劉 坤，朱立東

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室，四川 成都611731)

基于LTE的衛(wèi)星移動通信隨機接入技術(shù)研究

劉 坤，朱立東

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室，四川 成都611731)

針對基于LTE體制的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，對隨機接入問題進行了分析討論。針對GEO衛(wèi)星通信中傳播距離遠、時延差大以及小區(qū)半徑大等特點，分析了影響GEO衛(wèi)星的LTE隨機接入前導(dǎo)序列信號格式設(shè)計的因素。針對LEO衛(wèi)星通信中存在大多普勒頻移現(xiàn)象，分析了多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響。最后，提出了一種消除多普勒頻移為整數(shù)倍子載波間隔的解決方案。

衛(wèi)星通信；LTE；隨機接入；多普勒頻移

0 引言

衛(wèi)星通信作為地面蜂窩系統(tǒng)的補充和擴展，是實現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)無縫隙覆蓋不可缺少的通信方式。衛(wèi)星通信憑借其覆蓋面積大、通信距離遠、通信機動靈活、通信頻帶寬、通信容量大和通信的成本與距離無關(guān)等一系列優(yōu)勢特點，一直以來是國內(nèi)外各界研究和競爭的焦點[1]?，F(xiàn)有的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)采用FDMA、TDMA或CDMA多址方式，主要支持文本和語音等較低速率的業(yè)務(wù)，難以適應(yīng)視頻和圖像等多媒體信息的傳輸。地面LTE[2]移動通信系統(tǒng)的成熟，為建立具有多業(yè)務(wù)、高速率和大容量的新一代衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)提供了機遇[3]。

地面LTE蜂窩移動通信系統(tǒng)中，LTE采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和MIMO(Multiple Input Multiple Output)等新技術(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率、頻譜利用率以及小區(qū)容量。但是，LTE應(yīng)用于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中仍存在較多的關(guān)鍵問題需要研究[4]，例如峰均比控制、多普勒頻移消除及用戶接入等等。其中，隨機接入技術(shù)作為地面用戶終端與衛(wèi)星進行交互的第一步，影響著整個通信系統(tǒng)能否正常工作，是該系統(tǒng)研究的重點問題之一。

本文將分別對LTE應(yīng)用于GEO和LEO衛(wèi)星時，產(chǎn)生的隨機接入問題進行分析。GEO衛(wèi)星通信具有衛(wèi)星信道距離遠、時延差大和小區(qū)半徑大等特點，應(yīng)用于地面LTE系統(tǒng)的隨機接入信號前導(dǎo)格式不再適用，需要重新設(shè)計[5]。LEO衛(wèi)星軌道高度大致在500～1 500 km范圍，處于高速運動狀態(tài)，速度可以達到7 km/s，在地面用戶終端與LEO衛(wèi)星通信時，會產(chǎn)生較大的多普勒頻移，對隨機接入信號的檢測產(chǎn)生較大影響。

1 LTE應(yīng)用于GEO衛(wèi)星時的隨機接入前導(dǎo)信號格式設(shè)計

GEO衛(wèi)星具有衛(wèi)星信道距離遠、時延差大以及小區(qū)半徑大等特點，由于GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和地面移動通信系統(tǒng)的差異性，需要對隨機接入信號格式進行重新設(shè)計以適應(yīng)GEO衛(wèi)星通信環(huán)境。

隨機接入前導(dǎo)序列用來標識不同的用戶，是用戶臨時身份的表征信息。衛(wèi)星LTE系統(tǒng)與地面LTE系統(tǒng)相同，均采用ZC(Zadoff-Chu)序列作為隨機接入信號的前導(dǎo)序列。因為ZC序列具有恒幅特性、良好的循環(huán)自相關(guān)性、最小互相關(guān)性等優(yōu)良特性[6]。

通過對同一根指數(shù)的根ZC序列進行循環(huán)移位，可以得到多個具有良好相關(guān)性的隨機接入前導(dǎo)序列，增加用戶可選擇的隨機接入前導(dǎo)序列，降低用戶間的沖突碰撞概率[7]。隨機接入信號的前導(dǎo)格式[8]如圖1所示，包括持續(xù)時間為TCP的循環(huán)前綴CP，持續(xù)時間為TSEQ的前導(dǎo)序列Sequence，持續(xù)時間為TGT的保護間隔GT。以下將根據(jù)GEO衛(wèi)星通信距離遠、傳輸時延差大和波束半徑大的特點，分別對前導(dǎo)序列持續(xù)時間、CP長度、GT長度、循環(huán)移位的長度和子載波間隔等參數(shù)進行設(shè)計。

圖1 隨機接入信號前導(dǎo)格式

上述參數(shù)緊密相關(guān)，互相矛盾。其中序列的持續(xù)時間與子載波間隔互為倒數(shù)，子載波間隔又受多普勒的影響，而序列持續(xù)時間又受小區(qū)半徑和往返時延差等因素影響。因此持續(xù)時間過長，會導(dǎo)致子載波間隔過小，因而受多普勒頻移影響嚴重；若持續(xù)時間較短，又不能保證小區(qū)用戶全部接入[9]。

1.1 序列持續(xù)時間TSEQ設(shè)計

序列的持續(xù)時間受波束內(nèi)終端到達衛(wèi)星的時間不確定性、子載波間隔、波束覆蓋范圍以及序列長度等因素影響。

(1) 時間不確定性

GEO衛(wèi)星一個波束內(nèi)的不同用戶到達衛(wèi)星的時間不同，距離衛(wèi)星最遠的用戶，傳輸時延最大；距離衛(wèi)星最近的用戶，傳輸時延最小。最大往返時延差為波束內(nèi)最大傳輸時延與最小傳輸時延差值的2倍。序列持續(xù)時間TSEQ必須大于波束內(nèi)的最大往返時延差TRTD與最大時延擴展τds之和。

(2) 子載波間隔兼容性

在PRACH與PUSCH子載波間隔兼容性方面，TSEQ的設(shè)計要考慮SC-FDMA信號的生成原則，必須要保證DFT和IDFT的長度NDFT為整數(shù)，即NDFT=fs，TSEQ=m,m∈N，其中，fs為系統(tǒng)采樣率。同時需要保證前導(dǎo)序列子載波與其他上行數(shù)據(jù)傳輸子載波之間的正交性，使正交性損失降到最小。為實現(xiàn)這一目的，需要保證物理上行共享信道(PUSCH)的子載波間隔Δf是物理隨機接入信道(PRACH)子載波間隔ΔfRA的整數(shù)倍，即滿足:

(1)

TSEQ=kTSYS=k/Δf,k∈N，

(2)

式中，TSYS=66.67 μs為SC-FDMA符號的持續(xù)時間。

(3) 波束覆蓋范圍

在覆蓋性能方面，通常情況下，序列持續(xù)時間越長，其覆蓋范圍也會越大。但是，隨著覆蓋范圍的逐漸變大，就需要更長的循環(huán)前綴CP和保護間隔GT來抵消大半徑帶來的長往返時延。增加CP和GT長度的同時，還可以通過對接入前導(dǎo)序列進行周期重復(fù)的方式來適應(yīng)較大的波束覆蓋范圍，周期重復(fù)的目的是在接收端獲取分集增益來增加接收信號的功率。

(4)TSEQ持續(xù)時間確定[10]

(3)

式中，PRA(r)為衛(wèi)星基帶輸入的PRACH信號功率，由鏈路預(yù)算得到，該參數(shù)與波束覆蓋半徑有關(guān)；Nf是接收機噪聲系數(shù)，N0為噪聲功率譜密度，EP/N0為序列能量與熱噪聲比。

對于給定的虛警概率與漏檢概率，可以得到EP/N0大小，由式(3)即可確定TSEQ。

1.2CP持續(xù)時間設(shè)計

循環(huán)前綴CP的設(shè)置可以用來抵抗多徑干擾，解決符號間干擾問題，保證各用戶子載波間的正交性。衛(wèi)星系統(tǒng)中CP持續(xù)時間TCP應(yīng)不小于最大往返時延差TRTD與最大時延擴展τds之和。

1.3GT持續(xù)時間設(shè)計

保護間隔(GT)的作用是為了防止隨機接入的當(dāng)前幀拖尾至下一幀，從而造成符號間干擾，無法保證2幀的數(shù)據(jù)被正確地接收。因此，為了避免2幀之間的混疊，需要加入一定長度的保護間隔，保護間隔的時長TGT應(yīng)該設(shè)置為大于等于最大往返時延差TRTD。

1.4 傳輸時延特性分析

對GEO衛(wèi)星，覆蓋半徑為150km、300km和500km時，最大往返傳輸時延差[11]分別為1.5ms、3.2ms和5.4ms。由TCP=TGT=TRTD+τds≈TRTD可以得到CP和GT的時長。

1.5 隨機接入序列長度及循環(huán)移位偏移值設(shè)計

由于GEO衛(wèi)星通信單波束的覆蓋半徑較大，波束內(nèi)用戶數(shù)較多，因此序列應(yīng)盡可能長，使生成的簽名序列盡可能多，簽名序列的個數(shù)表示該波束內(nèi)可允許同時進行隨機接入的用戶數(shù)量。前導(dǎo)序列簽名之間的正交性或較小的互相關(guān)特性是通過ZC序列的循環(huán)移位得到的。循環(huán)移位的粒度取決于波束半徑以及信道的時延擴展[12]。

PRACH序列是由一個長度為NZC的ZC序列循環(huán)移位得到的，例如，當(dāng)TSEQ=6.4 ms時，NZC=TSEQ×fs=6.4 ms×1.08 MHz≈6 912，NZC即為序列長度，取素數(shù)后為6 911。

循環(huán)移位偏移值NCS與波束覆蓋半徑的關(guān)系為：

(4)

式中，ΔTRTD為往返時延差，τds為最大時延擴展，NZC、TSEQ分別為PRACH序列長度和持續(xù)時間，ng是由接收脈沖成形濾波器所附加的保護采樣個數(shù)。

2 LTE應(yīng)用于LEO衛(wèi)星時隨機接入技術(shù)的改進

2.1 多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響

當(dāng)用戶處于高速運動狀態(tài)時，多普勒頻移較大，影響序列的零自相關(guān)性。

(5)

式中，xμ(n)為ZC序列，Δf為多普勒頻移大小，ejφμ是一個與n無關(guān)的模為1的相位旋轉(zhuǎn)常量。

下面將通過仿真分析得到序列相關(guān)峰的位置隨多普勒頻移的變化趨勢，仿真參數(shù)為：μ=4，NZC=839，ZC序列的循環(huán)移位值Cv=100，dμ=210，信噪比為0dB。

由圖2可以得到如下結(jié)論：當(dāng)多普勒頻移為整數(shù)m倍子載波間隔時，峰值由Cv=100的位置完全搬移到位于Cv+m·dμmodNZC位置處，原相關(guān)峰的能量變?yōu)?。

圖2 相關(guān)檢測峰隨整數(shù)倍子載波間隔的 多普勒頻移變化影響

由圖3可以得到如下結(jié)論：當(dāng)頻偏從0.2倍子載波間隔向0.8倍子載波間隔變化時，原相關(guān)峰值的大小隨多普勒頻移的增大而減小，峰值能量逐漸從Cv位置到Cv+dμ位置轉(zhuǎn)移，并且能量會分散到與Cv相距固定距離dμ整數(shù)倍的點處。

圖3 相關(guān)檢測峰隨小數(shù)倍子載波間隔的 多普勒頻移變化的影響

從上述分析可知，在LEO衛(wèi)星等高速運動場景下，較大的多普勒頻移會導(dǎo)致ZC序列明顯失真，原始相關(guān)峰值的能量會泄露至相鄰的點處，峰值不只出現(xiàn)在循環(huán)移位Cv處，同時也會出現(xiàn)在所有與Cv相距固定距離dμ整數(shù)倍的點處。這種情況下，在預(yù)先設(shè)定的搜索窗內(nèi)可能檢測不到峰值信息。

2.2 隨機接入信號檢測算法的改進

針對在高速移動環(huán)境下產(chǎn)生的大多普勒頻移問題，LTE協(xié)議給出了2個解決方案：對前導(dǎo)序列重復(fù)復(fù)制的方法和對前導(dǎo)序列的循環(huán)移位進行限制的方法[13]。但是這2種方法不能從根本上消除多普勒頻移的影響，而是將多普勒頻移控制在可預(yù)測的范圍。

本文針對LEO衛(wèi)星通信場景下，存在大多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響，提出了一種隨機接入前導(dǎo)序列信號檢測方案。該方案可以消除整數(shù)倍子載波間隔的多普勒頻移影響，主要思想是在接收端獲得多普勒頻移的整數(shù)倍子載波間隔估計值，對接收信號進行頻率補償，將多普勒頻移控制在一個子載波間隔范圍內(nèi)，然后再進行隨機接入檢測。該方案詳細的步驟如下：

① 多普勒頻移導(dǎo)致隨機接入前導(dǎo)序列發(fā)生位移，位移大小為dμ，選取使dμ較小的ZC序列xμ(n)的根指數(shù)μ，這樣可以將單用戶受多普勒頻移影響的相關(guān)峰限制到單用戶的檢測窗口中。在接收端，接收到的隨機接入信號與本地根ZC序列進行頻域相關(guān)，獲得隨機接入相關(guān)峰的最大相關(guān)幅度值及所在位置信息d1，以及次大相關(guān)幅度值及所在位置信息d2；

3 結(jié)束語

隨機接入是實現(xiàn)LTE應(yīng)用于衛(wèi)星通信的第一步，分析GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星等不同衛(wèi)星通信場景下的隨機接入對實現(xiàn)兼容地面LTE的衛(wèi)星系統(tǒng)的可行性研究具有重要意義。本文針對GEO衛(wèi)星通信信道距離遠、時延差大和小區(qū)半徑大等特點，結(jié)合實際的參數(shù)和地面兼容性問題，分析得出了適應(yīng)于GEO衛(wèi)星的LTE隨機接入的前導(dǎo)信號格式設(shè)計方法。本文針對LEO衛(wèi)星通信中存在的大多普勒頻移現(xiàn)象，分析了多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響，并提出了一種消除多普勒頻移影響的方案，為進一步研究兼容LTE的LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

[1] 汪春霆,張俊祥,潘申富,等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[2] 鄭祖輝.我國專網(wǎng)LTE的發(fā)展探討[J].移動通信，2014，38(1)：45-47.

[3] 李廣達,孫晨華,劉 剛.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].無線電工程,2016,46(3):5-8.

[4] Siyang L,Fei Q,Zhen G,et al.LTE-satellite: Chinese Proposal for Satellite Component of IMT-Advanced System[J].China Communications,2013,10(10):47-64.

[5] Kim H W,Kang K,Ku B J,et al.SAT-OFDM:A Satellite Radio Interface for the IMT-Advanced System[J].International Journal of Satellite Communications & Networking,2015,33(4):295-314.

[6] Wen Y,Huang W,Zhang Z.CAZAC Sequence and Its Application in LTE Random Access[C]∥2006 IEEE Information Theory Workshop-ITW′06 Chengdu,IEEE,2006:544-547.

[7] 羅洪中,胡 晶,李澤朋.LTE技術(shù)在機動接入中的應(yīng)用與研究[J].無線電工程,2012,42(4):51-52.

[8] Stefania S,Issam T,Matthew B.LTE-UMTS長期演進理論與實踐[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[9] 郭 瑾.LTE系統(tǒng)中隨機接入的研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2011.

[10] 3GPP TR 25.814,V7.1.0,Physical Aspects for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) (Release 7)[S],2006.

[11]欒 西,徐曉燕,任術(shù)波,等.多波束衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的傳輸時延特性分析[C]∥通信理論與信號處理學(xué)術(shù)年會,2010：135-141.

[12]李成梅,任術(shù)波,吳建軍.衛(wèi)星移動通信中隨機接入問題的初步研究[C]∥衛(wèi)星通信學(xué)術(shù)年會,2013：486-493.

[13]張涵嫣,孫貴芳,皮定杰.LTE-A系統(tǒng)隨機接入過程的實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):98-101.

Research on the Random Access Technology of LTE Based Satellite Mobile Communications

LIU Kun,ZHU Li-dong

(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China)

This paper analyzes and discusses the random access for mobile satellite communications system based on LTE system.In view of such characteristics of GEO satellite communication as long distance,large delay inequality,large cell radius,etc.,the factors that affect the design of LTE random access preamble signal format are analyzed.In view of large Doppler frequency shift in LEO satellite communication,the influence of Doppler frequency shift on random access signal detection is analyzed.Finally,this paper puts forward a solution of eliminating Doppler frequency shift with integer subcarrier spacing.

satellite communication;LTE;random access;doppler frequency shift

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.03

劉 坤，朱立東.基于LTE的衛(wèi)星移動通信隨機接入技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù),2017,43(2):12-15.

2016-12-19

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA01A502)；四川省科技廳資助項目(214GZX004)

劉 坤(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：LTE技術(shù)與通信衛(wèi)星融合。朱立東(1968—),男，教授，主要研究方向：無線與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信號處理、信道建模與仿真、資源管理及移動性管理等技術(shù)。

TN929.5

A

1003-3114(2017)02-12-4