CN106936556B - 一种面向窄带物联网的时频二维稀疏码多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向窄带物联网的时频二维稀疏码多址接入方法，涉及通信技术领域，在窄带上被划分为时隙，将N个时频资源单元构成一个SCMA时频资源块，使用蜂窝移动或无线局域网通信系统指示SCMA时频资源块用于上行调度、上行免调度、上行混合调度和下行，将SCMA只在频域工作变化为时频二维工作，本发明通过采用时频二维的稀疏码非正交多址，将SCMA技术从频域上扩展为时频二维工作，既保证了IoT设备的窄带特性，又提升了移动通信用户连接数、频谱利用率以及网络容量，相比目前现有技术，在相同的误比特率情况下，提升了1.5倍的用户数量和1.5倍的网络吞吐量，大幅度提升移动通信系统性能。

Description

一种面向窄带物联网的时频二维稀疏码多址接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种多址接入方法。

背景技术

物联网(Internet of Things，IoT)是新一代通信技术的重要组成部分，指物物相连的互联网，是无线和移动网络发展的必然趋势。

物联网的核心和基础是互联网，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络，并且由于其设备的移动性特点，因此它需要传统无线网络的支持。然而由于IoT设备的成本、省能需求以及单个设备单次传输的业务量的限制，IoT设备具有窄带化特征，而传统的蜂窝网络(3G和4G)和无线局域网(IEEE 802.1x)具有高速率的宽带化特征，造成了IoT设备的窄带化和传统无线网络宽带化之间的矛盾。

为了解决这一矛盾，近年来无线网络已经呈现出采用窄带来支持IoT的趋势，即窄带物联网。蜂窝网3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)已经于2016年完成NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)标准的制定工作，无线局域网已经成立LRLP(Long Range Low Power)工作组和WUR(Wake-Up Receiver)工作组，均聚焦于窄带IoT。

现阶段由于IoT设备的数量急剧增加，要求窄带IoT在保持其窄带特征的基础上，显著提升用户数量和总容量。5G拟采用的稀疏码分多址接入SCMA(Sparse Code MultipleAccess)是新型的非正交多址技术，在带宽不变的前提下显著提升用户连接数、网络容量和频谱利用率，但是由于5G的宽带化特性，所以在5G中使用的SCMA需要用户设备(UserEquipment，UE)具备多个信道/子载波收发的能力，这与目前窄带IoT设备成本、省能以及窄带化需求矛盾。

综上所述，目前缺乏一种在窄带IoT基础上获得非正交多址优势的多址接入方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，将非正交多址接入方法应用于窄带IoT，从而提升用户连接数、频谱效率以及网络容量，本发明提出了一种面向窄带物联网的时频二维稀疏码多址接入方法，将以前的SCMA只在频域工作变化为时频二维工作，即SCMA资源块从N个信道/子信道/子载波变化为N个时隙或N个时频资源单元(Resource Block，RB)，从而使通信系统能够同时获得两方面的性能优势：一方面，保持IoT设备原有的窄带特性，满足成本和省能的需求；另一方面，提升了用户连接数，频谱利用率和网络容量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤1：系统在窄带上被划分为时隙

蜂窝移动或无线局域网通信系统在窄带上被划分为时隙(Slot)，转步骤2，具体工作方式按照接入方式的不同分为如下两种：

方式1：系统被划分为时隙，所有通信节点在时间上对齐，节点分别在不同的时隙上接入信道；

方式2：系统运行在竞争接入的模式下，此时节点时间不需要对齐，采用随机竞争方式接入信道，在基站发送触发帧后进入时隙模式，所有节点时间对齐后在基站通过下行信令划分好的时隙上接入信道；

步骤2：将N个时频资源单元构成一个SCMA时频资源块，使用蜂窝移动或无线局域网通信系统指示SCMA时频资源块用于上行调度、上行免调度、上行混合调度和下行；

若时频资源块用于上行调度，则转步骤3；

若时频资源块用于上行免调度，则转步骤4；

若时频资源块用于上行混合调度，则转步骤5；

若时频资源块用于指示下行，则转步骤6；

步骤3：所述执行上行调度接入步骤，具体步骤如下：

步骤3.1：被调度的用户设备UE根据码本将经过信道编码后的已编码信息流映射为N路信号，且N路信号s₁，s₂，s₃，...，s_n与N个时频资源单元r₁，r₂，r₃，...，r_n一一对应，至少两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元，按照时频资源单元的时间顺序逐一发送信号；

步骤3.2：基站在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束之后执行多用户联合检测，所述多用户联合检测使用消息传递算法或最大似然算法，即可将用户的信息分离提取出来；

步骤4：所述执行上行免调度接入步骤如下：

步骤4.1：UE根据免调度接入规则：以概率P接入或者根据竞争退避接入判定是否接入，所述概率P为基站在下行信令中告知用户的一个0到1之间的随机数，如不接入则退出上行免调度接入步骤，如接入则执行步骤4.2；

步骤4.2：被调度的UE根据码本，将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号被映射到同一个时频资源单元，按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤4.3：基站在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，所述多用户联合检测使用消息传递算法或最大似然算法，即可将用户信息分离提取出来；

步骤5：所述执行上行混合调度接入，具体步骤如下：

步骤5.1：没有被调度的UE根据免调度接入规则：以概率P接入或者根据竞争退避接入判定是否接入，如果不接入则退出上行混合调度接入步骤，如果接入则执行步骤5.2；

步骤5.2：被调度的UE和判定接入的免调度UE根据码本将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号被映射到同一个时频资源单元，并按照N个时频资源单元逐一发送信号；

步骤5.3：基站在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，所述多用户联合检测使用消息传递算法或最大似然算法，即可将用户的信息分离提取出来；

步骤6：所述执行下行接入，具体步骤如下：

步骤6.1：基站根据码本，将发往多个UE的已编码信息流分别映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号被映射到同一个时频资源单元，而后将同一个信道上发往所有UE的信号进行叠加，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤6.2：待接收数据的UE在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，将UE自身的信息分离提取出来。

本发明的有益效果是通过采用时频二维的稀疏码非正交多址，将SCMA技术从频域上扩展为时频二维工作，既保证了IoT设备的窄带特性，又提升了移动通信用户连接数、频谱利用率以及网络容量，相比目前现有技术，在相同的误比特率情况下，提升了1.5倍的用户数量和1.5倍的网络吞吐量，大幅度提升移动通信系统性能。

附图说明

图1是本发明的示意图，其中图1(a)是时域SCMA示意图，图1(b)是时频二维SCMA示意图。

图2是本发明的实施例一的流程图。

图3是本发明的实施例二的流程图。

图4是本发明的实施例三的流程图。

图5是本发明的实施例四的流程图。

图6是本发明的实施例五的流程图。

图7是本发明的网络吞吐量性能图。

其中，STA(station)为站点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的示意图，其中图1(a)是时域SCMA示意图，是将传统的频域SCMA变为时域的SCMA，主要针对单信道系统，图1(b)是时频二维SCMA示意图，主要针对多信道系统。

实施例一

如图2所示，实施例一描述5G蜂窝网络只有一个窄带IoT信道情况下的纯时域SCMA方法，将窄带IoT划分为多个时隙，并将N个时隙构成一个SCMA资源块，UE使用此资源块传输数据。

步骤1：将窄带IoT的每一帧都划分为时隙，并将N个时隙作为一个SCMA资源块，分给一组UE使用。

具体步骤如下：

步骤1.1：将窄带IoT上的每一帧划分为时隙，图2示例中基于第四代移动通信系统(4G)的帧结构共划分了10个时隙，作为典型配置，本发明支持其他灵活的时隙划分方式，由具体的无线网络协议决定。

步骤1.2：N个时隙构成一个SCMA资源块，分配给UE使用，图2中，Slot 0用于调度资源分配，Slot 1-4和Slot 5-8分别作为2个SCMA资源块，供2组UE使用，Slot 9用于用户设备反馈上行数据需求。

转步骤2；

步骤2：SCMA资源块采用授权、免授权和半授权三种方式中任意一种方式，使得UE接入信道，上行情况具体转步骤3，下行情况转步骤4；

步骤3：UE接入信道并发送上行数据，具体步骤如下：

步骤3.1：接入的UE根据码本，将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时域资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时域资源单元，并按照时域资源单元逐一发送信号；

步骤3.2：基站在每一个时域资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在这N个时域资源单元传输结束之后执行多用户联合检测，将用户的信息分离提取出来。

步骤4：根据采用的调度规则，下行接入时，具体步骤如下：

步骤4.1：接入点(Access Point，AP)根据码本，将发往多个UE的已编码信息流分别映射为N路信号，且N路信号与N个时域资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时域资源单元，而后将每一路信号进行叠加，并按照时域资源单元逐一发送信号；

步骤4.2：待接收数据的UE在每一个时域资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时域资源单元传输结束后执行多用户联合检测，将用户的信息分离提取出来。

实施例二

如图3所示，实施例二描述5G蜂窝网络中有多个独立的窄带IoT信道情况下的时域SCMA方法，即将实施例一扩展为多个独立窄带信道的情况，多个窄带IoT分别划分为多个时隙，并将每个窄带上的N个时隙构成一个SCMA资源块，不同的窄带信道之间彼此独立，UE使用资源块传输数据。

步骤1：将每个窄带IoT的帧划分为时隙，并将每个窄带上的N个时隙作为一个SCMA时频资源块，分给一组UE使用。

具体步骤如下：

步骤1.1：将窄带上的每一帧划分为时隙，图3示例中基于4G帧结构2个信道分别划分了10个时隙作为典型配置，时隙划分方式由具体的无线网络协议决定。

步骤1.2：每个窄带上的N个时隙构成一个SCMA资源块，分别分配给UE使用，图3中，信道1的Slot 1-4是一个SCMA资源块，分给STA 1-6使用；信道2的Slot 1-4是一个SCMA资源块，分给STA 7-12使用。

转步骤2；

步骤2：每个窄带上承载在此信道上工作的UE，SCMA资源块采用授权、免授权和半授权三种方式中任意一种方式，使得UE接入各自的窄带信道。

上行情况具体转步骤3，下行情况转步骤4；

步骤3：根据采用的调度规则，UE接入并发送上行数据，具体步骤如下：

步骤3.1：每个窄带上接入的UE根据码本，将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时域资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时域资源单元，并按照时域资源单元逐一发送信号；

步骤3.2：基站在每一个时域资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在这N个时域资源单元传输结束之后执行多用户联合检测，将用户的信息分离提取出来。

步骤4：根据采用的调度规则，下行接入时，具体步骤如下：

步骤4.1：AP根据码本，将每个窄带上发往多个UE的已编码信息流分别映射为N路信号，且N路信号与N个时域资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时域资源单元，而后将每一路信号进行叠加，并按照时域资源单元逐一发送信号；

步骤4.2：待接收数据的UE在自己所在的窄带上的每一个时域资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时域资源单元传输结束后执行多用户联合检测，将自身的信息分离提取出来。

实施例三

如图4所示，实施例三描述5G蜂窝网络中有多个窄带信道的情况下时频二维的SCMA方法，就是将实施例二中的信道改为非独立情况，多个时隙和多个信道一起构成SCMA资源块，UE使用此资源块传输数据。

步骤1：将窄带信道划分为时隙，并将多个窄带上的N个时隙一起作为一个SCMA时频资源块，分给一组UE使用。

具体步骤如下：

步骤1.1：将窄带上的每一帧划分为时隙，图2中两个信道分别划分了10个时隙，作为典型配置，但本发明支持其他灵活的时隙划分方式，由具体的无线网络协议决定。

步骤1.2：多个窄带信道上的N个时隙一起构成一个SCMA资源块，分配给UE使用。如图4所示，信道1的Slot 1-2和信道2的Slot 1-2一起构成一个资源块，分配给STA 1-6使用；信道1的Slot 3-4和信道2的Slot 3-4一起构成一个资源块，分配给STA 7-12使用；

转步骤2；

步骤2：SCMA资源块采用授权、免授权和半授权三种方式中任意一种方式，使得UE接入。

上行情况具体转步骤3，下行情况转步骤4；

步骤3：根据采用的调度规则，UE接入并发送上行数据，具体步骤如下。

步骤3.1：每个接入的UE根据码本，将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应(至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元)，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤3.2：基站在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在这N个时频资源单元传输结束之后执行多用户联合检测，将用户的信息分离提取出来。

步骤4：根据采用的调度规则，下行接入时，具体步骤如下：

步骤4.1：AP根据码本，将发往多个UE的已编码信息流分别映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元，而后将每一路信号进行叠加，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤4.2：待接收数据的UE在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，将自身的信息分离提取出来。

实施例四

如图5所示，实施例四描述有多个窄带信道的TDMA结构的时频二维的SCMA方法，将多个窄带信道划分为时隙，将多个信道上的多个时隙构成一个SCMA资源块，并且基于伪随机序列来跳变窄带信道值，UE使用此资源块传输数据。

步骤1：将窄带信道划分为时隙，并基于伪随机序列跳变窄带信道，AP通过下行信令告知UE的伪随机序列，将窄带信道的N个时隙整体作为一个时频SCMA资源块，分给此时接入信道的UE使用。

步骤1.1：将窄带划分为时隙，图4中共6个信道分别划分了8个时隙，作为典型配置，但本发明支持其他灵活的时隙划分方式，由具体的无线网络协议决定。

步骤1.2：基于伪随机序列跳变的多个窄带信道上的N个时隙一起构成一个SCMA资源块，分配给UE使用。

转步骤2；

步骤2：SCMA资源块采用授权、免授权和半授权三种方式中任意一种方式，使得用户接入。

上行情况具体转步骤3，下行情况转步骤4；

步骤3：根据采用的调度规则，UE接入并发送上行数据，具体步骤如下：

步骤3.1：每个接入的UE根据码本，将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤3.2：AP在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在这N个时频资源单元传输结束之后执行多用户联合检测，将用户的信息分离提取出来。

步骤4：根据采用的调度规则，下行接入时，具体步骤如下：

步骤4.1：AP根据码本，将发往多个UE的已编码信息流分别映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应(至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元)，而后将每一路信号进行叠加，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤4.2：待接收数据的UE在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，将自身的信息分离提取出来。

实施例五

如图6所示，实施例五侧重描述在WLAN中窄带IoT使用时域SCMA方法的情况。在TXOP内将窄带信道划分为多个时隙，并将N个时隙构成一个SCMA资源块，UE使用此资源块传输数据。

步骤1：蜂窝移动或无线局域网通信系统工作在竞争模式，当需要进行IoT传输时，首先发送Legacy preamble保护信道，指示此次IoT传输的时间，在此期间内其他的STA不能竞争接入信道；

转步骤2；

步骤2：发送Trigger Frame，用来调度上行传输，在传输机会(TransmissionOpportunity，TXOP)内给多个STA分配SCMA资源块；

转步骤3；

步骤3：分配好的SCMA资源块采用授权、免授权和半授权三种方式中任意一种方式，使得用户接入。

上行情况具体转步骤4，下行情况转步骤5；

步骤4：根据采用的调度规则，UE接入并发送上行数据，具体步骤如下：

步骤4.1：每个接入的UE根据码本，将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤4.2：AP在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在这N个时频资源单元传输结束之后执行多用户联合检测，将用户的信息分离提取出来。

步骤5：根据采用的调度规则，下行接入时，具体步骤如下：

步骤5.1：AP根据码本，将发往多个UE的已编码信息流分别映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元，而后将每一路信号进行叠加，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤5.2：待接收数据的UE在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，将自身的信息分离提取出来。

本发明仿真旨在对比时域非正交多址和正交多址在网络吞吐量、用户连接数上的性能增益。

该仿真基于实施例一，其中每10ms设置为一个MAC帧，每个帧由10个时隙组成，第0个时隙进行资源调度，1～4和5～8时隙分别为一个SCMA时频资源块，每个用户的数据分布在多个时隙进行传输，彼此互相非正交，第9个时隙进行信息反馈。

基于稀疏编码的时域非正交参数设置：每6个用户一组共享4个时隙，在一个MAC帧中共有2个用户组，每一个数据层中映射的最大星座点数为4，码本中非零元素个数为2，信道编码方式采用1/2码率的LDPC信道编码。

对照组采用QPSK调制方式的通信系统参数配置，时域采用TDMA方式，信道编码方式采用1/2码率的LDPC信道编码。

如图7所示，在时隙数量相同的条件下，时域非正交系统的总吞吐量大约是正交系统的总吞吐量的接近两倍，从而证明了在时隙数相同的情况下，非正交比正交通信系统能提供更小或者相差无几的误比特率的条件下，承载1.5倍用户数量，提供1.5倍的总吞吐量，具有显著的性能优越性。

Claims (1)

1.一种面向窄带物联网的时频二维稀疏码多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：系统在窄带上被划分为时隙

蜂窝移动或无线局域网通信系统在窄带上被划分为时隙，转步骤2，具体工作方式分为如下两种：

方式1：系统被划分为时隙，所有通信节点在时间上对齐，节点分别在不同的时隙上接入信道；

方式2：系统运行在竞争接入的模式下，此时节点时间不需要对齐，采用随机竞争方式接入信道，在基站发送触发帧后进入时隙模式，所有节点时间对齐后在基站通过下行信令划分好的时隙上接入信道；

步骤2：将N个时频资源单元构成一个SCMA时频资源块，使用蜂窝移动或无线局域网通信系统指示SCMA时频资源块用于上行调度、上行免调度、上行混合调度和下行接入；

若时频资源块用于上行调度，则转步骤3；

若时频资源块用于上行免调度，则转步骤4；

若时频资源块用于上行混合调度，则转步骤5；

若时频资源块用于指示下行接入，则转步骤6；

步骤3：所述执行上行调度接入步骤，具体步骤如下：

步骤3.1：被调度的用户设备UE根据码本将经过信道编码后的已编码信息流映射为N路信号，且N路信号s₁，s₂，s₃，...，s_n与N个时频资源单元r₁，r₂，r₃，...，r_n一一对应，至少两个UE的非零信号会被映射到同一个时频资源单元，按照时频资源单元的时间顺序逐一发送信号；

步骤3.2：基站在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束之后执行多用户联合检测，所述多用户联合检测使用消息传递算法或最大似然算法，即可将用户的信息分离提取出来；

步骤4：所述执行上行免调度接入步骤如下：

步骤4.1：UE根据免调度接入规则：以概率P接入或者根据竞争退避接入判定是否接入，所述概率P为基站在下行信令中告知用户的一个0到1之间的随机数，如不接入则退出上行免调度接入步骤，如接入则执行步骤4.2；

步骤4.2：被调度的UE根据码本，将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号被映射到同一个时频资源单元，按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤4.3：基站在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，所述多用户联合检测使用消息传递算法或最大似然算法，即可将用户信息分离提取出来；

步骤5：所述执行上行混合调度接入，具体步骤如下：

步骤5.1：没有被调度的UE根据免调度接入规则：以概率P接入或者根据竞争退避接入判定是否接入，如果不接入则退出上行混合调度接入步骤，如果接入则执行步骤5.2；

步骤5.2：被调度的UE和判定接入的免调度UE根据码本将已编码信息流映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号被映射到同一个时频资源单元，并按照N个时频资源单元逐一发送信号；

步骤5.3：基站在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，所述多用户联合检测使用消息传递算法或最大似然算法，即可将用户的信息分离提取出来；

步骤6：所述执行下行接入，具体步骤如下：

步骤6.1：基站根据码本，将发往多个UE的已编码信息流分别映射为N路信号，且N路信号与N个时频资源单元一一对应，至少有两个UE的非零信号被映射到同一个时频资源单元，而后将同一个信道上发往所有UE的信号进行叠加，并按照时频资源单元逐一发送信号；

步骤6.2：待接收数据的UE在每一个时频资源单元收到多个用户叠加的信号后进行保存，在N个时频资源单元传输结束后执行多用户联合检测，将UE自身的信息分离提取出来。

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