CN102711273A

CN102711273A - 无线网络中的随机接入方法和用户设备

Info

Publication number: CN102711273A
Application number: CN2012101170602A
Authority: CN
Inventors: 吴群英; 汝聪翀; 方晓波; 褚红发
Original assignee: Innofidei Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Boxin Shitong Technology Co ltd; Innofidei Technology Co Ltd
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: CN102711273B

Abstract

本发明公开了一种无线网络中的随机接入方法和用户设备。本发明实施例提供的一种无线网络中的随机接入方法包括：获取UE到基站的距离的估计量，根据所述估计量，确定UE随机接入的时间提前量，在发起随机接入时，使UE按照所确定的时间提前量向基站发送随机接入前导码，执行随机接入过程。本方案能够有效实现大区域覆盖场景下的随机接入，操作简单可靠，占用的系统带宽较小，资源的利用率较高。

Description

无线网络中的随机接入方法和用户设备

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种无线网络中的随机接入方法和用户设备。

背景技术

随机接入在无线网络中起着重要的作用，是用户进行初始连接、切换、连接重建立、从空闲模式转换到连接模式时重新恢复上行同步以及上行相应资源请求的唯一策略。在用户设备(UE)发起随机接入后，它首先必须与小区建立同步，在UE接入时，由于空间传输有延时，因此UE发送的用于接入的前导(Preamble)码到达基站时，会有一定传播时延，如图1所示，随机接入前导信号包括循环前缀(CP)、接入前导序列的前导码和保护间隔(GT)。如果基站接收到的前导码落在随机接入时间窗的范围内，此时可以准确的提取出前导码，从而进行有效的随机接入过程。

在第三代移动通信无线系统(如LTE)中，按照现有的标准规范，小区的最大覆盖半径为100km，现有的LTE随机接入技术支持的最大小区半径为100km。然而，在类似航空通信，轮船等专网通信环境中，小区半径一般在100km以上，甚至能达到200km。此时UE发送的前导码就很容易超出随机接入时间窗，这时如果利用传统的小区接入模式，基站接收的前导码就会落入下一个子帧，就会对下一子帧其他用户的数据造成干扰，破坏了子载波之间的正交性，造成随机接入失败。

为了使随机接入支持大覆盖的场景，一些公司提出了对GT进行扩展，将其扩展至时隙1(TS1)区域，通过增加时隙长度来支持超大半径小区，如图2所示，显示了上行随机接入时隙在帧结构中的位置。

上述的现有方案至少具有如下缺点：

现有方案通过增加GT长度来支持超大半径小区，牺牲一个业务时隙作为上下行保护时隙，这样导致牺牲了16％的网络容量，不但浪费了宝贵的系统带宽，消耗了系统的资源，而且需要修改对现行的标准进行修改，网络兼容性较差。

发明内容

本发明提供的一种无线网络中的随机接入方法和用户设备，以解决现有方案占用较大系统带宽、消耗过多系统资源以及兼容性较差的问题。

为达到上述目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种无线网络中的随机接入方法，该方法包括：

获取用户设备UE到基站的距离的估计量；

根据所述估计量，确定所述UE随机接入的时间提前量；

在发起随机接入时，使所述UE按照所确定的时间提前量向基站发送随机接入前导码。

本发明实施例还提供了一种用户设备，所述用户设备UE包括随机接入控制装置，

所述随机接入控制装置，包括：

距离估计量获取单元，用于获取UE到基站的距离的估计量；

时间提前量确定单元，用于根据所述估计量，确定所述UE随机接入的时间提前量；

随机接入单元，用于在发起随机接入时，使所述UE按照所确定的时间提前量向基站发送随机接入前导码，执行随机接入过程。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供了一种能够有效适用于大区域覆盖场景的新型的随机接入方案，通过根据UE到基站的距离确定UE发送随机接入前导码的时间提前量，确保了UE发送的前导码能够落在基站侧的随机接入时间窗内，从而保证了UE能够成功地随机接入超大半径小区。

本方案无需对现有标准中前导码结构中的GT长度进行改动，能够较好地兼容现有的网络资源，且操作简单可靠，占用的系统带宽较小，提高了系统资源的利用率。

附图说明

图1为显示了随机接入空间传输延时的示意图；

图2为显示了上行随机接入时隙在帧结构中位置的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种无线网络中的随机接入方法流程示意图；

图4为随机接入前导信号的格式示意图；

图5为基站接收UE发送的前导码的随机接入时间窗口；

图6为本发明实施例提供的一种随机接入过程流程图；

图7为本发明实施例提供的一种用户设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本方案适用于各种大区域覆盖的场景，例如覆盖民用飞行器活动空域的场景，覆盖轮船和钻井平台海域的场景，覆盖磁悬浮列车、高速铁路运行区域的场景，这些场景都是未来组网覆盖不可或缺的部分。而这些应用场景属于典型的覆盖受限系统，本方案针对这些场景，提出了满足大于100km(比如200km以上)的覆盖半径需求的可实施的解决方案。

参见图3，为本发明实施例一提供的一种无线网络中的随机接入方法，包括：

31：获取用户设备(UE)到基站的距离的估计量；

32：根据所述估计量，确定所述UE随机接入的时间提前量；

33：在发起随机接入时，使所述UE按照所确定的时间提前量向基站发送随机接入前导码，执行随机接入过程。

上述步骤31至33可以在终端侧(如UE上)执行。

进一步的，上述步骤31可以在下行同步后，利用对下行信号的测量来实现。

由上所述，本发明实施例提供了一种能够有效适用于大区域覆盖场景的新型的随机接入方案，通过根据UE到基站的距离确定UE发送随机接入前导码的时间提前量，确保了UE发送的前导码能够落在基站侧的随机接入时间窗内，从而保证了UE能够成功地随机接入超大半径小区。

为了便于清楚地说明本发明实施例的技术方案，对所关联的一些技术要点进行介绍。

在第三代移动通信LTE中，小区的覆盖能力由物理随机接入信道(PRACH)信道的覆盖半径决定，其受几个因素影响，参见图4，包括CP长度T_CP(容忍的时延扩展和回环时延RTD)、接入前导码序列长度T_SEQ(抗干扰能力、检测成功率)和保护间隔(GT)长度T_GT，其中，如图4上部的单向箭头所示，接入前导序列的后部分可以用于实现CP。

参见表1，显示了各种前导码格式(format)所能支持的小区覆盖范围。

表1

Preamble格式0：持续时间1ms，可支持半径约14km，可适用于除超远覆盖外的多数场景；

Preamble格式1：持续时间2ms，可支持半径约77km，可适用于多数场景；

Preamble格式2：持续时间2ms，可支持半径约29km，可适用于除超远覆盖外的多数场景；

Preamble格式3：持续时间3ms，可支持半径约107km，可适用于海面的场景；

Preamble格式4：持续时间157.292μs，可支持半径约1.4km，可适用于短距离覆盖，特别是密集市区、室内覆盖或热点补充的场景。

考虑到RTD要求，一般每公里覆盖半径需要6.7us的GT，对于100km的覆盖半径要求，需要GT长度至少要达到670us。对于时延扩展，大覆盖情况下按16.67us考虑基本能满足要求。

下面对本发明实施例二提供的无线网络中的随机接入方法进行说明。

31：获取UE到基站的距离的估计量。本方案可以至少通过下述两种方式获取上述估计量：

第一种方式：根据UE的全球定位系统(GPS)的定位信息，获知所述估计量。

上述GPS的定位信息可以直接指示UE至所需接入小区的基站的距离，或者，上述GPS的定位信息也可以仅指示UE的方位信息，可以将该方位信息与已获知的基站的方位信息运算得到上述估计量。

第二种方式：利用如下公式，根据路径损耗模型，计算得到所述估计量：

d = 10^{\frac{1}{α} \log_{10} (\frac{p_{T}}{p_{R}})}

其中，d表示UE到基站的距离的估计量，P_T表示基站侧下行信号的发送功率，P_R表示UE测量的接收到的下行信号的功率，α表示衰落指数，其中，P_T和P_R分别对应于同一下行信号(如下行同步信号)发送功率和接收功率。

上述两种方式都能够快速计算得到UE与基站之间距离的估计量，保证了随机接入的成功实现。

上述两种方式仅是示例性的说明，本方案不对获知UE与基站之间距离的具体方式进行限定。

参见图5，本方案主要在估计出基站(eNB)与UE之间距离的基础上，自适应设置UE接入前导码的发送时间，保证随机接入前导码到达基站时落入随机接入时间窗内。

32：根据所述估计量，确定所述UE的时间提前量。

在确定与基站大距离的用户的随机接入发送的时间提前量时，可以有如下至少三种方法：

第一种方法、

在保证UE发送的随机接入前导码落入基站的随机接入时间窗的前提下，所确定的时间提前量是可以有一个较宽的调整范围的，例如：

当所述估计量满足时，

确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为

当所述估计量满足

时，

确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为

其中，t表示UE的时间提前量，d表示估计量，C表示光速，GT表示保护间隔。

通常小区半径的计算可以为：小区半径＝GT×C/2，所以上述方法也可以描述为：

当估计量小于小区半径(需要随机接入的小区)时，所确定的时间提前量的范围为0至2d/C；

当估计量大于等于小区半径时，所确定的时间提前量的范围为(2d/C-GT)至2d/C。

这种方法下，根据小区半径将估计量划分为两种类型，小于小区半径的一类和不小于小区半径的一类，在每一类下分别有一个时间提前量的选取范围，有助于提高随机接入的灵活性和鲁棒性。

然而，考虑到距离测量可能存在误差，为了进一步提高随机接入的可靠性、简单性和鲁棒性，可以考虑通过不同区域确定时间提前量的调整，使基站接收到的前导码落入随机接入时间窗的中间位置，以确保能够肯定能够接收到随机接入前导码。

并且，还可以进一步对上述的估计量设置估算误差，根据所述估计量、估算误差和和估算权重，确定所述UE的时间提前量，以提高所确定的时间提前量的鲁棒性。

下面的第二种方法和第三种方法给了两种简单可行的确定时间提前量的方法。

第二种方法、

利用所述估算误差更新所述估计量，例如，通过γd+Δd对d进行更新，其中，d表示估计量，Δd表示估算误差，γ表示估算权重；

当所述更新后的估计量满足2(γd+Δd)/C＜GT时，确定所述UE随机接入的时间提前量为零；

当所述更新后的估计量满足2(γd+Δd)/C≥GT时，通过如下公式确定所述UE随机接入的时间提前量：t＝2(γd+Δd)/C-GT；

其中，t表示UE的时间提前量，d表示估计量，Δd表示估算误差，c表示光速，GT表示保护间隔，γ表示估算权重，γ为正数，一种方案下，γ取值为1。

由于保护间隔GT比较大，Δd的取值可以比较大。这里的Δd的上限可以为GT×C/4，即Δd的取值范围为0至GT×C/4。比如对覆盖半径GT×C/2＝100km的场景，Δd的上限可以为50km。

优选的，Δd取值为GT×C/8为佳。

由上所述，如果UE区域为GT＞2(d+Δd)/C(γ＝1)，这时不用设置时间提前量(为零)，按照现有的随机接入方式发送前导码，则eNB接收的前导码落在随机接入时间窗的范围内。

如果UE区域为GT≤2(d+Δd)/C(γ＝1)，这时需要利用上述公式设置定时提前量。

这种方法下，根据估计量将UE划分至两个区域，在每一区域下对应一个时间提前量，有助于提高随机接入的可靠性和鲁棒性。

第三种方法、

这种方法下根据估计量将UE划分为三个区域，每一区域下对应一个固定的时间提前量，无需再进行计算。

当所述估计量、估算误差和和估算权重满足2(γd+Δd)/C＜GT时，确定所述UE随机接入的时间提前量为零。这时不用设置时间提前量，按照现有的随机接入方式发送前导码，则eNB接收的前导码落在随机接入时间窗的范围内。

当所述估计量、估算误差和估算权重满足GT-2Δd/C≤2γd/C≤GT+2Δd/C，确定所述UE随机接入的时间提前量为t＝GT/2。

当所述估计量、估算误差和估算权重满足GT＜2(γd-Δd)/C时，确定所述UE随机接入的时间提前量为t＝GT。

其中，t表示UE随机接入的时间提前量，d表示估计量，Δd表示估算误差，γ表示估算权重，γ为正数。

这里的Δd的上限为GT×C/4，即Δd的取值范围为0至GT×C/4。比如对覆盖半径GT×C/2＝100km的场景，Δd的上限可以为50km。

这里优选的，Δd取值为GT×C/8为佳。

确定了大覆盖小区发送前导码的定时提前量以后，就进入了UE的随机接入过程。首先需要UE正确接收下行同步信号，保证UE在发起随机接入的时候有正确的参考时钟。

在UE随机接入时，虽然可以接收到基站的下行同步信号，建立了下行同步，但是并不知道与基站之间的距离，因此，为了使得基站接收的前导码落入图5所示的随机接入时间窗内，上行信道的首次发Preamble突发的发送时刻可通过对辅助的位置区域信息，比如接收到的PSS/SSS的功率估计来确定UE的大致区域，让与基站距离超出覆盖区域的用户设备发送时间提前来发送Preamble，从而使得基站接收的前导码落入图5所示的时间窗口内，基站就可在搜索窗口内检测Preamble序列。

本实施例的方案能够支持下述各种情况的随机接入过程：

(1)UE在空闲状态下的初始接入

在UE处于空闲状态时，当需要发起呼叫或收到网络侧业务建立请求的寻呼时，需要首先发起随机接入流程，获取上行同步，并将无线资源控制(RRC)连接建立请求发送给网络侧。

(2)RRC连接重建立过程的随机接入

当RRC连接建立失败，或者无线链路失败后进行RRC连接，重建立过程时，需要触发随机接入流程。

(3)在UE切换过程的随机接入

当UE切换到邻小区后，为了在邻小区获得上行同步，需要发起随机接入流程，获取邻小区上行同步信息。

(4)在RRC链接状态下(RRC_CONNECTED)，失步状态下的随机接入，这包含两种情况：

i)如果有下行数据到达，而上行同步状态指示为“失步”时，则需要触发随机接入流程，让UE重新获得上行同步；(eNB根据同步定时器判断UE处于失步状态，则通过PDCCH通知UE发起随机接入过程)。

ii)如果有上行数据到达，而上行同步状态指示为“失步”，或者当UE没有PUCCH资源发起调度请求时，则需要触发随机接入流程，让UE重新获得上行同步。

参见图6，本发明提供的一种随机接入过程，包括如下步骤：

第一步：UE按照所确定的时间提前量发送随机接入前导码(RandomAccess Preamble)。

若将现有的随机接入方案中、UE发送前导码的时间视为参考时间时，则从参考时间起提前t(时间提前量)发送前导码。

UE发送Preamble后，需要等待网络侧的随机接入响应，如果在给定的时间(根据高层配置的参数ra-ResponseWindowSize来判断)内没有正确收到网络侧的响应，则在配置的Preamble最大发送次数(由高层配置的参数preambleTransMax确定)内，UE可以重复发送Preamble。

第二步：UE接收随机接入响应(Random Access Response，RAR)。

RAR由eNB的MAC层产生，通过随机接入响应MAC PDU发送给物理层，由DL-SCH承载。

第三步：UE发送消息3(MSG3)

UE接收到eNB反馈的随机接入响应后，根据调度许可，在上行链路共享信道(UL-SCH)上发送MSG3。MSG3采用HARQ，重传次数可由RRC配置。MSG3上承载的消息内容根据接入原因不同而不同。eNB可以将MSG3发送至接入网关(aGW)。

第四步：碰撞冲突解决

冲突解决为基于碰撞的随机接入流程的最后一步，冲突解决可以基于PDCCH上传输的C-RNTI或基于在下行链路共享信道(DL-SCH)上传输的UE冲突解决ID。

至此，就完成了UE的随机接入，可以进入UE的上行同步过程。

由上所述，本发明实施例至少具有如下优点：

1、本方案解决了大覆盖小区(如200km)下可靠的随机接入问题。

2、本方案在下行同步后，能够对UE与eNB的距离进行实时范围估计。

3、本方案能够根据估计出的范围设定提前量(设定发送时间)。

4、本方案按照实时估算的范围把定时提前量分成几个不同的等级。

5、本专利可以适用于需要发起随机接入的各种类型(初始随机接入、连接状态的随机接入等)

6、本方案将时间提前量分成几个区间以及按照UE到eNB之间的距离误差动态调整时间提前量。

本发明实施例三还提供了一种用户设备(UE)，参见图7，所述UE包括随机接入控制装置70，

所述随机接入控制装置70，包括：

距离估计量获取单元701，用于获取UE到基站的距离的估计量；

时间提前量确定单元702，用于根据所述估计量，确定所述UE随机接入的时间提前量；

随机接入单元703，用于在发起随机接入时，使所述UE按照所确定的时间提前量向基站发送随机接入前导码，执行随机接入过程。

进一步的，所述时间提前量确定单元702，用于当所述估计量满足

时，确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为

当所述估计量满足时，确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为

进一步的，所述随机接入控制装置70还包括误差设置单元，用于为所述估计量设置估算误差和估算权重；

所述时间提前量确定单元702，用于根据所述估计量、估算误差和估算权重，确定所述UE随机接入的时间提前量。

进一步的，所述时间提前量确定单元702，用于利用所述估算误差和估算权重更新所述估计量；当所述更新后的估计量满足2(γd+Δd)/C＜GT时，确定所述UE随机接入的时间提前量为零；当所述更新后的估计量满足2(γd+Δd)/C≥GT时，通过如下公式确定所述UE随机接入的时间提前量：

t＝2(γd+Δd)/C-GT，其中，t表示UE随机接入的时间提前量，d表示估计量，Δd表示估算误差，γ表示估算权重，C表示光速，GT表示保护间隔；

或者，

所述时间提前量确定单元702，用于当所述估计量、估算误差和估算权重满足2(γd+Δd)/C＜GT时，确定所述UE随机接入的时间提前量为零；当所述估计量、估算误差和估算权重满足GT-2Δd/C≤2γd/C≤GT+2Δd/C，确定所述UE随机接入的时间提前量为t＝GT/2；当所述估计量、估算误差和估算权重满足GT＜2(γd-Δd)/C时，确定所述UE随机接入的时间提前量为t＝GT，其中，t表示UE的时间提前量，d表示估计量，Δd表示估算误差，γ表示估算权重。

本发明设备实施例中各单元的具体工作方式可以参见本发明方法实施例的相关内容，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种无线网络中的随机接入方法，其特征在于，所述方法包括：

获取用户设备UE到基站的距离的估计量；

根据所述估计量，确定所述UE随机接入的时间提前量；

在发起随机接入时，使所述UE按照所确定的时间提前量向基站发送随机接入前导码，执行随机接入过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取用户设备UE到基站的距离的估计量包括：

根据所述UE的全球定位系统GPS的定位信息，获知所述估计量；或者，

利用如下公式，根据路径损耗模型，计算得到所述估计量：

d = 10^{\frac{1}{α} \log_{10} (\frac{p_{T}}{p_{R}})}

其中，d表示UE到基站的距离的估计量，P_T表示基站侧下行信号的发送功率，P_R表示UE测量的接收到的下行信号的功率，α表示衰落指数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述估计量，确定所述UE随机接入的时间提前量包括：

当所述估计量满足

时，

确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为

当所述估计量满足

时，

确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为

其中，t表示UE随机接入的时间提前量，d表示估计量，C表示光速，GT表示保护间隔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括为所述估计量设置估算误差和估算权重，

所述根据所述估计量，确定所述UE随机接入的时间提前量包括：

根据所述估计量、估算误差和估算权重，确定所述UE随机接入的时间提前量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述估计量、估算误差和估算权重，确定所述UE随机接入的时间提前量包括：

利用所述估算误差和估算权重更新所述估计量；

当所述更新后的估计量满足2(γd+Δd)/C≥GT时，通过如下公式确定所述UE随机接入的时间提前量：

t＝2(γd+Δd)/C-GT

其中，t表示UE随机接入的时间提前量，d表示估计量，Δd表示估算误差，γ表示估算权重，C表示光速，GT表示保护间隔。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述估计量、估算误差和估算权重，确定所述UE随机接入的时间提前量包括：

当所述估计量、估算误差和估算权重满足：

2(γd+Δd)/C＜GT

确定所述UE随机接入的时间提前量为零；

当所述估计量、估算误差和估算权重满足：

GT-2Δd/C≤2γd/C≤GT+2Δd/C

确定所述UE随机接入的时间提前量为：

t＝GT/2；

当所述估计量、估算误差和估算权重满足：

GT＜2(γd-Δd)/C，

确定所述UE随机接入的时间提前量为：

t＝GT；

其中，t表示UE的时间提前量，d表示估计量，Δd表示估算误差，γ表示估算权重，C表示光速，GT表示保护间隔。

7.一种用户设备，其特征在于，所述用户设备UE包括随机接入控制装置，

所述随机接入控制装置，包括：

距离估计量获取单元，用于获取UE到基站的距离的估计量；

8.根据权利要求7所述的用户设备，其特征在于，所述时间提前量确定单元，用于当所述估计量满足

时，确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为

当所述估计量满足

时，确定所述UE随机接入的时间提前量的范围为其中，t表示UE的时间提前量，d表示估计量，C表示光速，GT表示保护间隔。

9.根据权利要求7所述的用户设备，其特征在于，所述随机接入控制装置还包括误差设置单元，

所述误差设置单元，用于为所述估计量设置估算误差和估算权重；

所述时间提前量确定单元，用于根据所述估计量、估算误差和估算权重，确定所述UE随机接入的时间提前量。

10.根据权利要求9所述的用户设备，其特征在于，

所述时间提前量确定单元，用于利用所述估算误差和估算权重更新所述估计量；当所述更新后的估计量满足2(γd+Δd)/C＜GT时，确定所述UE随机接入的时间提前量为零；当所述更新后的估计量满足2(γd+Δd)/C≥GT时，通过如下公式确定所述UE随机接入的时间提前量：

或者，

所述时间提前量确定单元，用于当所述估计量、估算误差和估算权重满足2(γd+Δd)/C＜GT时，确定所述UE随机接入的时间提前量为零；当所述估计量、估算误差和估算权重满足GT-2Δd/C≤2γd/C≤GT+2Δd/C，确定所述UE随机接入的时间提前量为t＝GT/2；当所述估计量、估算误差和估算权重满足GT＜2(γd-Δd)/C时，确定所述UE随机接入的时间提前量为t＝GT，其中，t表示UE的时间提前量，d表示估计量，Δd表示估算误差，γ表示估算权重，C表示光速，GT表示保护间隔。