CN115665880A - 应用于短波通信***的随机接入方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于短波通信***的随机接入方法和装置，包括：向中心台站发送根据拟接入装置的地址标识确定的随机接入请求信号；在相邻时隙监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则随机接入成功；否则，随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数。本发明通过取消消息间的发送间隔时隙的方法，即在相邻时隙传输随机接入请求信号与随机接入响应信号，最少仅需两个时隙即可完成随机接入过程，减小了随机接入所需时间。

Description

应用于短波通信***的随机接入方法和装置

技术领域

本发明属于短波通信技术领域，具体涉及一种应用于短波通信***的随机接入方法和装置。

背景技术

短波通信主要通过电离层反射电磁波的方式进行，是唯一的、在无中继条件下支持数千公里以上超远距离信息传输的通信方式，具有覆盖范围广、抗毁能力强、自主通信能力及机动性好等特点，因此在应急救灾、海洋及边远地区信息服务、军事通信、外交通信等领域有着不可替代的价值，是不可或缺的一种应急保底通信方式。

目前针对传统短波通信***的通信链路建立主要采用自动链路建立(AutomaticLink Establishment，ALE)的方法加以实现。对于第三代ALE而言，多用户的链路建立需多个时隙，且随着用户数量的增多，建立时间也会相应增加，通常均在4秒以上，相当于平均在5个时隙以上。

对于高速短波通信***及宽带短波通信***，通常采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)等技术完成***的构建，相关创新多集中于物理层技术研究。

随机接入是4G/5G通信***中使用的上行链路同步及建立方法，涉及到物理层、媒体接入控制(MAC)层、无线链路控制(RLC)层、无线资源控制(RRC)层等。现有技术中随机接入协议有基于竞争和无竞争2种模式：在基于竞争模式中，采用依次发送msg1、msg2、msg3、msg4共4条消息的方式以完成随机接入过程；在无竞争模式，采用依次发送msg1、msg2共2条消息的方式以完成随机接入过程。在这2种模式中，每条消息占用一个时隙，在接收完前条消息后，要间隔若干个时隙才能发送下一条消息(时隙长度为1毫秒或以下)。如果将上述协议直接应用于时隙长度较长(通常为数百毫秒)的短波通信，无论哪种模式都存在随机接入过程完成时间较长的问题。

发明内容

发明目的：针对现有4G/5G技术中基于竞争或无竞争随机接入过程在短波通信应用中存在的所需时隙多、建立时间长的问题，本发明提出一种应用于短波通信***的随机接入方法和装置，最少仅需两个时隙即可完成短波通信***的随机接入过程，减小随机接入所需时间。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于短波通信***的随机接入方法，包括：

向中心台站发送随机接入请求信号，所述随机接入请求信号根据拟接入装置的地址标识确定；

监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则随机接入成功；否则，随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数；

其中，发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号在相邻时隙。

进一步的，所述随机接入请求信号满足：

所述随机接入请求信号的时长、保护时间间隔的时长，以及***接收处理与收发转换时间的时长的总和等于短波通信***单时隙的时长，其中：

所述保护时间间隔的时长，用于满足短波通信***对所述随机接入请求信号的传播距离的要求；

所述***接收处理与收发转换时间的时长，用于满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号进行检测，以及从接收所述随机接入请求信号到发送所述随机接入响应信号之间转换时间的要求。

进一步的，所述随机接入请求信号包括如下字段：循环前缀和前导码；其中：

所述前导码根据拟接入装置的地址标识确定；

所述循环前缀根据前导码确定，所述循环前缀的时长大于短波通信***无线信道的最大时延扩展。

进一步的，所述随机接入响应信号包括如下字段：子头、第二退避指示和中心台站从所述随机接入请求信号中解析得到的地址标识；

所述子头用于指示本字节后续内容类型以及是否为本帧最后一个字节；

所述第二退避指示为中心台站给出的下一次随机接入的退避时间间隔。

进一步的，所述向中心台站发送随机接入请求信号，包括如下步骤：

比较随机接入次数和最大随机接入次数，如果所述随机接入次数大于或等于所述最大随机接入次数，则随机接入失败；否则，

依据拟接入装置的地址标识生成所述随机接入请求信号；

若上次随机接入成功或者拟接入装置为首次随机接入中心台站，则发送功率不变；若上次随机接入不成功，则增大发送功率；

根据所述发送功率，向中心台站发送所述随机接入请求信号。

进一步的，若所述发送功率增大后超出了发送功率的范围，则设置发送功率为最大发送功率。

进一步的，在判断随机接入失败后，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，包括：

如果能够接收到随机接入响应信号，但未能解析得到该拟接入装置的地址标识，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，根据随机接入响应信号中的第二退避指示延迟相应的时隙，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败；

如果未能接收到随机接入响应信号，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败。

一种应用于短波通信***的随机接入装置，包括：

发送模块，用于向中心台站发送随机接入请求信号，所述随机接入请求信号根据拟接入装置的地址标识确定；

监控接收模块，用于监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则随机接入成功；否则，随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数；

其中，发送随机接入请求信号和监控并接收随机接入响应信号在相邻时隙。

进一步的，所述随机接入请求信号满足：

所述随机接入请求信号的时长、保护时间间隔的时长，以及***接收处理与收发转换时间的时长的总和等于短波通信***单时隙的时长，其中：

所述保护时间间隔的时长，用于满足短波通信***对所述随机接入请求信号的传播距离的要求；

所述***接收处理与收发转换时间的时长，用于满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号进行检测，以及从接收所述随机接入请求信号到发送所述随机接入响应信号之间转换时间的要求。

进一步的，所述随机接入请求信号包括如下字段：循环前缀和前导码；其中：

所述前导码根据拟接入装置的地址标识确定；

所述循环前缀根据前导码确定，所述循环前缀的时长大于短波通信***无线信道的最大时延扩展。

有益效果：与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明在现有的无竞争随机接入过程的基础上，拟接入装置首先在某一时隙向中心台站发送根据其地址标识确定的随机接入请求信号，然后在相邻的下一时隙监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则该拟接入装置随机接入成功；否则，该拟接入装置随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数；本发明在相邻时隙传输随机接入请求信号与随机接入响应信号，取消消息间的发送间隔时隙，最少仅需两个时隙即可完成随机接入过程，减小了随机接入所需时间。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种随机接入方法的流程图；

图2为本发明实施例中的一种随机接入方法的两个阶段与两个时隙、两次握手示意图；

图3为本发明实施例中的一种用户终端侧随机接入请求信号的构成图；

图4为本发明实施例中的一种随机接入响应信号的构成图；

图5为本发明实施例中的一种用户终端侧随机接入请求信号的发送流程图；

图6为本发明实施例中的一种用户终端侧随机接入请求信号发送传输的时隙时域结构图；

图7为本发明实施例中的一种中心台站侧随机接入请求信号监听处理的时隙时域结构图；

图8为本发明实施例中的一种用户终端侧随机接入响应信号的接收流程图；

图9为现有技术中随机接入过程的时隙分配图；

图10为本发明实施例中的一种随机接入装置的模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

一种应用于短波通信***的随机接入方法，如图1所示，包括如下步骤：

向中心台站发送随机接入请求信号，所述随机接入请求信号根据拟接入装置的地址标识确定；

监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则随机接入成功；否则，随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数；

其中，发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号在相邻时隙。

本实施例所述中心台站为负责所有拟接入装置接入资源(如地址、时隙等)分配与调度的短波设备，所述拟接入装置为拟入网用户终端。用户终端包括但不限于手机、平板电脑、桌面电脑等。

本实施例所述的一种短波通信***的快速随机接入方法，在现有的无竞争随机接入过程的基础上，在相邻时隙传输随机接入请求信号与随机接入响应信号，取消消息间的发送间隔时隙，最少仅需两个时隙即可完成随机接入过程，减小了随机接入所需时间。

进一步的，所述随机接入请求信号满足：

所述随机接入请求信号的时长、保护时间间隔的时长，以及***接收处理与收发转换时间的时长的总和等于短波通信***单时隙的时长，其中：

所述保护时间间隔的时长，用于满足短波通信***对所述随机接入请求信号的传播距离的要求；

所述***接收处理与收发转换时间的时长，用于满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号进行检测，以及从接收所述随机接入请求信号到发送所述随机接入响应信号之间转换时间的要求。

本实施例通过对传输随机接入请求信号的时隙结构进行设计，保证了中心台站能够在一个时隙内完成随机接入请求信号的接收和解析工作，同时为下一时隙发送随机接入响应信号做好准备，即实现了在相邻时隙传输随机接入请求信号与随机接入响应信号，取消消息间的发送间隔时隙。

进一步的，所述随机接入请求信号包括如下字段：循环前缀和前导码；其中：

所述前导码根据拟接入装置的地址标识确定；

所述循环前缀根据前导码确定，所述循环前缀的时长大于短波通信***无线信道的最大时延扩展。

进一步的，所述随机接入响应信号包括如下字段：子头、第二退避指示和中心台站从所述随机接入请求信号中解析得到的地址标识；

所述子头用于指示本字节后续内容类型以及是否为本帧最后一个字节；

所述第二退避指示为中心台站给出的下一次随机接入的退避时间间隔。

进一步的，所述向中心台站发送随机接入请求信号，包括如下步骤：

比较随机接入次数和最大随机接入次数，如果所述随机接入次数大于或等于所述最大随机接入次数，则随机接入失败；否则，

依据拟接入装置的地址标识生成所述随机接入请求信号；

若上次随机接入成功或者拟接入装置为首次随机接入中心台站，则发送功率不变；若上次随机接入不成功，则增大发送功率；

根据所述发送功率，向中心台站发送所述随机接入请求信号。

进一步的，若所述发送功率增大后超出了发送功率的范围，则设置发送功率为最大发送功率。

进一步的，在判断随机接入失败后，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，包括：

如果能够接收到随机接入响应信号，但未能解析得到该拟接入装置的地址标识，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，根据随机接入响应信号中的第二退避指示延迟相应的时隙，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败；

如果未能接收到随机接入响应信号，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败。

实施例2：

本实施例公开了一种应用于短波通信***的随机接入方法，所述短波的频率范围可以为1.6MHz-30MHz，针对现有技术中基于竞争或无竞争随机接入过程在短波通信应用中存在的所需时隙多、建立时间长的问题，本实施例提出一种仅采用msg1、msg2两条消息，应用于短波通信***的两阶段的快速随机接入方法，且msg1和msg2在时隙上相邻，极大降低短波通信***随机接入过程所需时间。

本实施例所述快速随机接入方法包括：在预配置即参数初始化的基础上，采用两个时隙、两次握手、两个阶段完成短波通信***中用户终端和中心台站之间的随机接入过程。如图2所示，即：

第一阶段：在第一个时隙、采用第一次握手进行的随机接入请求信号传输；

第二阶段：在第二个时隙、采用第二次握手进行的随机接入响应信号传输。

在现有的无竞争随机接入过程的基础上，本实施例通过取消消息间的发送间隔时隙的方法，即在相邻时隙传输随机接入请求信号与随机接入响应信号，最少仅需两个时隙即可完成随机接入过程，减小了随机接入所需时间。

对上述过程的具体说明如下：

预配置(参数初始化)

中心台站及用户终端完成参数初始化，具体的：

中心台站根据所有用户终端的地址标识及所有用户终端的数量确定前导码序列规则，并将每个用户终端的地址标识及确定的前导码序列规则提前配置给每个用户终端。其中，用户终端的地址标识的范围及具体数值由中心台站预先设定。前导码序列规则限定了每个用户终端的地址标识与根据该地址标识生成的前导码之间的一一对应关系，根据前导码序列规则生成与用户终端的地址标识一一对应的前导码，且前导码应尽可能满足零自相关、低互相关和恒幅低峰均比等特点，如ZC(Zadoff-Chu)序列、PN(Pseudo—Noise)序列等，从而在接收端便于通过相关检测实现不同前导码的识别以及准确获取传输时间校准值的目的。

当某用户终端的随机接入流程被触发时，该用户终端即为拟入网用户终端，该拟入网用户终端将前导码发送计数、前导码最大发送次数、功率调整计数、第一退避指示等参数进行初始化。其中：

前导码发送计数用于统计前导码发送的次数，前导码发送计数即随机接入次数。

前导码最大发送次数为大于或等于零的整数，用于确定在随机接入过程中的前导码的最大可发送次数，前导码最大发送次数即最大随机接入次数，具体数值与短波通信***对随机接入最大花费时间的要求等因素有关，特殊的，当前导码最大发送次数为零时，表示当前该用户终端不允许接入短波通信***的当前中心台站；

功率调整计数用于表示发送前导码的发送功率所调整的次数，每个功率调整计数对应一个发送功率，表示为P_{功率调整计数}，且功率调整计数增加，对应的发送功率提高，当未能随机接入成功时，令功率调整计数数值加1，即提高发送功率；

第一退避指示为下一次随机接入的退避时间间隔，不同拟入网用户终端的第一退避指示数值通常应不同，因此延迟第一退避指示对应的退避时间间隔后再进行随机接入可以提高整个***的随机接入成功率。

第一阶段：随机接入请求信号传输

在该阶段，拟入网用户终端向中心台站发送随机接入请求信号，包括步骤：

S101、比较前导码发送计数和前导码最大发送次数，如果前导码发送计数小于前导码最大发送次数，转到步骤S102；否则，结束随机接入请求信号发送传输流程，随机接入失败；

S102、依据中心台站所定前导码序列规则与自身地址标识生成前导码，基于前导码生成随机接入请求信号；

S103、依据上次随机接入是否成功确定功率调整计数是否加1，若上次随机接入成功则功率调整计数不变，若上次随机接入不成功则功率调整计数加1，并设置发送功率为P_{功率调整计数}；

S104、拟入网用户终端以步骤S103中的发送功率向中心台站发送包含前导码的随机接入请求信号。

步骤S103中，若为首次随机接入，即不存在上次随机接入，则功率调整计数不变。

步骤S103中，若功率调整计数加1后超出了功率调整计数的范围，则直接设置发送功率为功率调整计数最大值对应的发送功率。

单时隙内随机接入请求信号由两部分组成：循环前缀CP和前导码Sequence，对应时长分别为T_CP和T_SEQ。用户终端发送的随机接入请求信号的结构图如图3所示。

循环前缀CP时长T_CP应大于无线信道的最大时延扩展。短波通信***的多径时延扩展与小区半径和无线信道传播环境相关，但只要最大时延扩展小于循环前缀CP时长T_CP，就能保证接收端积分区间内包含的各子载波在各径下的整数波形，从而消除多径带来的符号间干扰和子载波间的干扰(ICI)，循环前缀CP通过对前导码进行循环移位实现。

前导码Sequence应尽可能满足零自相关、低互相关和恒幅低峰均比等特点，如ZC序列、PN序列等，从而在接收端便于通过相关检测实现不同前导码的识别以及准确获取传输时间校准值的目的。

该时隙内，在随机接入请求信号占用的时间之后，还应包括一段保护时间，在保护时间内不进行信号的传输。保护时间分为保护时间间隔GP以及***接收处理与收发转换时间IDLE，对应时长分别为T_GP和T_IDLE，因此单时隙时长T_单时隙＝T_CP+T_SEQ+T_GP+T_IDLE。

保护时间间隔GP主要用于克服接入时隙中的传播时延以及其他用户终端链路的干扰，其时长T_GP决定了能够支持的小区最大传播距离smax，两者关系为smax＝T_GP×c/2(c为光速)，因此保护时间间隔GP的时长T_GP越大，所支持的小区传播距离也越大，因此保护时间间隔GP时长T_GP应满足短波通信***对传播距离的要求。

***接收处理与收发转换时间IDLE主要用于中心台站终端接收处理前导码以及完成收发转换等，以保证在第一时隙结束前中心台站可完成随机接入请求信号接收处理、在下一时隙开始时中心台站可按时发出随机接入响应信号，因此***接收处理与收发转换时间IDLE时长T_IDLE应满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号中的前导码进行检测以及收发转换等时间的要求。

综上所述，在短波通信***的单时隙时长固定的情况下，随机接入请求信号中各部分满足：

循环前缀CP时长T_CP大于无线信道的最大时延扩展；

循环前缀CP时长T_CP、前导码Sequence时长T_SEQ满足：单时隙时长T_单时隙＝T_CP+T_SEQ+T_GP+T_IDLE，其中，保护时间间隔GP时长T_GP满足短波通信***对传播距离的要求，***接收处理与收发转换时间IDLE时长T_IDLE满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号中的前导码进行检测以及收发转换等时间的要求。

本实施例对传输随机接入请求信号的时隙结构(循环前缀CP时长、保护时间间隔GP时长、***接收处理与收发转换时间IDLE时长)进行设计，保证了中心台站能够在一个时隙内完成随机接入请求信号的接收和解析工作，同时为下一时隙发送随机接入响应信号做好准备。

第二阶段：随机接入响应信号传输

当中心台站在随机接入请求信号发送传输阶段从前导码中获得了当前时隙请求随机接入的一个或多个用户终端的地址标识ADDRESS_ID，则在下一时隙中心台站向所有用户终端发送随机接入响应信号，同时拟入网用户终端进入随机接入响应接收阶段。

中心台站发送的随机接入响应信号MAC PDU由多个字节组成，包括子头、第二退避指示、地址标识、数据等内容，具体构成规则如图4所示。

其中，子头用于指示本字节后续内容类型以及是否为本帧最后一个字节等。内容类型包括：

第二退避指示BI，为中心台站给出的下一次随机接入的退避时间间隔。本实施例中，中心台站可以根据当前拟入网用户终端数量或其他标准给出下一次随机接入的退避时间间隔，其中，中心台站可以根据接收到的随机接入请求信号情况确定当前拟入网用户终端数量；

地址标识ADDRESS_ID，为中心台站在随机接入请求信号发送传输阶段的IDLE时间内所盲检出的一个或多个请求随机接入的用户终端地址标识；

数据DATA，为中心台站下发给请求随机接入的用户终端的数据内容(如定时提前(Timing Advance，TA)等)。

随机接入响应信号MAC PDU中，每个地址标识的内容类型后紧随一个数据的内容类型，表示下发给该地址标识对应用户终端的数据内容。

本阶段中，拟入网用户终端侧随机接入响应信号的接收方法如下：

S201、随机接入请求信号发送传输结束之后，在下一时隙开始监控中心台站发送的随机接入响应信号：

如果接收到随机接入响应信号，则转到步骤S202；

如果未接收到随机接入响应信号，则转到步骤S204；

S202、将第一退避指示置为随机接入响应信号中的第二退避指示BI字段；

判断随机接入响应信号中是否包含自身ADDRESS_ID，如果包含则同时接收紧随的后续DATA内容并认为随机接入成功，否则认为随机接入失败，并转到步骤S203；

S203、判断前导码发送计数是否小于前导码最大发送次数，若是，则所述前导码发送计数加1，延迟第一退避指示对应的退避时间间隔，返回用户终端侧随机接入请求信号发送传输阶段的步骤S103，并继续执行后续随机接入请求信号发送传输步骤；否则认为随机接入失败；

S204、将第一退避指示置为0，判断前导码发送计数是否小于前导码最大发送次数，若是，则所述前导码发送计数加1，延迟第一退避指示对应的退避时间间隔(由于第一退避指示置为0，因此这里实际不延迟)，返回用户终端侧随机接入请求信号发送传输阶段的步骤S103，并继续执行后续随机接入请求信号发送传输步骤；否则认为随机接入失败。

实施例3：

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，本实施例将以南京为中心、南京-北京为半径的大圆作为网络覆盖范围对本发明进一步详细说明。应当理解，本实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、预配置——参数初始化

本实施例涉及到的主要参数包括但不限于下述参数：

ADDRESS_ID：短波终端即用户终端的地址标识；

PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER：前导码发送计数；

PREAMBLE_TRANSMISSION_MAX：前导码最大发送次数；

PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER：功率调整计数；

PREAMBLE_BACKOFF1：第一退避指示。

其中，ADDRESS_ID为用户终端的唯一地址标识，范围为000～837，预先由中心台站负责设定。

同时，中心台站根据所有用户终端的地址标识及数量生成前导码序列规则，本实施例中，前导码序列规则如下：

根据映射表将用户终端的地址标识ADDRESS_ID映射为一一对应的u值，u值的范围为1～838；

以u值为根生成长度为839的Zadoff–Chu序列(后文简称ZC序列)，所述ZC序列即为对应该用户终端的地址标识的前导码。

其中，本实施例的映射表可以如表1所示，但ADDRESS_ID与u之间的对应关系不限于表1：

表1 ADDRESS_ID与u之间的映射表

其中，以u值为根生成长度为839的ZC序列，生成公式如下：

x_u[n]＝exp[-jπun(n+1)/N_ZC](1)

其中，x_u为生成的ZC序列，N_ZC为ZC序列的长度，此处N_ZC＝839，n＝0,1,…,N_ZC-1，exp表示以自然常数e为底的指数函数，j为虚数符号，π为圆周率。

前导码最大发送次数PREAMBLE_TRANSMISSION_MAX为大于或等于零的整数，用于确定在随机接入过程中的前导码的最大可发送次数，具体数值与***对随机接入最大花费时间等因素有关，这里初始化PREAMBLE_TRANSMISSION_MAX＝3。

用户发送功率P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}通常有低、中、高功率三档(P_低、P_中、P_高)，用户终端在进行前导码发送时，通常从低功率P_低开始发送，当未能随机接入成功时应提高发送功率直至最大。因此，此处功率调整计数范围为1～3，对应于低、中、高功率三档，且功率调整计数PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER初始化值为1，也即初始化P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}＝P₁＝P_低。

中心台站将所有用户终端的地址标识提前配置给各用户终端。假设拟入网用户终端数量为32，拟入网用户终端的地址标识ADDRESS_ID为000～031，根据表1所示映射表以及公式(1)可获得32个拟入网用户终端的对应u值以及前导码。对于中心台站及各拟入网用户终端而言，公式(1)和映射表均为已知，这也就意味着拟入网用户终端的地址标识ADDRESS_ID、u值和前导码三者只需知其一，其他两项均可获得唯一对应内容。

当某拟入网用户终端随机接入流程被触发时，该拟入网用户终端将前导码发送计数PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER置0，前导码最大发送次数PREAMBLE_TRANSMISSION_MAX置3，功率调整计数PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER置1，第一退避指示PREAMBLE_BACKOFF1置0。

二、第一阶段——随机接入请求信号传输

假设网络中所有用户终端都采用相同的时钟，网络中所有用户终端同时切换频率，且知道网络中其它用户终端所处的频率和时隙。

拟入网用户终端的用户终端侧随机接入请求信号发送传输方法如下：

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER大于或等于PREAMBLE_TRANSMISSION_MAX，结束随机接入请求信号发送传输流程，随机接入失败；否则：

拟入网用户终端依据表1将自身用户地址标识ADDRESS_ID映射为u，再根据式(1)生成长度为839的ZC序列，并基于生成的ZC序列即前导码生成随机接入请求信号；

拟入网用户终端依据上次随机接入是否成功确定PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER是否加1，若上次随机接入成功或为首次随机接入则PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER不变，若上次随机接入不成功则PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER加1，并设置发送功率为P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}，这里若功率调整计数加1后大于3，则直接设置发送功率为P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}＝P₃；

拟入网用户终端以发送功率P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}向中心台站发送随机接入请求信号。

随机接入请求信号发送流程如图5所示。

假设短波通信***采用OFDM方式进行设计，其参数可为：标称带宽BW＝48kHz，FFT(快速傅里叶变换)采样点数1024，子载波个数624，基带采样速率f_S＝73728，采样间隔T_S＝1/f_S≈0.0136ms，子载波间隔Δf＝72Hz，单个时隙内OFDM符号数N_sym＝14，各OFDM符号长度分别为14.9740ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms、14.9740ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms、14.8655ms，则可知单时隙时长等于单个时隙内14个OFDM符号长度之和，即T_单时隙≈208.334ms。

单时隙内随机接入请求信号的结构由两部分组成，循环前缀CP和前导码Sequence，对应采样点数分别为N_CP和N_SEQ，相应时长为T_CP和T_SEQ。该时隙内，在随机接入请求信号占用的时间之后，还应包括一段保护时间，保护时间分为保护时间间隔GP以及***接收处理与收发转换时间IDLE，对应采样点数分别为N_GP和N_IDLE，相应时长分别为T_GP和T_IDLE。

其中：

前导码Sequence由上述生成长度为839的ZC序列方法完成，对应的采样点数N_SEQ＝12288，时长T_SEQ＝N_SEQ*T_s＝N_SEQ/f_s＝12288/73728≈166.6667ms。

循环前缀CP时长T_CP应大于无线信道的最大时延扩展。短波通信***的多径时延扩展与小区半径和无线信道传播环境相关，只要最大时延扩展小于CP时长，就能保证接收端积分区间内包含的各子载波在各径下的整数波形，从而消除多径带来的符号间干扰和子载波间的干扰(ICI)。在进行短波天波通信时，发射端发射信号中的部分信号只经过电离层一次反射就到达接收端；部分信号在经电离层反射回地面后再次被反射到电离层，经电离层第二次反射到达接收端；有的信号甚至需要经过电离层三至四次反射后才到达接收端。多径现象中一般为2、3、4条路径，出现概率为85％，其中以出现3条路径的情况最多。另外，经大量的数据统计：在中长距离传输***中，绝大部分的多径时延在0.2～5ms之间，但是极少情况下最大时延达8ms。一般情况下，99.5％的多径时延不小于0.5ms，50％的多径时延不小于1.4ms，仅有0.5％的多径时延超过5ms。据此，本实施例中循环前缀CP采样点数N_CP＝792，相应时长T_CP＝N_cp/f_s＝792/73728≈10.7422ms，满足大于无线信道的最大时延扩展的要求。

保护时间间隔GP主要用于克服接入时隙中的传播时延以及其他用户终端链路的干扰，其时长决定了能够支持的小区传播距离。保护时间间隔GP时长T_GP越大，所支持的小区传播距离也越大。当采用南京-北京短波天波传播模式时，地面距离约为1000km，传播距离在1500km左右(因电离层影响，与年份、季节、日夜等有关)。本实施例中保护时间间隔GP采样点数N_GP＝1488，相应时长T_GP＝N_GP/f_s＝1488/73728≈20.1823ms，支持的传播距离为20.1823*0.001*3*10^8/2＝3027.345km，满足当前南京-北京天波传播模式时***对传播距离的覆盖范围。

***接收处理与收发转换时间IDLE主要用于中心台站接收处理前导码的时间以及进行收发转换的时间等。本实施例中，***接收处理与收发转换时间IDLE采样点数N_IDLE＝792，相应时长T_IDLE＝N_IDLE/f_s＝792/73728≈10.7422ms，完全满足当前***软硬件对长度为839的前导码进行检测以及收发转换等时间的要求。

且上述T_CP+T_SEQ+T_GP+T_IDLE≈T_单时隙，满足随机接入请求信号中各部分要求。

对于单时隙内拟入网用户终端侧随机接入请求信号发送传输的时隙时域结构图如图6所示。

中心台站在随机接入请求信号发送传输中的T_CP、T_SEQ和部分T_GP时间内处于监听状态，如果接收到拟入网用户终端侧发来的随机接入请求信号，则在部分T_GP(传播距离<小区最大支持传播距离的用户)及T_IDLE时间内完成32个拟入网用户对应u值的前导码的盲检和识别工作，如果检测出其中某一前导码，则依据上述表1和公式(1)进一步完成从前导码到u值、从u值到用户终端地址标识的逆映射，获得当前时隙请求随机接入的一个或多个用户终端地址标识，同时完成收发转换，做好发射信号准备。

对于单时隙内中心台站随机接入监听处理的时隙时域结构图如图7所示。

三、第二阶段——随机接入响应信号传输

当中心台站在随机接入请求信号发送传输阶段获得了当前时隙请求随机接入的一个或多个用户终端地址标识ADDRESS_ID，则在下一时隙中心台站向所有用户终端发送随机接入响应信号，同时拟入网用户终端侧进入随机接入响应信号接收阶段。

中心台站随机接入响应信号MAC PDU由多个字节组成，其中：

子头用于指示本字节后续内容类型以及是否为本帧最后一个字节等。如BI为中心台站依据当前拟入网用户终端数量给出的下一次随机接入的退避时间间隔，当前拟入网用户终端数量越多，下一次随机接入的退避时间间隔越长；ADDRESS_ID为中心台站在随机接入请求信号发送传输阶段的部分GP及IDLE时间内所盲检出的一个或多个请求随机接入的用户终端地址标识；DATA为中心台站下发给用户终端的数据内容(如定时提前TA等)。

拟入网用户终端的用户终端侧随机接入响应信号接收方法如下：

随机接入请求信号发送传输结束之后，在下一时隙开始监控中心台站发送的随机接入响应信号；

如果接收到随机接入响应信号，则：

将PREAMBLE_BACKOFF1置为BI字段；

如果随机接入响应信号中包含自身ADDRESS_ID，则同时接收后续DATA内容并认为随机接入成功，否则：

如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER≥PREAMBLE_TRANSMISSION_MAX，则认为随机接入失败，否则PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1，延迟PREAMBLE_BACKOFF1个时隙，返回用户终端侧随机接入请求信号发送传输阶段“拟入网用户终端依据上次随机接入是否成功确定PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER是否加1，若上次随机接入成功或为首次随机接入则PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER不变，若上次随机接入不成功则PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER加1，并设置发送功率为P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}，这里若功率调整计数加1后大于3，则直接设置发送功率为P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}＝P₃”并继续执行后续随机接入请求信号发送传输步骤；

如果没有接收到随机接入响应信号，则：

将PREAMBLE_BACKOFF1置为0，如果PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER≥PREAMBLE_TRANSMISSION_MAX，则认为随机接入失败，否则PREAMBLE_TRANSMISSION_COUNTER加1，延迟PREAMBLE_BACKOFF1个时隙，返回用户终端侧随机接入请求信号发送传输阶段“拟入网用户终端依据上次随机接入是否成功确定PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER是否加1，若上次随机接入成功或为首次随机接入则PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER不变，若上次随机接入不成功则PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER加1，并设置发送功率为P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}，这里若功率调整计数加1后大于3，则直接设置发送功率为P_{PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER}＝P₃”并继续执行后续随机接入请求信号发送传输步骤。

拟入网用户终端侧随机接入响应接收流程如图8所示。

本实施例中，由于ZC序列良好的自相关与互相关性，因此中心台站很容易在部分GP及IDLE时间内完成32个用户终端的随机接入请求信号的分析与识别工作。故而，通常情况下，只需两个时隙(约416ms)即可完成32个用户终端的随机接入过程，实现同步组网。

采用现有4G/5G技术中含msg1、msg2、msg3、msg4四条消息的基于竞争的随机接入过程，并假设各消息之间间隔取最小值，具体时隙分配见图9，即msg1消息发出后间隔2个时隙发出msg2消息，msg2消息发出后间隔2个时隙发出msg3消息，msg3消息发出后下个时隙发出msg4消息，在最理想的情况下，msg4消息发出后即随机接入成功，则可知此时需要最少8个时隙；类似地，采用现有技术中含msg1、msg2二条消息的无竞争随机接入过程，并假设各消息之间间隔取最小值，即msg1消息发出后间隔2个时隙发出msg2消息，在最理想的情况下，msg2消息发出后即随机接入成功，则需要最少4个时隙。本实施例所采用的短波通信***随机接入方法完成短波通信链路建立所花费的时隙要远小于现有4G/5G技术中随机接入过程所使用的时隙，接入成功时间也随之大大缩短。

实施例4：

本实施例公开了一种应用于短波通信***的随机接入装置，如图10所示，包括：

发送模块，向中心台站发送随机接入请求信号，所述随机接入请求信号根据拟接入装置的地址标识确定；

监控接收模块，监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则随机接入成功；否则，随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数；

其中，发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号在相邻时隙。

进一步的，发送模块中，所述随机接入请求信号满足：

所述随机接入请求信号的时长、保护时间间隔的时长，以及***接收处理与收发转换时间的时长的总和等于短波通信***单时隙的时长，其中：

所述保护时间间隔的时长，用于满足短波通信***对所述随机接入请求信号的传播距离的要求；

所述***接收处理与收发转换时间的时长，用于满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号进行检测，以及从接收所述随机接入请求信号到发送所述随机接入响应信号之间转换时间的要求。

进一步的，发送模块中，所述随机接入请求信号包括如下字段：循环前缀和前导码；其中：

所述前导码根据拟接入装置的地址标识确定；

所述循环前缀根据前导码确定，所述循环前缀的时长大于短波通信***无线信道的最大时延扩展。

进一步的，监控接收模块中，所述随机接入响应信号包括如下字段：子头、第二退避指示和中心台站从所述随机接入请求信号中解析得到的地址标识；

所述子头用于指示本字节后续内容类型以及是否为本帧最后一个字节；

所述第二退避指示为中心台站给出的下一次随机接入的退避时间间隔。

进一步的，发送模块中，所述向中心台站发送随机接入请求信号，包括如下步骤：

比较随机接入次数和最大随机接入次数，如果所述随机接入次数大于或等于所述最大随机接入次数，则随机接入失败；否则，

依据拟接入装置的地址标识生成所述随机接入请求信号；

若上次随机接入成功或者拟接入装置为首次随机接入中心台站，则发送功率不变；若上次随机接入不成功，则增大发送功率；

根据所述发送功率，向中心台站发送所述随机接入请求信号。

进一步的，发送模块中，若所述发送功率增大后超出了发送功率的范围，则设置发送功率为最大发送功率。

进一步的，监控接收模块中，在判断随机接入失败后，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，包括：

如果能够接收到随机接入响应信号，但未能解析得到该拟接入装置的地址标识，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，根据随机接入响应信号中的第二退避指示延迟相应的时隙，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败；

如果未能接收到随机接入响应信号，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败。

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。

Claims (10)

1.一种应用于短波通信***的随机接入方法，其特征在于，包括：

向中心台站发送随机接入请求信号，所述随机接入请求信号根据拟接入装置的地址标识确定；

监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则随机接入成功；否则，随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数；

其中，发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号在相邻时隙。

2.根据权利要求1所述的一种应用于短波通信***的随机接入方法，其特征在于，所述随机接入请求信号满足：

所述随机接入请求信号的时长、保护时间间隔的时长，以及***接收处理与收发转换时间的时长的总和等于短波通信***单时隙的时长，其中：

所述保护时间间隔的时长，用于满足短波通信***对所述随机接入请求信号的传播距离的要求；

所述***接收处理与收发转换时间的时长，用于满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号进行检测，以及从接收所述随机接入请求信号到发送所述随机接入响应信号之间转换时间的要求。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于短波通信***的随机接入方法，其特征在于，所述随机接入请求信号包括如下字段：循环前缀和前导码；其中：

所述前导码根据拟接入装置的地址标识确定；

所述循环前缀根据前导码确定，所述循环前缀的时长大于短波通信***无线信道的最大时延扩展。

4.根据权利要求1所述的一种应用于短波通信***的随机接入方法，其特征在于，所述随机接入响应信号包括如下字段：子头、第二退避指示和中心台站从所述随机接入请求信号中解析得到的地址标识；

所述子头用于指示本字节后续内容类型以及是否为本帧最后一个字节；

所述第二退避指示为中心台站给出的下一次随机接入的退避时间间隔。

5.根据权利要求3所述的一种应用于短波通信***的随机接入方法，其特征在于，所述向中心台站发送随机接入请求信号，包括如下步骤：

比较随机接入次数和最大随机接入次数，如果所述随机接入次数大于或等于所述最大随机接入次数，则随机接入失败；否则，

依据拟接入装置的地址标识生成所述随机接入请求信号；

若上次随机接入成功或者拟接入装置为首次随机接入中心台站，则发送功率不变；若上次随机接入不成功，则增大发送功率；

根据所述发送功率，向中心台站发送所述随机接入请求信号。

6.根据权利要求5所述的一种应用于短波通信***的随机接入方法，其特征在于，若所述发送功率增大后超出了发送功率的范围，则设置发送功率为最大发送功率。

7.根据权利要求1所述的一种应用于短波通信***的随机接入方法，其特征在于，在判断随机接入失败后，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，包括：

如果能够接收到随机接入响应信号，但未能解析得到该拟接入装置的地址标识，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，根据随机接入响应信号中的第二退避指示延迟相应的时隙，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败；

如果未能接收到随机接入响应信号，则：

判断随机接入次数是否小于最大随机接入次数，若小于，则所述随机接入次数加1，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号；若不小于，则达到最大随机接入次数，随机接入失败。

8.一种应用于短波通信***的随机接入装置，其特征在于，包括：

发送模块，用于向中心台站发送随机接入请求信号，所述随机接入请求信号根据拟接入装置的地址标识确定；

监控接收模块，用于监控并接收中心台站发送的随机接入响应信号，若能够接收到所述随机接入响应信号并且能够从所述随机接入响应信号中解析得到该拟接入装置的地址标识，则随机接入成功；否则，随机接入失败，重新向中心台站发送随机接入请求信号、监控并接收随机接入响应信号，直到随机接入成功，或者达到最大随机接入次数；

其中，发送随机接入请求信号和监控并接收随机接入响应信号在相邻时隙。

9.根据权利要求8所述的一种应用于短波通信***的随机接入装置，其特征在于，所述随机接入请求信号满足：

所述随机接入请求信号的时长、保护时间间隔的时长，以及***接收处理与收发转换时间的时长的总和等于短波通信***单时隙的时长，其中：

所述保护时间间隔的时长，用于满足短波通信***对所述随机接入请求信号的传播距离的要求；

所述***接收处理与收发转换时间的时长，用于满足短波通信***软硬件对随机接入请求信号进行检测，以及从接收所述随机接入请求信号到发送所述随机接入响应信号之间转换时间的要求。

10.根据权利要求8或9所述的一种应用于短波通信***的随机接入装置，其特征在于，所述随机接入请求信号包括如下字段：循环前缀和前导码；其中：

所述前导码根据拟接入装置的地址标识确定；

所述循环前缀根据前导码确定，所述循环前缀的时长大于短波通信***无线信道的最大时延扩展。

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