还原出各个终端设备传输的信息，采用信号功率估计和连续干扰消除相结合的方法执行数据包解调。其中，信号功率估计用于对无冲突时隙的检测，由于本发明的功率分配算法使不同设备发出的信号在接入点处具有相同的信噪比，因此接入点可以轻易识别出仅含有一个数据包的时隙。连续干扰消除则用于从各个时隙中去掉已解调设备对其它设备的干扰。本发明中接入点的解调方法如图5所示，为便于说明，此例设置3台终端设备和4个时隙；但不仅限于此。图5中，接入点首先通过信号功率估计识别出无冲突的时隙3，并解调来自终端设备1的数据包，由于恢复的数据中包含终端设备1传输的另外两个副本的位置信息，可以从时隙1和时隙4中去掉终端设备1造成的干扰。然后，接入点再次通过信号功率估计识别出可以被解调的时隙4，进而消除时隙1中属于终端设备3的信号成分。最后，识别时隙1并解调来自终端设备2的数据包，完成整个解调过程。
最优的数据包重复规则；终端设备的数据包重复规则直接影响接入点解调机制的效果，重复次数太少将失去分集策略带来的增益，重复次数太多也会让***负载过重，难以检测出足够的无冲突时隙而致使连续干扰消除失效。将一个数据包无法被接入点解调的概率表示为p，则p与公式(5)所给数据包重复规则Λ(x)之间的约束关系由公式(6)给出，
公式(6)。
其中，η是***的时隙资源配置率，定义为时隙个数与活跃终端设备个数之比。本发明提供一种最优的数据包重复方法，在保证p为0的同时使η无限接近理论最小值1，该重复规则由公式(7)得出：
公式(7)。
其中，L的取值能根据具体要求选择。L为数据包重复发送次数的最大值。其中，具体要求包括发送设备的能量效率或整个接入***的整体能量效率。只要η满足公式(8)的约束；
公式(8)。
公式(6)在概率的值域[0,1]内只有零解。此外，允许L不断增大时，公式(8)所约束η将可以无限接近1。***的吞吐量T定义为成功被解调的有效数据包个数与时隙个数之比，而在所有数据均能被解调的情况，吞吐量就等于时隙资源配置率的倒数，即T＝1η。也就是说，最优重复规则Λ*(x)能使***吞吐量达到理论最大值1。
实施例三
在实施例一和实施例二的基础上，设备发送功率限制为P＝5W，无线信道中加性噪声的方差为
衰落因子的概率密度函数为fh(x)＝xexp(-x2/2)，功率分配算法中设置的衰落因子阈值为h0＝0.5。根据公式(2)，一个无线接入帧中待发送数据的终端设备因信道质量过低而选择不在此帧发送数据的概率约为ε＝0.1175，那么根据公式(3)，设置***中参与接入的所有设备需在接入点处达到的信噪比为γ＝1.416。设定在t个无线接入帧，选择发送数据的活跃设备的信道的结果是h＝0.7时，根据公式(4)，该设备执行功率分配算法得出发送功率约为Ptx＝2.891W。
功率分配算法执行后，第t个无线接入帧的活跃终端设备个数为M(t)＝1000，并且***允许的数据包最大重复次数L+1＝20，那么为了在确保所有活跃设备能够被成功解调的前提下尽可能增大***吞吐量，在采用公式(7)所给数据包重复规则和公式(8)所给最小时隙资源配置率的情况下，***吞吐量可以达到T＝0.952packet/slot。
工作原理：
用无线接入帧中的信标相位维持***同步、保证接入点处各终端设备的信噪比一致。通过多址接入相位实现各终端设备的随机接入、接入点的联合解调，有效提高设备接入成功率和***吞吐量。本发明特别适用于在面向海量机器类型通信中的无线接入***中。
终端设备的接入流程较简单，且不依赖接入点的集中资源调度，显著降低了通信协议复杂度及信令开销。无线接入帧被分成信标相位和多址接入相位，其中后者完成数据传输过程，前者完成必要的辅助环节。无线接入帧的多址接入相位被划分为等长的时隙，信息传输以数据包为基本单位，依托时隙完成。引入功率分配机制，终端设备避开信道质量不可接受的帧发送数据包，且保证所有设备在接入点处有相等的信干躁比，在提高***能效的同时也为接入点的解调过程提供支撑。使用数据包重复机制获得分集增益，提供了一种最优重复规则，可以在保证终端设备接入成功率为1的同时达到理论上的最大***吞吐量。接入点采用信号功率估计进行无冲突时隙的检测，所有终端设备在接入点处相等的信噪比使得检测过程简单而高效，为联合解调的实现提供保障。接入点通过信号功率估计与连续干扰消除相结合的方法对不同终端设备的数据包联合解调，有效解决了无中心的接入模式所带来的不同设备之间的冲突问题。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.一种面向机器类型通信的无线接入***，其特征在于：包括至少一个接入点，以及与所述接入点对应的若干个终端设备；所述接入点通过无线接入帧实现与若干个终端设备的无线接入；所述无线接入帧可分为信标相位和多址接入相位。
2.根据权利要求2所述的面向机器类型通信的无线接入***，其特征在于：通过信标相位由接入点向所有终端设备广播同步信号和导频信号；通过多址接入相位由不同设备基于收到的导频信号进行信道估计，并根据目标信噪比确认发射功率，按照设置的方式发送数据包。
3.根据权利要求2所述的面向机器类型通信的无线接入***，其特征在于：接入点对多址接入相位中来自不同终端设备的数据包执行联合解调。
4.根据权利要求3所述的面向机器类型通信的无线接入***，其特征在于：所述接入点采用连续干扰消除算法对接入***中的所有终端设备的数据包进行联合解调。
5.一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，采用权利要求1~4中任一权利要求所述的面向机器类型通信的无线接入***实现的接入方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤一，接入点在无线接入帧中的信标相位向接入***中的若干个终端设备广播同步信号和导频信号；
步骤二，接入***中的各个待发送数据的终端设备根据接收到的同步信号更新时间状态，根据接收到的导频信号进行信道估计，从而调整发射功率在接入点处达到信噪比；
步骤三，基于所述信道估计的结果，各个待发送数据的终端设备执行功率分配计算；
步骤四，各个活跃的终端设备在多址接入相位执行随机接入计算。
6.根据权利要求5所述的一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，其特征在于：步骤三中，执行功率分配计算后确认是否在所述无线接入帧中执行发送过程以及对应的发送功率，确认发送的终端设备成为本无线接入帧中的活跃设备；
或/和；步骤四中，根据设定的分布函数决定所述无线接入帧发送的数据包副本的个数，并将所述副本随机放进不同的时隙中进行发送。
7.根据权利要求5所述的一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，其特征在于：还包括步骤五，所述接入点交替执行信号功率计算和连续干扰消除算法，对接收到的数据包进行解调。
8.根据权利要求5所述的一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，其特征在于：在无线接入***中设定衰落因子的阈值；当信道估计结果大于等于设定的衰落因子的阈值时，终端设备才调整功率和待发送数据；否则将待发送数据保留至满足要求的无线接入帧再行发送。
9.根据权利要求5所述的一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，其特征在于：无线接入帧的多址接入相位被分成等长的时隙，终端设备依托所述时隙执行随机接入过程；各设备不依靠接入点的集中调度地将数据包随机放进多址接入相位的时隙中，所有数据包的长度均与时隙长度相同。
10.根据权利要求5所述的一种面向机器类型通信的无线接入***的接入方法，其特征在于：一个终端设备在无线接入帧的多址接入相位所发送的全部内容是待传输数据包的若干副本，所述副本的个数取决于设定的分布函数；
或/和；一个终端设备在无线接入帧的多址接入相位所随机选择的时隙个数等于所述终端设备在所述无线接入帧发送的数据包的副本个数，每个时隙属于同一终端设备的数据包不超过一个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20211207 |