CN113891489B - 一种基于跳频的竞争随机接入方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于跳频的竞争随机接入方法及装置，其在随机接入时隙，将基于同步跳频的跳时与随机接入前导码相结合，在时域和码域构造基于同步跳频的两维随机接入前导码集合用于竞争随机接入过程中的Msg1消息的发送；将产生的两维随机接入前导码集合按照跳时过程中占用的频点数量的不同划分为不同的子集，不同的子集用于支持不同优先级的竞争随机接入。本发明解决了跳频***中竞争随机接入的随机接入资源受限造成多用户随机接入冲突概率较大、竞争随机接入性能受功率控制和远近效应影响较大、支持多优先级竞争随机接入能力较弱等问题。
Description
技术领域
本发明是关于基于四次握手的竞争随机接入通信技术领域，特别是关于一种基于跳频的竞争随机接入方法及装置。
背景技术
基于四次握手的竞争随机接入在移动通信网络以及有中心的自组织网络中有着广泛的应用，其具体流程如图1，又称为“四步”接入法。
(1)Msg1：移动用户向基站/控制节点发送随机接入前导码
该消息为上行信息，由移动用户发送，基站/控制节点接收。移动用户选择要发送的前导序列，在高层指示的随机接入信道资源上，使用指定的传输功率向基站发送随机接入前导码。
移动用户使用前导序列索引集合中选择要发射的前导码。触发随机接入时，移动用户首先根据待发送的优先级和路损大小确定前导码集合，假设集合B应用于低优先级业务且路损较小的场景，集合A应用于高优先级业务或路损较大的场景。移动用户在确定前导码集合后，从该集合中随机选择一个前导码。
初始前导序列的传输功率设定是基于开环估计，保证了前导序列的接收功率独立于路径损耗；对于重传前导序列的传输，基站可以配置前导序列功率爬升，使每个重传序列的传输功率按固定步长增加。
(2)Msg2：基站/控制节点向移动用户发送随机接入响应消息
基站/控制节点接收到移动用户发送的随机接入前导码后，在下行信道上向移动用户发送随机接入响应授权，随机接入响应授权必须在指定的随机接入响应窗内发送。Msg2可以携带回退(backoff)时延参数、基站/控制节点检测到的前导序列标识、移动用户上行传输定时对齐指令、Msg3准许传输的初始上行资源等信息。
移动用户发送完随机接入前导码之后，将在指定的随机接入响应窗内(随机接入响应窗的起始和结束由基站/控制节点设定，并作为部分***信息广播)监听下行信道，接收基站/控制节点发送的Msg2。
移动用户发送完前导码后，根据不同的基站/控制节点响应结果，进行不同的操作，下面给出一种处理策略的示例：
-如果在时帧n检测到Msg2消息，并解析到相应的已发送前导序列，则根据这个相应信息在时帧n或时帧n+1的Msg2指定的时隙发送Msg3消息。
-如果在时帧n检测到Msg2消息，但解析发现不包含已发送前导序列，如果高层需要，则移动用户将在不迟于n+5时帧前重传前导序列。
-如果在时帧n上没有检测到Msg2消息，如果高层需要，则移动用户将在不迟于n+4时帧前重传前导序列。
-如果在时帧n上没有检测到Msg2消息，并且随机接入过程是由数据到达触发的，如果高层需要，则移动用户在时帧n或时帧n+1内发起随机接入。
(3)Msg3：移动用户向基站/控制节点发送Msg3消息
移动用户接收到基站/控制节点的随机接入响应Msg2后，在上行信道发送Msg3消息，并携带或者发送L2/L3消息。L2/L3消息包含了确切的随机接入过程的目的和相关信息，如连接建立请求、跟踪区域更新、调度请求。
假如多个移动用户发送相同的前导序列，则冲突的移动用户会从随机接入响应授权接收到相同的上行资源授权，L2/L3消息在相同的时频资源上进行发送，此时多个移动用户间存在干扰，使得冲突的移动用户发送的消息不能解码。移动用户发送的Msg3消息可以重传，但是冲突仍然存在。为此，需要进行竞争解决。
(4)Msg4：基站/控制节点向移动用户发送竞争判决消息
基站/控制节点如果对某个移动用户发送的Msg3消息进行正确解码，则认为该移动用户成功接入，向移动用户发送竞争判决消息。竞争解决消息Msg4可以包含移动用户在Msg3消息中发送的竞争决议标识、成功接入的用户ID、随机接入结果与参数等信息。
当移动用户在竞争判决定时器启动期间，成功接收到包含自己的竞争决议标识的Msg4消息，则认为本次随机接入成功，否则认为本次随机接入失败。基站/控制节点将为竞争判决成功接入的移动用户分配数据传输所需的时频资源。
跳频，顾名思义需要经常改变载波频率，“打一枪换一个地方”似的对载波频率进行跳变，跳频通信中载波频率改变的规律叫做跳频图案，常采用伪随机的方式确定跳频图案。通信的双方只有知道彼此的跳频图案，并且相互同步后才能够进行通信。因此，跳频***是一种严格同步的***，具有抗干扰、抗截获的能力，并能够做到频谱资源共享，广泛应用于当前现代化军事通信中。另外，跳频通信也可以应用到民用通信，能够抗衰落、抗多径、抗网间干扰，提高频谱利用效率。
如图2所示，给出了一种简单的跳频***的时帧结构的示意图。在该跳频***中，一个时帧由N_D个下行时隙和N_U个上行时隙构成，并且一个长度为t_s的时隙包含n_hop_f个跳频点(n_hop_f>1)，每个跳频点通过伪随机的方式在一个确定的包含N_F个频率的跳频集中选择。***资源调度和使用的最小单位为一个时隙，根据传输消息的用途的不同，可以进一步将时隙分为用于同步的同步时隙、广播信息的广播时隙、传输控制消息的控制时隙、传输业务的业务时隙和用于传输随机接入消息Msg1的随机接入时隙。
假设单发单收的跳频***使用如上所述的通用时帧结构，并采用基于四次握手的竞争随机接入机制完成相应的网络接入操作，则竞争随机接入存在如下的缺点：
(1)由于跳频***需要综合考虑***开销，可用于随机接入的时隙较少，同时考虑设备的处理能力限制，可用于竞争随机接入的随机接入前导码数量不大，因此多个用户同时接入的情况下冲突概率较大，即支持多个用户同时接入的能力不强。
(2)若在竞争随机接入发送随机接入前导码时没有功率控制或者功率控制不理想，现有的竞争随机接入机制受到“远近效应”的影响较大，容易造成随机接入前导码检测性能下降，影响***的随机接入能力。
(3)现有的竞争随机接入机制可以通过不同的随机接入前导码组区分随机接入的优先级，可以支持的优先级等级受限，并且要求随机接入前导码数量较大，不利于随机接入前导码的检测。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于跳频的竞争随机接入方法及装置，其能够在随机接入时隙，将基于同步跳频的跳时与随机接入前导码相结合，在时域和码域构造基于同步跳频的两维随机接入前导码集合用于竞争随机接入过程中的Msg1消息的发送；同时，将该两维随机接入前导码集合按照跳时过程中占用的频点数量的不同划分为不同的子集，不同的子集用于支持不同优先级的竞争随机接入，简单来说，占用频点数量越多的子集用于支持的竞争随机接入的优先级越高；此外，同一子集的任意两个序列所占用的发送时刻(频点)不完全相同，即使远近效应影响明显也能显著增加正确检测两维随机接入前导码的概率。
假设单发单收的同步跳频***使用如图3所示的通用时帧结构，其中下行时隙的数量N_D＝10，上行时隙的数量N_U＝10，时隙长度t_s＝10ms，任意一个时隙由n_hop_f＝10个跳频点构成，每个跳频点通过伪随机的方式在一个确定的包含N_F＝1024个频率的跳频集中选择，每个时帧配置2个随机接入时隙，并采用基于四次握手的竞争随机接入机制完成初始接入、网络同步、资源申请、辅助定位等的网络操作。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于跳频的竞争随机接入方法，包括：
步骤1，移动用户发送Msg1消息，需要进行竞争随机接入的移动用户构造一个两维随机接入前导码，然后选择一个可用的随机接入时隙或者指定的随机接入时隙发送包含该两维随机接入前导码的随机接入Msg1消息，移动用户发送完随机接入前导码之后，将在指定的随机接入响应窗内监听下行信道，接收基站/控制节点发送的Msg2消息，所述随机接入响应窗的起始和结束由基站/控制节点设定，并作为部分***信息广播；
步骤2，基站/控制节点发送Msg2消息，基站/控制节点持续检测时帧中每一个随机接入时隙，记录检测到的随机接入前导码和随机前导码的传输时刻，并根据上述信息恢复每一个随机接入前导码相对应的跳时图案，然后根据跳时图案和随机接入前导码确定接收到的两维随机接入前导码，在随后的下行时隙，基站/控制节点发送随机接入响应Msg2消息，包含接收到的两维随机接入前导码标识、两维随机接入前导码相对应的Msg3消息的上行资源授权；
步骤3，移动用户发送Msg3消息，移动用户接收到基站/控制节点的随机接入响应Msg2后，在上行信道发送Msg3消息，并携带或者发送相关控制消息，所述相关控制消息包含了确切的随机接入过程的目的和相关信息，如连接建立请求、跟踪区域更新、调度请求，移动用户发送Msg3消息后，等待基站/控制节点发送的竞争判决Msg4消息；
步骤4，基站/控制节点发送Msg4消息，基站/控制节点对移动用户发送的Msg3消息进行正确解码，则该移动用户成功接入，向移动用户发送竞争判决Msg4消息，竞争判决Msg4消息包含移动用户在Msg3消息中发送的竞争决议标识、成功接入的用户ID、随机接入结果与参数信息，基站/控制节点为竞争判决成功接入的移动用户分配数据传输所需的时频资源。
进一步的，所述竞争随机接入过程中，可用于发送一个随机接入前导码的时间长度为t_p，可用于发送有效数据的最小时间单位为t_min，所述t_min包括区分不同的发送有效数据的最小时间单位之间的必须的隔离时间，则按照如下方式构造两维随机接入前导码：
根据时间长度t_p和最小时间单位t_min，确定发送两维随机接入前导码的可用跳时时刻的数量n_hop_t＝t_p/(t_min×n)，其中n为大于等于1的整数，并保证n_hop_t为整数；
根据跳时时刻的数量n_hop_t，确定最大跳时图案集合s_tmap，并根据跳时图案中跳时时刻的数量进一步将跳时图案分成n_s个跳时图案子集s_tmap_sub，那么这n_s个跳时图案子集s_tmap_sub用于支持n_s个等级的竞争随机接入优先级，跳频图案中包含的跳时时刻数量越多的子集表示的接入优先级越高；
根据时间单位t_min×n的大小，构造具有良好的自相关特性和互相关特性、能够有效区分不同码字的伪随机序列集合s_seq，设满足要求的集合中的伪随机序列的数量为n_seq，将这个伪随机序列集合分为m_s个伪随机序列子集s_seq_sub，其中m_s≤n_seq；
用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后在伪随机序列集合s_seq中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，称该码字为两维随机接入前导码的基础码字；
将确定的跳时图案tmap(j)和随机接入前导码seq(k)相结合，即在跳时图案tmap(j)确定的发送时刻发送随机接入前导码seq(k)，形成两维随机接入前导码seq_dim(tmap(j),seq(k))，用于用户发起竞争随机接入。
进一步的，所述用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后按照确定的映射规则，根据所选择的跳时图案子集s_tmap_sub(i)确定相应的伪随机序列子集s_seq_sub(f(s_tmap_sub(i)))，并在该子集中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，即两维随机接入前导码的基础码字。
进一步的，采用Zadoff-Chu序列来构造所述伪随机序列集合s_seq，从而确定移动用户的随机接入前导码seq(k)，对于跳时图案集合s_tmap的生成，当n_hop_t较小时，用枚举的方式列出所有可能的跳时图案，而当n_hop_t较大时，使用伪随机序列生成符合要求的跳时图案集合。
进一步的，在所述步骤3和步骤4中，多个移动用户发送相同的前导序列，则冲突的移动用户会从随机接入响应Msg2消息接收到相同的上行资源授权，Msg3消息在相同的时频资源上进行发送，此时多个移动用户间存在干扰，使得冲突的移动用户发送的消息不能解码；还包括竞争判决定时器，当移动用户在所述竞争判决定时器启动期间，成功接收到包含自己的竞争决议标识的Msg4消息，则认为本次随机接入成功，否则认为本次随机接入失败。
本发明同时提供了一种基于跳频的竞争随机接入装置，应用于基站/控制节点，包括：
接收模块，用于接收移动用户发送Msg1消息，需要进行竞争随机接入的移动用户构造一个两维随机接入前导码，然后选择一个可用的随机接入时隙或者指定的随机接入时隙发送包含该两维随机接入前导码的随机接入Msg1消息，移动用户发送完随机接入前导码之后，将在指定的随机接入响应窗内监听下行信道，接收基站/控制节点发送的Msg2消息，所述随机接入响应窗的起始和结束由基站/控制节点设定，并作为部分***信息广播；
处理模块，用于基站/控制节点持续检测时帧中每一个随机接入时隙，记录检测到的随机接入前导码和随机前导码的传输时刻，并根据上述信息恢复每一个随机接入前导码相对应的跳时图案，然后根据跳时图案和随机接入前导码确定接收到的两维随机接入前导码；
发送模块，用于在随后的下行时隙，基站/控制节点发送随机接入响应Msg2消息，包含接收到的两维随机接入前导码标识、两维随机接入前导码相对应的Msg3消息的上行资源授权；
所述接收模块进一步用于接收移动用户发送Msg3消息，移动用户接收到基站/控制节点的随机接入响应Msg2后，在上行信道发送Msg3消息，并携带或者发送相关控制消息，所述相关控制消息包含了确切的随机接入过程的目的和相关信息，如连接建立请求、跟踪区域更新、调度请求，移动用户发送Msg3消息后，等待基站/控制节点发送的竞争判决Msg4消息；
所述处理模块进一步用于基站/控制节点对移动用户发送的Msg3消息进行正确解码，则该移动用户成功接入，所述发送模块进一步用于向移动用户发送竞争判决Msg4消息，竞争判决Msg4消息包含移动用户在Msg3消息中发送的竞争决议标识、成功接入的用户ID、随机接入结果与参数信息，基站/控制节点为竞争判决成功接入的移动用户分配数据传输所需的时频资源。
进一步的，所述竞争随机接入过程中，可用于发送一个随机接入前导码的时间长度为t_p，可用于发送有效数据的最小时间单位为t_min，所述t_min包括区分不同的发送有效数据的最小时间单位之间的必须的隔离时间，则所述处理模块按照如下方式构造两维随机接入前导码：
根据时间长度t_p和最小时间单位t_min，确定发送两维随机接入前导码的可用跳时时刻的数量n_hop_t＝t_p/(t_min×n)，其中n为大于等于1的整数，并保证n_hop_t为整数；
根据跳时时刻的数量n_hop_t，确定最大跳时图案集合s_tmap，并根据跳时图案中跳时时刻的数量进一步将跳时图案分成n_s个跳时图案子集s_tmap_sub，那么这n_s个跳时图案子集s_tmap_sub用于支持n_s个等级的竞争随机接入优先级，跳频图案中包含的跳时时刻数量越多的子集表示的接入优先级越高；
根据时间单位t_min×n的大小，构造具有良好的自相关特性和互相关特性、能够有效区分不同码字的伪随机序列集合s_seq，设满足要求的集合中的伪随机序列的数量为n_seq，将这个伪随机序列集合分为m_s个伪随机序列子集s_seq_sub，其中m_s≤n_seq；
用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后在伪随机序列集合s_seq中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，称该码字为两维随机接入前导码的基础码字；
将确定的跳时图案tmap(j)和随机接入前导码seq(k)相结合，即在跳时图案tmap(j)确定的发送时刻发送随机接入前导码seq(k)，形成两维随机接入前导码seq_dim(tmap(j),seq(k))，用于用户发起竞争随机接入。
进一步的，所述用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后按照确定的映射规则，根据所选择的跳时图案子集s_tmap_sub(i)确定相应的伪随机序列子集s_seq_sub(f(s_tmap_sub(i)))，并在该子集中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，即两维随机接入前导码的基础码字。
进一步的，采用Zadoff-Chu序列来构造所述伪随机序列集合s_seq，从而确定移动用户的随机接入前导码seq(k)，对于跳时图案集合s_tmap的生成，当n_hop_t较小时，用枚举的方式列出所有可能的跳时图案，而当n_hop_t较大时，使用伪随机序列生成符合要求的跳时图案集合。
进一步的，多个移动用户发送相同的前导序列，则冲突的移动用户会从随机接入响应Msg2消息接收到相同的上行资源授权，Msg3消息在相同的时频资源上进行发送，此时多个移动用户间存在干扰，使得冲突的移动用户发送的消息不能解码；还包括竞争判决定时器，当移动用户在所述竞争判决定时器启动期间，成功接收到包含自己的竞争决议标识的Msg4消息，则认为本次随机接入成功，否则认为本次随机接入失败。
与现有技术相比，根据本发明的如下技术点：
(1)在随机接入时隙，将基于同步跳频的跳时与随机接入前导码相结合，在时域和码域构造基于同步跳频的两维随机接入前导码集合用于竞争随机接入过程中的Msg1消息的发送。
(2)将产生的两维随机接入前导码集合按照跳时过程中占用的频点数量的不同划分为不同的子集，不同的子集用于支持不同优先级的竞争随机接入。
本发明具有如下有益效果：
基于跳频的竞争随机接入方法在随机接入前导码数量、可用于随机接入的时频资源数量有限的情况下，有效的降低了多用户随机接入的冲突概率，提高了随机接入的性能；在随机接入前导码发送没有功率控制或者功率控制不理想的情况下，降低远近效应对随机接入前导码检测能力的影响；此外，通过可用码域-时域资源的选择，即码分与跳时相结合的方式，增加对多用户多优先级竞争随机接入的支持。
附图说明
图1是现有技术竞争性随机接入“四步”接入法流程图；
图2是现有技术一种跳频***的时帧结构示意图；
图3是单发单收的同步跳频***的通用时帧结构示意图；
图4是本发明基于跳频的竞争随机接入流程图；
图5是本发明一种实施例的两维随机接入前导码示例图；
图6是Zadoff-Chu序列的自相关特性图；
图7是Zadoff-Chu序列的互相关特性图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图4所示，基于跳频的竞争随机接入方法的主要步骤如下：
(1)移动用户发送Msg1消息
需要进行竞争随机接入的移动用户按照本专利给出的方法构造一个两维随机接入前导码，然后选择一个可用的随机接入时隙(当一个时帧中存在多个随机接入时隙时，按照约定的规则选择，可以随机选择，也可以按照一定顺序选择)发送包含该两维随机接入前导码的随机接入Msg1消息。
移动用户发送完随机接入前导码之后，将在指定的随机接入响应窗内(随机接入响应窗的起始和结束由基站/控制节点设定，并作为部分***信息广播)监听下行信道，接收基站/控制节点发送的Msg2消息。
(2)基站/控制节点发送Msg2消息
基站/控制节点持续检测时帧中每一个随机接入时隙，记录检测到的随机接入前导码和随机前导码的传输时刻，并根据上述信息恢复每一个随机接入前导码相对应的跳时图案，然后根据跳时图案和随机接入前导码确定接收到的两维随机接入前导码。
在随后的下行时隙，基站/控制节点发送随机接入响应Msg2消息，包含但是不限于接收到的两维随机接入前导码标识、两维随机接入前导码相对应的Msg3消息的上行资源授权。
(3)移动用户发送Msg3消息
移动用户接收到基站/控制节点的随机接入响应Msg2后，在上行信道发送Msg3消息，并携带或者发送相关控制消息。相关控制消息包含了确切的随机接入过程的目的和相关信息，如连接建立请求、跟踪区域更新、调度请求等。
假如多个移动用户发送相同的前导序列，则冲突的移动用户会从随机接入响应Msg2消息接收到相同的上行资源授权，Msg3消息在相同的时频资源上进行发送，此时多个移动用户间存在干扰，使得冲突的移动用户发送的消息不能解码。移动用户发送Msg3消息后，等待基站/控制节点发送的竞争判决Msg4消息。
当移动用户在竞争判决定时器启动期间，成功接收到包含自己的竞争决议标识的Msg4消息，则认为本次随机接入成功，否则认为本次随机接入失败。
(4)基站/控制节点发送Msg4消息
基站/控制节点如果对某个移动用户发送的Msg3消息进行正确解码，则认为该移动用户成功接入，向移动用户发送竞争判决Msg4消息。
竞争判决Msg4消息可以包含移动用户在Msg3消息中发送的竞争决议标识、成功接入的用户ID、随机接入结果与参数等信息，可以为竞争判决成功接入的移动用户分配数据传输所需的时频资源等。
在基于四次握手的竞争随机接入过程中，假设可用于发送一个随机接入前导码的时间长度为t_p，可用于发送有效数据的最小时间单位为t_min(时间t_min包括区分不同的发送有效数据的最小时间单位之间的必须的隔离时间)，则可以按照如下方式构造两维随机接入前导码：
(1)根据时间长度t_p和最小时间单位t_min，确定发送两维随机接入前导码的可用跳时时刻的数量n_hop_t＝t_p/(t_min×n)，其中n为大于等于1的整数，并保证n_hop_t为整数。
(2)根据跳时时刻的数量n_hop_t，确定最大跳时图案集合s_tmap，并根据跳时图案中跳时时刻的数量进一步将跳时图案分成n_s个跳时图案子集s_tmap_sub，那么这n_s个跳时图案子集s_tmap_sub可以用于支持n_s个等级的竞争随机接入优先级，跳频图案中包含的跳时时刻数量越多的子集表示的接入优先级越高。
(3)根据时间单位t_min×n的大小，构造具有良好的自相关特性和互相关特性、能够有效区分不同码字的伪随机序列集合s_seq，设满足要求的集合中的伪随机序列的数量为n_seq，可以将这个伪随机序列集合分为m_s个伪随机序列子集s_seq_sub，其中m_s≤n_seq。
(4)用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后在伪随机序列集合s_seq中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，称该码字为两维随机接入前导码的基础码字。
(5)或者，用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后按照确定的映射规则，根据所选择的跳时图案子集s_tmap_sub(i)确定相应的伪随机序列子集s_seq_sub(f(s_tmap_sub(i)))，并在该子集中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，即两维随机接入前导码的基础码字。
(6)将确定的跳时图案tmap(j)和随机接入前导码seq(k)相结合，即在跳时图案tmap(j)确定的发送时刻发送随机接入前导码seq(k)，形成两维随机接入前导码seq_dim(tmap(j),seq(k))，用于用户发起竞争随机接入。
在如图2所示的同步跳频***的时帧结构中，假设移动用户构造的两维随机接入前导码使用长度为10的跳时图案tmap10(j)＝0100101000和长度128的基础码字seq128(k)，则两维随机接入前导码的形式如图5所示，其中NULL代表在该时频资源中不发送，seq128(k)代表在该时频资源中发送基础码字seq128(k)。
Zadoff–Chu序列满足恒模零自相关特性，具有如下特点，近些年备受关注，已在4G和5G***中应用。其生成多项式如下，式中q为序列根索引，取值{1,…,(NZC-1)}，NZC为ZC序列的长度，n＝0,1,…,(NZC-1)：
(1)Zadoff–Chu序列具有恒定的幅度值，其NZC点离散傅里叶变换也具有恒定的幅度值，因此具有非常好的峰均功率比；
(2)任意长度的Zadoff–Chu序列具有理想的周期自相关函数，也就是自相关函数呈现delta函数分布；
(3)因此可以从一个Zadoff-Chu序列中扩展出多个序列，扩展性强；
(4)Zadoff–Chu序列之间的互相关值为固定值1/√(N_ZC)。
如图6和图7所示，Zadoff-Chu序列具有良好的自相关特性和互相关特性，可以用来构造伪随机序列集合s_seq，从而确定移动用户的随机接入前导码seq(k)。对于跳时图案集合s_tmap的生成，当n_hop_t较小时，可用枚举的方式列出所有可能的跳时图案；而当n_hop_t较大时，可以使用伪随机序列生成符合要求的跳时图案集合。
本发明给出了一种基于跳频的竞争随机接入方法，解决跳频***中竞争随机接入的随机接入资源受限造成多用户随机接入冲突概率较大、竞争随机接入性能受功率控制和远近效应影响较大、支持多优先级竞争随机接入能力较弱等问题，可以用于有中心的民用跳频通信***的初始接入、网络同步、资源申请、辅助定位等方面，也可用于有中心的特种专用跳频通信***的相应方面。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种基于跳频的竞争随机接入方法，其特征在于，包括：
步骤1，移动用户发送Msg1消息，需要进行竞争随机接入的移动用户构造一个两维随机接入前导码，然后选择一个可用的随机接入时隙或者指定的随机接入时隙发送包含该两维随机接入前导码的随机接入Msg1消息，移动用户发送完随机接入前导码之后，将在指定的随机接入响应窗内监听下行信道，接收基站/控制节点发送的Msg2消息，所述随机接入响应窗的起始和结束由基站/控制节点设定，并作为部分***信息广播；
步骤2，基站/控制节点发送Msg2消息，基站/控制节点持续检测时帧中每一个随机接入时隙，记录检测到的随机接入前导码和随机前导码的传输时刻，并根据上述信息恢复每一个随机接入前导码相对应的跳时图案，然后根据跳时图案和随机接入前导码确定接收到的两维随机接入前导码，在随后的下行时隙，基站/控制节点发送随机接入响应Msg2消息，包含接收到的两维随机接入前导码标识、两维随机接入前导码相对应的Msg3消息的上行资源授权；
步骤3，移动用户发送Msg3消息，移动用户接收到基站/控制节点的随机接入响应Msg2后，在上行信道发送Msg3消息，并携带或者发送相关控制消息，所述相关控制消息包含了确切的随机接入过程的目的和相关信息，包括：连接建立请求、跟踪区域更新、调度请求，移动用户发送Msg3消息后，等待基站/控制节点发送的竞争判决Msg4消息；
步骤4，基站/控制节点发送Msg4消息，基站/控制节点对移动用户发送的Msg3消息进行正确解码，则该移动用户成功接入，向移动用户发送竞争判决Msg4消息，竞争判决Msg4消息包含移动用户在Msg3消息中发送的竞争决议标识、成功接入的用户ID、随机接入结果与参数信息，基站/控制节点为竞争判决成功接入的移动用户分配数据传输所需的时频资源。
2.如权利要求1所述的一种基于跳频的竞争随机接入方法，其特征在于，所述竞争随机接入过程中，可用于发送一个随机接入前导码的时间长度为t_p，可用于发送有效数据的最小时间单位为t_min，所述t_min包括区分不同的发送有效数据的最小时间单位之间的必须的隔离时间，则按照如下方式构造两维随机接入前导码：
根据时间长度t_p和最小时间单位t_min，确定发送两维随机接入前导码的可用跳时时刻的数量n_hop_t = t_p/(t_min×n)，其中n为大于等于1的整数，并保证n_hop_t为整数；
根据跳时时刻的数量n_hop_t，确定最大跳时图案集合s_tmap，并根据跳时图案中跳时时刻的数量进一步将跳时图案分成n_s个跳时图案子集s_tmap_sub，那么这n_s个跳时图案子集s_tmap_sub用于支持n_s个等级的竞争随机接入优先级，跳频图案中包含的跳时时刻数量越多的子集表示的接入优先级越高；
根据时间单位t_min×n的大小，构造具有良好的自相关特性和互相关特性、能够有效区分不同码字的伪随机序列集合s_seq，设满足要求的集合中的伪随机序列的数量为n_seq，将这个伪随机序列集合分为m_s个伪随机序列子集s_seq_sub，其中m_s≤n_seq；
用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后在伪随机序列集合s_seq中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，称该码字为两维随机接入前导码的基础码字；
将确定的跳时图案tmap(j)和随机接入前导码seq(k)相结合，即在跳时图案tmap(j)确定的发送时刻发送随机接入前导码seq(k)，形成两维随机接入前导码seq_dim(tmap(j),seq(k))，用于用户发起竞争随机接入。
3.如权利要求2所述的一种基于跳频的竞争随机接入方法，其特征在于，所述用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后按照确定的映射规则，根据所选择的跳时图案子集s_tmap_sub(i)确定相应的伪随机序列子集s_seq_sub(f(s_tmap_sub(i)))，并在该子集中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，即两维随机接入前导码的基础码字。
4.如权利要求3所述的一种基于跳频的竞争随机接入方法，其特征在于，采用Zadoff-Chu序列来构造所述伪随机序列集合s_seq，从而确定移动用户的随机接入前导码seq(k)，对于跳时图案集合s_tmap的生成，当n_hop_t较小时，用枚举的方式列出所有可能的跳时图案，而当n_hop_t较大时，使用伪随机序列生成符合要求的跳时图案集合。
5.如权利要求1-4任一所述的一种基于跳频的竞争随机接入方法，其特征在于，在所述步骤3和步骤4中，多个移动用户发送相同的前导序列，则冲突的移动用户会从随机接入响应Msg2消息接收到相同的上行资源授权，Msg3消息在相同的时频资源上进行发送，此时多个移动用户间存在干扰，使得冲突的移动用户发送的消息不能解码；还包括竞争判决定时器，当移动用户在所述竞争判决定时器启动期间，成功接收到包含自己的竞争决议标识的Msg4消息，则认为本次随机接入成功，否则认为本次随机接入失败。
6.一种基于跳频的竞争随机接入装置，应用于基站/控制节点，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收移动用户发送Msg1消息，需要进行竞争随机接入的移动用户构造一个两维随机接入前导码，然后选择一个可用的随机接入时隙或者指定的随机接入时隙发送包含该两维随机接入前导码的随机接入Msg1消息，移动用户发送完随机接入前导码之后，将在指定的随机接入响应窗内监听下行信道，接收基站/控制节点发送的Msg2消息，所述随机接入响应窗的起始和结束由基站/控制节点设定，并作为部分***信息广播；
处理模块，用于基站/控制节点持续检测时帧中每一个随机接入时隙，记录检测到的随机接入前导码和随机前导码的传输时刻，并根据上述信息恢复每一个随机接入前导码相对应的跳时图案，然后根据跳时图案和随机接入前导码确定接收到的两维随机接入前导码；
发送模块，用于在随后的下行时隙，基站/控制节点发送随机接入响应Msg2消息，包含接收到的两维随机接入前导码标识、两维随机接入前导码相对应的Msg3消息的上行资源授权；
所述接收模块进一步用于接收移动用户发送Msg3消息，移动用户接收到基站/控制节点的随机接入响应Msg2后，在上行信道发送Msg3消息，并携带或者发送相关控制消息，所述相关控制消息包含了确切的随机接入过程的目的和相关信息，包括：连接建立请求、跟踪区域更新、调度请求，移动用户发送Msg3消息后，等待基站/控制节点发送的竞争判决Msg4消息；
所述处理模块进一步用于基站/控制节点对移动用户发送的Msg3消息进行正确解码，则该移动用户成功接入，所述发送模块进一步用于向移动用户发送竞争判决Msg4消息，竞争判决Msg4消息包含移动用户在Msg3消息中发送的竞争决议标识、成功接入的用户ID、随机接入结果与参数信息，基站/控制节点为竞争判决成功接入的移动用户分配数据传输所需的时频资源。
7.如权利要求6所述的一种基于跳频的竞争随机接入装置，其特征在于，所述竞争随机接入过程中，可用于发送一个随机接入前导码的时间长度为t_p，可用于发送有效数据的最小时间单位为t_min，所述t_min包括区分不同的发送有效数据的最小时间单位之间的必须的隔离时间，则所述处理模块按照如下方式构造两维随机接入前导码：
根据时间长度t_p和最小时间单位t_min，确定发送两维随机接入前导码的可用跳时时刻的数量n_hop_t = t_p/(t_min×n)，其中n为大于等于1的整数，并保证n_hop_t为整数；
根据跳时时刻的数量n_hop_t，确定最大跳时图案集合s_tmap，并根据跳时图案中跳时时刻的数量进一步将跳时图案分成n_s个跳时图案子集s_tmap_sub，那么这n_s个跳时图案子集s_tmap_sub用于支持n_s个等级的竞争随机接入优先级，跳频图案中包含的跳时时刻数量越多的子集表示的接入优先级越高；
根据时间单位t_min×n的大小，构造具有良好的自相关特性和互相关特性、能够有效区分不同码字的伪随机序列集合s_seq，设满足要求的集合中的伪随机序列的数量为n_seq，将这个伪随机序列集合分为m_s个伪随机序列子集s_seq_sub，其中m_s≤n_seq；
用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub(i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后在伪随机序列集合s_seq中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，称该码字为两维随机接入前导码的基础码字；
将确定的跳时图案tmap(j)和随机接入前导码seq(k)相结合，即在跳时图案tmap(j)确定的发送时刻发送随机接入前导码seq(k)，形成两维随机接入前导码seq_dim(tmap(j),seq(k))，用于用户发起竞争随机接入。
8. 如权利要求7所述的一种基于跳频的竞争随机接入装置，其特征在于，所述用户根据竞争随机接入优先级的需求，选择一个跳时图案子集s_tmap_sub (i)，并在该子集中选择一个跳时图案tmap(j)，然后按照确定的映射规则，根据所选择的跳时图案子集s_tmap_sub(i)确定相应的伪随机序列子集s_seq_sub(f(s_tmap_sub(i)))，并在该子集中选择一个伪随机序列作为随机接入前导码seq(k)，即两维随机接入前导码的基础码字。
9.如权利要求8所述的一种基于跳频的竞争随机接入装置，其特征在于，采用Zadoff-Chu序列来构造所述伪随机序列集合s_seq，从而确定移动用户的随机接入前导码seq(k)，对于跳时图案集合s_tmap的生成，当n_hop_t较小时，用枚举的方式列出所有可能的跳时图案，而当n_hop_t较大时，使用伪随机序列生成符合要求的跳时图案集合。
10.如权利要求6-9任一所述的一种基于跳频的竞争随机接入装置，其特征在于，多个移动用户发送相同的前导序列，则冲突的移动用户会从随机接入响应Msg2消息接收到相同的上行资源授权，Msg3消息在相同的时频资源上进行发送，此时多个移动用户间存在干扰，使得冲突的移动用户发送的消息不能解码；还包括竞争判决定时器，当移动用户在所述竞争判决定时器启动期间，成功接收到包含自己的竞争决议标识的Msg4消息，则认为本次随机接入成功，否则认为本次随机接入失败。
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