基于多功率電平-多前導(dǎo)的mMTC免授權(quán)隨機(jī)接入方案

王靖文, 張 晶,3,*, 梁楚龍

(1. 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 江蘇 南京 210003; 2. 南京郵電大學(xué)江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210003; 3. 南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)研究院,江蘇 南京 210003; 4. 中興通訊股份有限公司, 廣東 深圳 518057)

0 引 言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展和其在智能家居、智能制造、智能交通等領(lǐng)域應(yīng)用的快速演進(jìn),無線終端設(shè)備的數(shù)量和移動(dòng)數(shù)據(jù)流量迅速增長,大規(guī)模機(jī)器類型通信(massive machine type communication,mMTC)[1-3]應(yīng)運(yùn)而生,成為5G的三大場景之一,亦是當(dāng)前無線通信的研究熱點(diǎn)。與人-人(human-to-human,H2H)通信不同,mMTC呈現(xiàn)出全新的特點(diǎn)[4]:① 設(shè)備數(shù)量龐大且設(shè)備類型眾多;② 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)零星突發(fā);③ 上行數(shù)據(jù)包較短。mMTC的全新特征給無線接入技術(shù)帶來了全新挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的授權(quán)多址接入技術(shù)應(yīng)用于mMTC將產(chǎn)生龐大的控制信令開銷,有限的導(dǎo)頻資源也決定了不可能將正交前導(dǎo)序列分配給每個(gè)設(shè)備。如何以高頻譜效率和低信令開銷應(yīng)對大規(guī)模終端的隨機(jī)接入,成為當(dāng)前無線通信亟待解決的重要問題。

針對mMTC終端隨機(jī)接入的研究工作已經(jīng)開展了很多[5-7]。根據(jù)終端接入過程是否需要基站授權(quán),現(xiàn)有隨機(jī)接入?yún)f(xié)議可分為授權(quán)隨機(jī)接入和免授權(quán)隨機(jī)接入兩類。長期演進(jìn)(long term evolution, LTE)支持的4-Step授權(quán)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議包含4個(gè)步驟[8-12]:① 前導(dǎo)發(fā)送(接入競爭);② 隨機(jī)接入響應(yīng);③ L2/L3控制信息的發(fā)送;④ 數(shù)據(jù)傳輸/接入沖突的解決。為了降低信令開銷,5G提出了2-Step免授權(quán)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議[13-14],它包含兩個(gè)步驟:① 前導(dǎo)發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸;② 隨機(jī)接入響應(yīng)。免授權(quán)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議大大降低了終端功耗,更適合mMTC場景下的小包數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。將免授權(quán)隨機(jī)接入與多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)技術(shù)相結(jié)合,基站利用多天線的空間分集效應(yīng),可以實(shí)現(xiàn)近乎完美的前導(dǎo)檢測,從而有效提升用戶的上行隨機(jī)接入性能,并提高無線頻譜利用率。因此,基于MIMO的免授權(quán)隨機(jī)接入成為當(dāng)前mMTC 的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

MIMO技術(shù)雖然從空域上擴(kuò)展了隨機(jī)接入的前導(dǎo)集合空間,并提高了前導(dǎo)檢測性能,但其內(nèi)在的導(dǎo)頻污染和信道相關(guān)性亦帶來了嚴(yán)重的前導(dǎo)碰撞問題,如何降低大規(guī)模隨機(jī)接入的前導(dǎo)碰撞依然是一個(gè)難題。傳統(tǒng)的解決方案是采用單正交前導(dǎo)(single orthogonal preamble, SOP)序列輔助接入競爭[15]。由于正交前導(dǎo)數(shù)量有限,隨機(jī)接入沖突率依然較高。為了降低前導(dǎo)碰撞,文獻(xiàn)[16]提出了級聯(lián)正交前導(dǎo)(concatenated orthogonal preamble, COP)方案,其中多個(gè)正交子前導(dǎo)順序傳輸而形成級聯(lián)前導(dǎo)。該方案提升了用戶的接入概率,但如何設(shè)計(jì)正交的子前導(dǎo)是一個(gè)難題。與文獻(xiàn)[16]類似,文獻(xiàn)[17-18]均設(shè)計(jì)了基于多時(shí)隙傳輸多正交前導(dǎo)的免授權(quán)隨機(jī)接入方案;其中,文獻(xiàn)[17]利用大規(guī)模MIMO的準(zhǔn)正交特性提出了一種可靠的前導(dǎo)檢測算法,來檢測組合前導(dǎo),文獻(xiàn)[18]采用假設(shè)校驗(yàn)來檢測未使用的組合前導(dǎo)。盡管組合前導(dǎo)有效提升了隨機(jī)接入概率,但其占用的多個(gè)競爭時(shí)隙導(dǎo)致了頻譜效率的下降。為此,文獻(xiàn)[19]提出了一種基于大規(guī)模MIMO的前導(dǎo)-數(shù)據(jù)疊加隨機(jī)接入(massive preamble-data superposition random access, mPDSRA)方案,它允許一個(gè)用戶的前導(dǎo)傳輸與另一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸共享信道,以此提升頻譜效率,但該方案要求所有用戶具有相同的數(shù)據(jù)包長度。

將非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)技術(shù)[20-23]應(yīng)用于mMTC終端的隨機(jī)接入,可以進(jìn)一步提高隨機(jī)接入效率和頻譜利用率。文獻(xiàn)[24]提出了一種基于功率域NOMA(power domain NOMA,PD-NOMA)的免授權(quán)多址接入框架,通過在一個(gè)資源塊上支持多個(gè)用戶通信,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模終端的免授權(quán)接入傳輸。但是,由于用戶隨機(jī)選擇資源塊且不知道每個(gè)資源塊的爭用狀態(tài)[25],每個(gè)資源塊上的用戶接入沖突比較嚴(yán)重?？紤]到mMTC終端的隨機(jī)分布特性和突發(fā)傳輸特性,文獻(xiàn)[26]提出了一種分布式NOMA傳輸方案,終端隨機(jī)選擇功率電平傳輸數(shù)據(jù),基站對接收到的多用戶信號(hào)采用順序干擾抵消(sequential interference cancellation,SIC)技術(shù)逐一進(jìn)行恢復(fù),但是該方案的碰撞概率依舊較高。為了進(jìn)一步降低碰撞概率,文獻(xiàn)[27]在文獻(xiàn)[26]的基礎(chǔ)上,提出了一種低復(fù)雜度分層免授權(quán)NOMA框架,其中mMTC終端根據(jù)位置獨(dú)立選擇其傳輸功率電平。

綜上所述,現(xiàn)有的mMTC終端免授權(quán)隨機(jī)接入方案,或者受限于正交前導(dǎo)碼的數(shù)量約束,或者受限于NOMA技術(shù)的干擾約束,隨機(jī)接入效率均非常有限。為此,本文結(jié)合多前導(dǎo)方案和NOMA技術(shù),提出了一種高效的mMTC終端免授權(quán)隨機(jī)接入方案。該方案充分利用多前導(dǎo)組合擴(kuò)展前導(dǎo)集合空間,同時(shí)利用NOMA-SIC技術(shù)[28-30]復(fù)用頻譜資源,實(shí)現(xiàn)了用戶終端在碼域和功率域二維空間上的隨機(jī)接入,有效提升了mMTC終端的免授權(quán)隨機(jī)接入效率。理論分析和仿真結(jié)果表明,本文提出的方案能夠有效降低大規(guī)模終端的隨機(jī)接入沖突,提高用戶的隨機(jī)接入成功概率。

本文其余內(nèi)容安排如下:第1節(jié)介紹系統(tǒng)模型并闡述了隨機(jī)接入?yún)f(xié)議;第2節(jié)設(shè)計(jì)多功率電平-多時(shí)隙聯(lián)合的接入競爭方案;第3節(jié)提出基于順序干擾抵消和前導(dǎo)檢測的信號(hào)接收檢測方案,并分析方案性能;第4節(jié)進(jìn)行仿真研究;第5節(jié)總結(jié)全文工作。

1 系統(tǒng)模型與接入?yún)f(xié)議

1.1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

由此定義活躍用戶的發(fā)送功率電平選擇準(zhǔn)則:活躍用戶根據(jù)自身到基站的距離確定所在區(qū)域Wi,通過查表獲得Wi匹配的功率電平qi,qi即為該活躍用戶執(zhí)行上行接入傳輸?shù)陌l(fā)送功率?；谠摐?zhǔn)則,距離基站近的用戶將選擇低功率電平發(fā)送信號(hào),距離基站遠(yuǎn)的用戶將選擇高功率電平發(fā)送信號(hào),這意味著基站接收信號(hào)等效為多用戶的NOMA和信號(hào)?；静捎肧IC技術(shù)對接收信號(hào)進(jìn)行功率電平檢測,然后對每個(gè)功率電平信號(hào)進(jìn)行前導(dǎo)檢測,即可獲知不同用戶的接入競爭結(jié)果,并恢復(fù)成功接入用戶的上行傳輸數(shù)據(jù)。

1.2 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議

如前所述,活躍用戶采用兩步免授權(quán)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議進(jìn)行競爭接入。活躍用戶的隨機(jī)接入過程如圖2所示。

圖2 兩步隨機(jī)接入?yún)f(xié)議Fig.2 Two-step random access protocol

兩步隨機(jī)接入?yún)f(xié)議描述如下:

第1步:前導(dǎo)和數(shù)據(jù)發(fā)送?；钴S用戶采用多前導(dǎo)和多功率電平聯(lián)合的方案執(zhí)行接入競爭。每個(gè)活躍用戶隨機(jī)從前導(dǎo)序列集合中選擇T個(gè)前導(dǎo)序列,將其與數(shù)據(jù)信號(hào)組合成一幀信號(hào);活躍用戶依據(jù)功率電平選擇準(zhǔn)則,從可用功率電平集合Q中選擇一個(gè)功率電平作為其上行信號(hào)發(fā)送功率;以該功率電平通過上行信道發(fā)送用戶的隨機(jī)接入信號(hào)幀至基站,同時(shí)執(zhí)行接入競爭和數(shù)據(jù)傳輸。

第2步:隨機(jī)接入響應(yīng)。基站接收上行信號(hào)并依次檢測活躍用戶的功率電平和前導(dǎo)信號(hào),據(jù)此判斷活躍用戶競爭結(jié)果并恢復(fù)數(shù)據(jù)。選擇組合前導(dǎo)相同且使用相同功率電平的兩個(gè)或兩個(gè)以上用戶為接入失敗用戶,其他為接入成功用戶;基站通過廣播告知活躍用戶競爭接入結(jié)果(接入成功或接入失敗),接入成功的用戶選擇繼續(xù)傳輸或結(jié)束退出,接入失敗的用戶延遲一段時(shí)間后執(zhí)行再接入嘗試,直至其接入成功或者等待時(shí)延超出最大限值后退出接入。

2 前導(dǎo)競爭與數(shù)據(jù)傳輸方案

考慮活躍用戶依時(shí)隙執(zhí)行競爭接入與數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)傳輸時(shí)隙(傳輸幀)分為前導(dǎo)階段(即前導(dǎo)時(shí)隙)和數(shù)據(jù)階段(即數(shù)據(jù)時(shí)隙)兩部分,其中前導(dǎo)階段又劃分為T個(gè)子時(shí)隙,依次傳輸T個(gè)隨機(jī)選擇的前導(dǎo)序列?；钴S用戶的傳輸時(shí)隙(傳輸幀)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 用戶發(fā)送信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)Fig.3 The frame structure of the signal sent by the user

在前導(dǎo)傳輸階段,每個(gè)活躍用戶從前導(dǎo)集合SC(包含K個(gè)前導(dǎo)序列)中隨機(jī)選擇T(T≥1)個(gè)前導(dǎo)序列,并采用選定的功率電平在上行信道中順序傳輸T個(gè)前導(dǎo)符號(hào),T≤K,每個(gè)前導(dǎo)符號(hào)占用一個(gè)前導(dǎo)子時(shí)隙。

令用戶n在某傳輸幀使用的功率電平為ql,n,ql,n∈{q1,q2,…,qL};用戶n在該傳輸幀的前導(dǎo)子時(shí)隙t選擇的前導(dǎo)序號(hào)為cn,t,cn,t∈{1,2,…,K},n∈{1,2,…,N},t∈{1,2,…,T};則用戶n在前導(dǎo)子時(shí)隙t的前導(dǎo)選擇向量可以表示為an,t=[1[cn,t=1],1[cn,t=2],…,1[cn,t=K]]T,其中1[x]為指示函數(shù),條件x成立時(shí)1[x]=1,否則1[x]=0。所有N個(gè)用戶在前導(dǎo)子時(shí)隙t的前導(dǎo)選擇矩陣可以表示為At=[a1,t,a2,t,…,aN,t]T。相應(yīng)地,用戶n在前導(dǎo)子時(shí)隙t發(fā)送的前導(dǎo)序列為pn,t=scn,t=STan,t;用戶n在前導(dǎo)階段(前導(dǎo)時(shí)隙)發(fā)送的組合前導(dǎo)序列pn可表示為

(1)

前導(dǎo)發(fā)送完后,用戶n進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段,繼續(xù)以功率電平ql,n在數(shù)據(jù)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。假設(shè)用戶數(shù)據(jù)包長度為D比特,用戶在數(shù)據(jù)時(shí)隙的發(fā)送信號(hào)xn可表示為

xn=[d1,d2,…,dD]

(2)

綜合式(1)和式(2),用戶n在一個(gè)傳輸時(shí)隙中發(fā)送的一幀信號(hào)Fn可表示為

(3)

考慮到多個(gè)用戶在同一時(shí)隙競爭接入,基站在上行信道接收到的一幀信號(hào)G應(yīng)為N個(gè)用戶的和信號(hào),可以表示為

(4)

式中:hn=[hn,1,hn,2,…,hn,M]T表示用戶n至基站(M根天線)的上行信道響應(yīng)系數(shù)向量,hn∈CM×1,hn,m表示用戶n與基站天線m的信道響應(yīng)系數(shù);H=[h1,h2,…,hN]表示N個(gè)用戶至基站的上行信道響應(yīng)矩陣,H∈CM×N;F=[F1,F2,…,FN]表示用戶發(fā)送信號(hào)矩陣,F∈C(JT+D)×N,FT表示F的轉(zhuǎn)置矩陣;N表示信道復(fù)加性高斯白噪聲矩陣,N∈CM×(JT+D),它服從均值為0、方差為σ2IM的高斯分布,即N～CN(0,σ2IM),其中σ2為噪聲平均功率,IM表示M維單位陣。在天線數(shù)目M足夠大的條件下,假定信道響應(yīng)系數(shù)hn在一幀中保持恒定且滿足準(zhǔn)正交特性[16],即有

(5)

考慮到每個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)包含前導(dǎo)和數(shù)據(jù)兩部分,基站接收的一幀信號(hào)可以分解為G=[Y,X],其中Y和X分別表示用戶的前導(dǎo)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào),即

(6)

(7)

式中:Y∈CM×JT;X∈CM×D;pn∈C1×JT表示用戶n傳輸?shù)慕M合前導(dǎo)序列;xn∈C1×D表示用戶n的數(shù)據(jù)向量;N1和N2分別表示前導(dǎo)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙的信道復(fù)加性高斯白噪聲矩陣,N=[N1,N2]。

基站首先采用SIC技術(shù)對接收到的每幀信號(hào)進(jìn)行檢測,以解調(diào)出不同功率電平對應(yīng)的和信號(hào)幀;隨后通過相關(guān)運(yùn)算從每個(gè)功率電平對應(yīng)的和信號(hào)幀中檢測不同用戶的組合前導(dǎo),并據(jù)此判斷用戶競爭接入成功與否。下面詳細(xì)討論多用戶上行隨機(jī)接入信號(hào)的接收檢測方案。

3 基于沖突估計(jì)的上行信號(hào)接收檢測方案

3.1 功率電平檢測

由于多個(gè)用戶隨機(jī)接入傳輸,基站接收的上行信號(hào)為多個(gè)用戶的和信號(hào)?；緦邮盏降亩嘤脩舳喙β孰娖胶托盘?hào)幀,采用SIC技術(shù)順序檢測每個(gè)功率電平承載的用戶信號(hào)。下面詳細(xì)闡述上行信號(hào)的功率電平檢測方法。

根據(jù)第2節(jié)的分析,基站接收到的一幀信號(hào)G可以改寫為

(8)

(9)

(10)

基站通過SIC解調(diào)出的功率電平ql承載的一幀信號(hào)可以進(jìn)一步表示為Gl=[Yl,Xl],其中Yl表示基站解調(diào)出的功率電平ql對應(yīng)的幀信號(hào)中包含的前導(dǎo)信號(hào),即選用功率電平ql的多個(gè)用戶的前導(dǎo)序列和信號(hào);Xl表示解調(diào)出的功率電平ql對應(yīng)的幀信號(hào)中包含的數(shù)據(jù)信號(hào),即選用功率電平ql的多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)和信號(hào)。Yl和Xl可分別表示為

(11)

(12)

本文假設(shè)系統(tǒng)具有良好的定時(shí)同步機(jī)制,基站通過信號(hào)截取可以很方便地從功率電平信號(hào)Gl中取出前導(dǎo)信號(hào)Yl與數(shù)據(jù)信號(hào)Xl,進(jìn)而通過前導(dǎo)檢測從Yl和Xl中恢復(fù)單個(gè)用戶的Yl,n和Xl,n。下面進(jìn)一步闡述組合前導(dǎo)檢測方案。

3.2 組合前導(dǎo)檢測

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式中:t∈{1,2,…,T};l∈{1,2,…,L}。

(19)

3.3 用戶沖突檢測

根據(jù)系統(tǒng)模型,選用同一功率電平且組合前導(dǎo)相同的兩個(gè)或兩個(gè)以上用戶將發(fā)生接入沖突;發(fā)生接入沖突的用戶被基站判定為競爭失敗用戶,需要等待一定時(shí)間后重新嘗試隨機(jī)接入。因此,在獲得用戶的前導(dǎo)選擇方案估計(jì)值后,需要進(jìn)一步確定用戶的接入沖突情況。

(20)

基于式(20),設(shè)計(jì)如下的用戶接入沖突判斷方法:

對于?n,n′∈Ia,l,n≠n′,有

對于接入成功的用戶,基站繼續(xù)解調(diào)其數(shù)據(jù)信號(hào)并反饋“接入成功確認(rèn)”消息給用戶;對于接入失敗的用戶,基站反饋“接入失敗”消息給用戶,并通知其延時(shí)嘗試再接入。

綜上,本文提出的免授權(quán)隨機(jī)接入信號(hào)檢測算法總結(jié)如算法2所示。

算法 2 免授權(quán)隨機(jī)接入信號(hào)檢測算法1. 輸入:接收信號(hào)Y,導(dǎo)頻序列S,用戶數(shù)量N,時(shí)隙數(shù)量T,功率電平數(shù)量L;2. 當(dāng)用戶的SINR滿足式(10)時(shí),利用SIC技術(shù)檢測功率電平信號(hào);3. for l=1:L4. 根據(jù)算法1檢測選用功率電平ql的接收信號(hào)Gl,對其分解得到Y(jié)l和Xl;5. if只有單個(gè)用戶選用功率電平ql,該用戶競爭接入成功,Yl對應(yīng)該用戶的前導(dǎo);6. 根據(jù)式(14)～式(19)計(jì)算該用戶的組合前導(dǎo)序號(hào)向量估計(jì)值Cl*;7. else8. for t=1:T 9. 根據(jù)式(14)～式(16)計(jì)算Yl中Nl個(gè)用戶子時(shí)隙t的前導(dǎo)選擇矩陣估計(jì)值A(chǔ)l*t;10. 根據(jù)式(17)和式(18)計(jì)算Yl中Nl個(gè)用戶子時(shí)隙t的前導(dǎo)序號(hào)向量估計(jì)值cl*t;11. end12. 計(jì)算Yl中Nl個(gè)用戶的組合前導(dǎo)選擇矩陣估計(jì)值A(chǔ)l* =[Al*1,Al*2,…,Al*T];13. for n=1:(NL-1)14. for n'=(n+1):NL15. 根據(jù)式(20)計(jì)算Yl中用戶n和用戶n'的導(dǎo)頻沖突圖樣dln,n';16. if dln,n'=T17. 用戶n和用戶n'發(fā)生接入沖突;18. Break;19. else20. 用戶n和用戶n'競爭接入成功;21. end if22. end for23. end for24. end if25. end26. 算法結(jié)束。輸出用戶的競爭結(jié)果。

3.4 接入性能分析

定義用戶的隨機(jī)接入成功概率為用戶的上行接入信號(hào)在基站處被成功解碼的概率。有兩個(gè)因素影響接入成功概率:一是功率電平的檢測性能;二是組合前導(dǎo)的碰撞情況。當(dāng)且僅當(dāng)用戶的上行功率電平信號(hào)被成功檢測且組合前導(dǎo)無碰撞時(shí),用戶的隨機(jī)接入才是成功的。下面從功率電平的檢測概率和組合前導(dǎo)無碰撞概率兩個(gè)層面展開分析。

基站按功率電平由高到低順序檢測各個(gè)功率電平信號(hào)。換言之,若第l個(gè)功率電平信號(hào)能夠被正常檢測,意味著第L個(gè)功率電平到第(l+1)個(gè)功率電平的SIC解調(diào)均成功。因此,第l個(gè)功率電平信號(hào)能夠被正確解調(diào)的概率為

(21)

進(jìn)一步地,第l個(gè)功率電平包含的Nl個(gè)信號(hào)能夠被正確解碼的條件為所有用戶的組合前導(dǎo)均無碰撞。因此,功率電平ql承載的Nl個(gè)信號(hào)能夠正確解碼的條件概率可計(jì)算為

(22)

式中:NL表示選用功率電平qL的用戶數(shù)目;K表示正交前導(dǎo)序列的數(shù)目;T表示前導(dǎo)子時(shí)隙的數(shù)目。

于是,選擇功率電平ql的Nl個(gè)信號(hào)能夠被全部正確解碼的平均概率可以計(jì)算為

(23)

對所有L個(gè)電平求和,即可得到系統(tǒng)的接入成功概率

(24)

需要說明的是,多時(shí)隙隨機(jī)接入方案能夠有效提升隨機(jī)接入概率,但其占用多個(gè)競爭時(shí)隙,導(dǎo)致了頻譜效率的下降。而其與NOMA技術(shù)結(jié)合,能夠在不影響頻譜效率的情況下提升用戶的接入概率。盡管基站側(cè)對上行多電平信號(hào)的SIC解調(diào)需要一定的時(shí)間開銷,但在接收機(jī)計(jì)算能力足夠的情況下,該時(shí)間開銷幾乎可以忽略不計(jì)。

4 仿真分析

本節(jié)基于Matlab仿真軟件并采用蒙特卡羅方法對所提出的免授權(quán)隨機(jī)接入方案的性能展開仿真研究。仿真中,當(dāng)存在不完全的SIC功率電平檢測(即部分功率電平信號(hào)不滿足式(10)條件)時(shí),認(rèn)為所有用戶的隨機(jī)接入失敗。除特殊說明,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4研究了用戶的接入概率與用戶數(shù)目和功率電平級數(shù)的關(guān)系,并與文獻(xiàn)[18]提出的分布式分層免授權(quán)NOMA方案的性能進(jìn)行了比較。由圖4可以看出,隨著待接入活躍用戶數(shù)目的增加,用戶的隨機(jī)接入概率逐漸下降;而隨著發(fā)送功率電平級數(shù)增加,用戶的接入概率隨之上升。相比文獻(xiàn)[27]的方案,本文方案的用戶接入概率大大提高,且對大規(guī)模隨機(jī)接入場景更為適用。例如,當(dāng)用戶數(shù)目N=30(即接入過載率N/K=3.75)時(shí),用戶的接入概率依然達(dá)到0.5左右;而文獻(xiàn)[27]的方案在用戶數(shù)目N=10(即接入過載率N/K=1.25)時(shí),用戶的接入概率已經(jīng)降為0。本文方案具有更好的接入性能,其原因在于本文利用多種功率電平在多個(gè)時(shí)隙傳輸多個(gè)前導(dǎo)形成組合前導(dǎo),實(shí)現(xiàn)了前導(dǎo)空間在時(shí)域和功率域的二維擴(kuò)展,大大降低了前導(dǎo)碰撞概率,因此用戶的接入概率大幅提升。

圖4 不同功率電平下接入概率與用戶數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between access probability and the number of users with different power levels

圖5研究了用戶的接入概率與用戶數(shù)目和前導(dǎo)子時(shí)隙數(shù)目的關(guān)系,并與文獻(xiàn)[17]的多時(shí)隙隨機(jī)接入方案進(jìn)行了比較。可以看出,隨著前導(dǎo)子時(shí)隙數(shù)目的增加,本文方案和文獻(xiàn)[17]方案的用戶接入概率均逐漸上升。當(dāng)前導(dǎo)子時(shí)隙數(shù)目T=1時(shí),本文方案退化為單一NOMA方案,其接入概率略低于文獻(xiàn)[17]所提方案,這是因?yàn)閱我籒OMA方案的接入性能受到基站SIC檢測能力的制約。當(dāng)T=2時(shí),本文方案的接入概率在用戶數(shù)目較多(例如N>30)時(shí)優(yōu)于文獻(xiàn)[17]方案;當(dāng)T≥3時(shí),本文方案的接入概率明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[17]的方案。這表明,功率域資源復(fù)用可以有效降低大規(guī)模接入沖突,提高用戶的隨機(jī)接入成功率。

圖5 不同前導(dǎo)子時(shí)隙下接入概率與用戶數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between access probability and the number of users with different preamble sub-slots

圖6進(jìn)一步研究了用戶的接入概率與導(dǎo)頻數(shù)目的關(guān)系。

圖6 不同前導(dǎo)子時(shí)隙下接入概率與前導(dǎo)數(shù)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between access probability and the number of preambles with different preamble sub-slots

從圖6中可以看出,隨著前導(dǎo)數(shù)量的增加,本文方案和文獻(xiàn)[17]方案的用戶接入概率均逐漸上升并趨于恒定。在相同導(dǎo)頻的條件下,本文方案的用戶接入概率明顯高于文獻(xiàn)[17]的多時(shí)隙隨機(jī)接入方案,但本文方案的性能優(yōu)勢受到前導(dǎo)子時(shí)隙數(shù)目的影響。當(dāng)前導(dǎo)子時(shí)隙數(shù)T=3時(shí),本文方案的接入概率在導(dǎo)頻數(shù)目較少(例如K<30)時(shí)優(yōu)勢更為明顯。隨著導(dǎo)頻數(shù)目的增加,本文方案相比文獻(xiàn)[17]方案的性能優(yōu)勢逐漸下降;當(dāng)T=2時(shí),本文方案的接入概率在導(dǎo)頻數(shù)目較多(例如K>30)時(shí)優(yōu)勢更為明顯,且隨著導(dǎo)頻數(shù)目的增加,本文方案的性能優(yōu)勢逐漸擴(kuò)大。

圖6在給定功率電平級數(shù)條件下研究導(dǎo)頻數(shù)目對用戶接入概率的影響。圖7進(jìn)一步研究給定前導(dǎo)子時(shí)隙數(shù)目條件下功率電平級數(shù)對用戶接入概率的影響。由圖7可以看出,當(dāng)僅有一種功率電平(L=1)時(shí),本文方案退化為文獻(xiàn)[17]所提出的多時(shí)隙隨機(jī)接入傳輸方案。隨著功率電平級數(shù)的增加,本文方案的用戶接入概率上升,而文獻(xiàn)[17]方案的接入概率不變,且在導(dǎo)頻數(shù)較少時(shí)本文方案的性能優(yōu)勢更為明顯。

圖7 不同功率電平下接入概率與前導(dǎo)數(shù)量的關(guān)系Fig.7 Relationship between access probability and the number of preambles with different power levels

5 結(jié) 論

本文針對大規(guī)模隨機(jī)接入前導(dǎo)沖突率高的問題,提出了一種多功率電平多前導(dǎo)聯(lián)合的免授權(quán)隨機(jī)接入方案。每個(gè)活躍用戶從可選功率電平集合中按擬定準(zhǔn)則選擇一個(gè)功率電平,以此作為上行發(fā)送功率在一幀時(shí)隙中連續(xù)發(fā)送多個(gè)前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)信號(hào)。與接入傳輸方案相對應(yīng),本文提出了基于SIC的功率電平信號(hào)檢測算法和用戶前導(dǎo)檢測算法,并研究了基于前導(dǎo)選擇矩陣的用戶沖突識(shí)別方法。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的多時(shí)隙隨機(jī)接入方案和多電平分層NOMA方案相比,本文所提方案大大提高了免授權(quán)隨機(jī)接入概率,能夠解決有限前導(dǎo)資源下的多用戶過載接入問題,降低大規(guī)模終端隨機(jī)接入沖突,提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多址接入能力。