[发明专利]一种基于前导序列分组最优功率的空中基站随机接入方法

权利要求书

1.一种基于前导序列分组最优功率的空中基站随机接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建UAV辅助IoT系统模型，包括BS和若干个与BS建立通信的UE；

S2：采用两步随机接入技术，完成BS与UE之间前导序列的基本传输；其中：

在5G的Release 16协议中，采用了两步随机接入技术，即BS发送的MsgA包括物理随机接入信道PRACH上发送的前导序列以及物理上行分享信道PUSCH上发送的数据；首先，PRACH的前导序列使用循环自相关性很好的ZC序列；根序列索引为u的ZC序列定义为z_u(n)＝exp[-jπun(n+1)/N_ZC]，其中n＝0,1,...,N_ZC-1，N_ZC是ZC序列的长度；通常，随机接入前导序列根据一个循环因子N_CS对ZC序列进行循环移位得到；第i个前导序列表示为z_u,i＝z_u[(n+N_ZC×i)mod(N_ZC)]，其中mod(·)表示取模操作；由于N_CS需要设置为大于BS到小区边缘的最大往返时延RTD和最大时延扩展，即其中表示BS到小区边缘的距离，d₀表示BS距离地面高度，D为地面小区的半径；τ_max表示最大RTD，T_SEQ表示ZC序列的时间间隔，n_g表示保护间隔的采样个数；表示向上取整；

UE将前导序列发送到BS，在BS需要对前导序列进行检测；由于一共有L个根序列，接收到的前导序列存在L个移位后的参考ZC序列l＝1,2,...,L，其中是第l个区域K_l的内边界的RTD；在所有的移位参考ZC序列中，只有与区域K_l内的前导序列具有循环自相关特性；因此，采用该参考ZC序列对区域K_l内的前导序列进行检测，避免产生错误检测区间；

接下来分析数据的传输过程，数据采用分布式功率域NOMA的方法，每个UE根据所处的区域决定自己的发射功率，即区域K_l内的UE的发射功率为v_l，l＝1,2,...,L；由于不同信道之间相互正交，为了方便表示此处将下标c去掉，因此，在BS的PUSCH信号表示为：

其中：g_k，s_k∈C^N×1和表示第k个UE的信道冲激响应向量，数据向量和发射功率；是接收端叠加的复AWGN矩阵，I_M表示M维的单位矩阵，为噪声的方差；将式(2)表示成矩阵的形式，有

Y^d＝GΓS+Z^d               (3)

其中，G＝[g₁,...,g_K]^T∈C^M×K表示CIR矩阵，S＝[s₁,...,s_K]^T∈C^K×N表示数据矩阵，diag{·}是对角化操作符；由于上行传输过程中的信道时延已经通过循环前缀CP进行补偿，而多普勒频移在实际系统中一般通过开环频偏纠正技术在发射端处进行预补偿；假设链路中的障碍物较少，信道一直存在LOS径，因此将g_k拆分成为视距LOS分量和非视距NLOS分量，即

其中：β_k是第k个UE的大尺度衰落系数，K_R是莱斯因子；h_k∈C^M×1的每个元素服从均值为0，方差为1的复高斯随机变量，u_k是第k个UE与BS之间LOS径的阵列导向矢量，其第m个元素表示为：

其中，d_a是天线的间距，λ是载波的波长，θ_k是第k个UE的离开角AOD；接收信号中通常加入导频，在BS根据导频信号采用最小二乘LS信道估计，即得到各UE的估计CIR向量

S3：在基本传输的基础上，构建结合SIC的基于PG的分布式随机接入模型，实现系统模型的初始化、传输和接收；

S4：对系统模型内UE的ASINR进行计算推导；

S5：基于步骤S4的推导结果，建模OPC优化问题并进行求解，得到最优功率，完成空中基站的随机接入；

其中：UAV表示无人机；IoT表示移动物联网；BS表示基站；UE表示用户设备；SIC表示串行干扰消除；PG表示前导序列分组；ASINR表示平均信干噪比；OPC表示最优功率控制。