姜垚先 秦浩

【摘? 要】針對(duì)GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)隨機(jī)接入碰撞概率高、往返時(shí)延大等問(wèn)題，提出了一種基于SG-TDOA分區(qū)的方案，通過(guò)等時(shí)延差線對(duì)地面波束覆蓋小區(qū)進(jìn)行分區(qū)，利用覆蓋用戶的兩顆衛(wèi)星協(xié)同定位，獲取用戶終端的分區(qū)位置信息并對(duì)往返時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，增大隨機(jī)接入前導(dǎo)集，增強(qiáng)隨機(jī)接入能力。仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)衛(wèi)星隨機(jī)接入方案相比，所提出的方案在隨機(jī)接入能力方面有很大的改進(jìn)，同時(shí)可以降低隨機(jī)接入的碰撞概率。

【關(guān)鍵詞】空間分區(qū);隨機(jī)接入;衛(wèi)星通信;碰撞概率

中圖分類號(hào)：TN927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）05-0009-05

1? ?引言

空天地海一體化通信網(wǎng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，有力地帶動(dòng)了我國(guó)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成具有巨大潛力的核心競(jìng)爭(zhēng)力和民族創(chuàng)造力，是我國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球化覆蓋及萬(wàn)物互聯(lián)的必由之路?？仗斓睾Ｒ惑w化通信網(wǎng)由空間層和地面層組成，兩者通過(guò)星地間的鏈路實(shí)現(xiàn)全球覆蓋[1]。目前，我國(guó)空天地海一體化空間層骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有GEO單層骨干網(wǎng)絡(luò)和GEO（Geostationary Earth Orbit，地球靜止軌道）+LEO（Low Earth Orbit，低軌道）雙層網(wǎng)絡(luò)兩種方案[2]，但與傳統(tǒng)陸地通信相比，GEO衛(wèi)星波束小區(qū)具有更廣的覆蓋范圍和較高的傳輸時(shí)延。

針對(duì)GEO衛(wèi)星波束覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，現(xiàn)有的傳統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)主要參考地面移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[3]中LTE的隨機(jī)接入過(guò)程，在波束內(nèi)海量MTC業(yè)務(wù)與HTC業(yè)務(wù)共存情況下，標(biāo)準(zhǔn)LTE隨機(jī)接入會(huì)面臨接入資源明顯不足的問(wèn)題，從而會(huì)造成較高的碰撞概率和網(wǎng)絡(luò)過(guò)載，會(huì)降低一體化通信網(wǎng)的吞吐量。因此，需要有效的隨機(jī)接入方法減輕碰撞概率較高的問(wèn)題。Taehoon Kim在文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于空間分組的隨機(jī)接入SGRA序列集合，通過(guò)將小區(qū)覆蓋空間劃分成多個(gè)分組區(qū)域并減小隨機(jī)接入前導(dǎo)序列的循環(huán)移位間隔來(lái)增加前導(dǎo)碼的數(shù)量，在一定程度上降低終端用戶的碰撞概率，證明了空間分組應(yīng)用于衛(wèi)星通信隨機(jī)接入過(guò)程有一定的研究?jī)r(jià)值。但是，該方案的前提是終端可以通過(guò)GPS、北斗等定位系統(tǒng)獲取自身位置信息[5]。

考慮到衛(wèi)星通信傳輸時(shí)延較高的特點(diǎn)，SGRA方案不能直接應(yīng)用于衛(wèi)星通信。利用定位系統(tǒng)獲取終端用戶的位置信息，進(jìn)而基于時(shí)延預(yù)補(bǔ)償方案，通過(guò)對(duì)往返時(shí)延差預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)消除隨機(jī)接入時(shí)間的不確定性，從而減小循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，進(jìn)一步減小前導(dǎo)序列的長(zhǎng)度，該方案可以滿足基本的通信要求[6]。

本文提出一種兩星到達(dá)時(shí)間差的分區(qū)（SG-TDOA， Spatial Group Based on Two-Satellite Time Difference of Arrival）方案。針對(duì)一體化通信網(wǎng)中多顆衛(wèi)星協(xié)同通信的場(chǎng)景，利用終端用戶與通信網(wǎng)中兩顆衛(wèi)星時(shí)延差特性對(duì)地面波束小區(qū)進(jìn)行定位分區(qū)，將地面波束覆蓋小區(qū)劃分成不同的子區(qū)。一方面通過(guò)終端用戶與兩星時(shí)延差特征進(jìn)行位置分區(qū)定位，對(duì)子區(qū)用戶終端的往返時(shí)延差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，在一定程度上降低子區(qū)用戶隨機(jī)接入到達(dá)時(shí)間的不確定性。另一方面，對(duì)地面波束覆蓋小區(qū)進(jìn)行分區(qū)，增加可用前導(dǎo)總數(shù)，提升用戶終端的接入資源數(shù)量，減小前導(dǎo)沖突碰撞概率。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)衛(wèi)星隨機(jī)接入方案相比，所提出的方案能夠有效地提高衛(wèi)星通信隨機(jī)接入能力，同時(shí)可以降低隨機(jī)接入的碰撞概率。

2? ?系統(tǒng)介紹

2.1? 空間分組SGRA方案簡(jiǎn)介

本文基于傳統(tǒng)地面SGRA方案提出的SG-TDOA分區(qū)方案，首先對(duì)文獻(xiàn)[7]中的SGRA方案進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

LTE系統(tǒng)采用具有良好的自相關(guān)和零互相關(guān)特性的ZC（ZC， Zadoff-Chu）序列作為隨機(jī)接入前導(dǎo)序列，其定義為：

其中，NZC表示序列長(zhǎng)度， u{1，…，NZC-1}為物理根序列號(hào)。在LTE系統(tǒng)中，可以通過(guò)ZC序列的不同循環(huán)移位NCS得到多個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)序列。其中，循環(huán)移位NCS（d）=[（20d/3+τds）NZC/TSEQ]，d表示小區(qū)半徑，τds表示小區(qū)的最大多徑時(shí)延擴(kuò)展，NZC和TSEQ分別表示ZC序列的序列長(zhǎng)度和序列持續(xù)時(shí)間。進(jìn)而可以計(jì)算可用前導(dǎo)數(shù)NPAroot（d）=NZC/TCS（d），由此可以看出，可用前導(dǎo)數(shù)隨著小區(qū)半徑d的減少而增加。

圖1為小區(qū)空間分組SGRA（Spatial Group Based Random Access）方案模型示意圖，在該模型中，半徑為d的小區(qū)覆蓋區(qū)域被分成K個(gè)空間分組。第一個(gè)分組是半徑為d1的圓形覆蓋區(qū)域，其他分組分別是寬度為d2，d3，…，dK的環(huán)形區(qū)域。這K個(gè)分組循環(huán)移位偏移值NCS（dk）和可用前導(dǎo)數(shù)目NPAroot（dk）與dk有關(guān)，表示為：

從上述公式可以發(fā)現(xiàn)，由于每個(gè)分組的覆蓋距離dk小于小區(qū)半徑d，那么NCS（dk）NPAroot（d）。也就是說(shuō)，對(duì)于小區(qū)內(nèi)每個(gè)可用的根序列而言，基于空間分組生成的可用前導(dǎo)數(shù)大于不分組情況下的，從而增加了可用前導(dǎo)總數(shù)，進(jìn)而提升了用戶終端的接入資源數(shù)量，降低了前導(dǎo)沖突碰撞概率。

但是，此SGRA方案終端用戶需要依靠導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行輔助定位，終端通過(guò)定位信息確定自己所在的分區(qū)，解碼衛(wèi)星廣播信號(hào)得到所在分組的邏輯跟序列號(hào)和循環(huán)移位值，生成隨機(jī)接入前導(dǎo)序列并發(fā)起隨機(jī)接入申請(qǐng)。此方案對(duì)于不借助輔助定位系統(tǒng)的單一衛(wèi)星通信網(wǎng)和沒(méi)有配置GPS模塊的終端用戶并不適用。

2.2? SG-TDOA方案介紹

在空天地海一體化通信網(wǎng)場(chǎng)景下，終端用戶可以不依靠GPS、北斗等定位系統(tǒng)，利用兩顆衛(wèi)星協(xié)同定位的方式來(lái)大致確定終端分區(qū)位置，為簡(jiǎn)化通信過(guò)程、降低通信成本提供可能，由此提出SG-TDOA分區(qū)方案。

對(duì)SG-TDOA分區(qū)方案建模，首先介紹該模型所用到的三維空間直角坐標(biāo)系。空間直角坐標(biāo)系又稱為地固坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)在地球中心，各坐標(biāo)軸與地球固定連接，Z軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合指向北極，X、Y軸互相垂直并固定在赤道平面上，X軸由地心向外指向格林威治子午圈與赤道的交點(diǎn)，Y軸按右手系與X軸呈90°夾角。已知終端用戶的經(jīng)緯度坐標(biāo)U（α， β），將終端經(jīng)緯度的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(biāo)U（x，y，z），轉(zhuǎn)換滿足式（4）關(guān)系，其中R代表地球半徑。

如圖2所示，已知衛(wèi)星1星下點(diǎn)坐標(biāo)（α1， β1）和衛(wèi)星2星下點(diǎn)坐標(biāo)（α2， β2），則兩衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)其共同覆蓋波束區(qū)域內(nèi)某個(gè)用戶終端U（α， β）的時(shí)延差τi滿足方程：

其中，r1表示終端與衛(wèi)星1之間的距離;r2表示終端與衛(wèi)星2之間的距離;c代表光速3×108 m/s;H表示衛(wèi)星高度與地球半徑之和。

假定兩衛(wèi)星通過(guò)系統(tǒng)信息周期性同步廣播隨機(jī)接入相關(guān)的配置信息，由于兩顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的星地距離不同，兩路廣播信號(hào)到達(dá)地面小區(qū)用戶的時(shí)間不同，存在時(shí)延差，將兩衛(wèi)星共同覆蓋波束范圍內(nèi)傳播時(shí)延差相等的地面位置連成曲線，定義為等時(shí)延差線。隨著τ的不同，等時(shí)延差線可以將兩衛(wèi)星波束共同覆蓋的小區(qū)劃分成不同的子區(qū)。如圖3所示，對(duì)兩衛(wèi)星波束共同覆蓋的小區(qū)設(shè)定等時(shí)延差間隔，K-1條等時(shí)延差線將小區(qū)劃分成{G1，G2，…，GK}共K個(gè)子區(qū)。

此處假設(shè)兩衛(wèi)星位于GEO軌道，位置關(guān)于格林威治子午線對(duì)稱，則衛(wèi)星1星下點(diǎn)的位置可以表示為（α1， 0），衛(wèi)星2星下點(diǎn)的位置表示為（-α1， 0），將兩衛(wèi)星位置坐標(biāo)代入式（5）方程組展開(kāi)化簡(jiǎn)得：

式（2）到式（6）表示了終端用戶位置U（α， β）與兩星傳播時(shí)延差τ之間的關(guān)系，所以知道時(shí)延差τ即可對(duì)用戶位置U（α， β）信息進(jìn)行粗略估計(jì)，確定終端用戶所在的分區(qū)位置，解碼SIB2信號(hào)得到所在子區(qū)的邏輯根序列號(hào)和循環(huán)移位值，生成隨機(jī)接入前導(dǎo)序列發(fā)起隨機(jī)接入申請(qǐng)。同時(shí)，終端用戶通過(guò)定位自己所在的分區(qū)位置，可以計(jì)算出用戶與衛(wèi)星往返傳播時(shí)延的范圍，對(duì)用戶往返傳播時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償。處于兩星波束共同覆蓋區(qū)域的某個(gè)終端用戶U（α， β）與衛(wèi)星i的往返傳播時(shí)延可以表示為式（7）：

由式（2）到式（7）則可以計(jì)算出兩星波束共同覆蓋區(qū)域的終端用戶信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星i的往返傳播時(shí)延的最大值和最小值，其差值表示最大往返傳播時(shí)延差△RTDi。對(duì)于SG-TDOA分區(qū)方案，同理可以計(jì)算出第k個(gè)子區(qū)Gk內(nèi)終端用戶U（α， β）信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星i的最大往返傳播時(shí)延差△RTDi（k）。

針對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、碰撞概率高的問(wèn)題，基于SGRA分組方案提出SG-TDOA分區(qū)方案，通過(guò)分區(qū)對(duì)每個(gè)子區(qū)的前導(dǎo)序列重新設(shè)計(jì)，使得小區(qū)總的前導(dǎo)數(shù)量大于不分區(qū)情況下小區(qū)的前導(dǎo)數(shù)目，增加小區(qū)可用前導(dǎo)總數(shù)，降低前導(dǎo)沖突碰撞概率。針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳播時(shí)延大、終端用戶需要依靠導(dǎo)航定位系統(tǒng)輔助定位的特點(diǎn)，利用覆蓋用戶的多顆衛(wèi)星協(xié)同定位獲取用戶終端的分區(qū)位置信息，加入往返時(shí)延補(bǔ)償方案，對(duì)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)終端的最小往返傳播時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)補(bǔ)償后的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列CP持續(xù)時(shí)間只需克服最大往返時(shí)延差△RTDi帶來(lái)的時(shí)間不確定性。對(duì)基于SG-TDOA分區(qū)方案來(lái)說(shuō)，利用終端用戶與兩顆衛(wèi)星時(shí)延差特性進(jìn)行協(xié)同定位獲取終端用戶所在的子區(qū)位置信息，各子區(qū)需對(duì)子區(qū)內(nèi)終端最小往返時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后各子區(qū)前導(dǎo)序列CP持續(xù)時(shí)間只需克服各自子區(qū)最大往返時(shí)延差△RTDi（k）帶來(lái)的時(shí)間不確定性。

2.3? 碰撞概率分析

如果同一小區(qū)中的多個(gè)終端在相同的RA時(shí)隙上發(fā)送相同的前導(dǎo)序列，則它們將收到相同的RA響應(yīng)消息，進(jìn)而接收到相同的上行鏈路授權(quán)和TA信息。然后，它們?cè)谙嗤纳闲墟溌焚Y源上發(fā)送它們所需的消息，這在第三步中引起碰撞。如果發(fā)生碰撞，衛(wèi)星在第四步中不發(fā)送反饋消息。因此，終端識(shí)別出碰撞并推遲后續(xù)的RA。

設(shè)p表示碰撞概率，整個(gè)小區(qū)碰撞概率表示為[8]：

其中W（x）為朗伯W函數(shù);NPA代表小區(qū)中前導(dǎo)序列的數(shù)量;λ表示終端設(shè)備隨機(jī)接入到達(dá)率（單位sec-1）;M表示單個(gè)小區(qū)中終端設(shè)備數(shù);TRACH表示PRACH時(shí)隙周期。因此，小區(qū)中第k個(gè)子區(qū)碰撞概率為：

其中NkPA代表第k個(gè)子區(qū)中前導(dǎo)序列的數(shù)量;Mk表示第k個(gè)子區(qū)中終端設(shè)備數(shù)目。

3? ?模型評(píng)估

3.1? 終端分區(qū)定位分析

下面針對(duì)所提出的SG-TDOA分區(qū)方案終端用戶分區(qū)定位效果進(jìn)行仿真分析，此處仿真所選取衛(wèi)星的參數(shù)如表1所示，其中方位角是衛(wèi)星波束中心和星下點(diǎn)連線與衛(wèi)星運(yùn)行方向的夾角;仰角是衛(wèi)星波束中心和衛(wèi)星連線與地平線的夾角。衛(wèi)星子波束半徑取300 km，分區(qū)等時(shí)延差間隔取90μs。

兩衛(wèi)星周期性同步廣播隨機(jī)接入相關(guān)的配置信息，假設(shè)終端用戶測(cè)得兩衛(wèi)星廣播信號(hào)時(shí)延差為1 300μs，通過(guò)SG-TDOA分區(qū)方案式（6）的推導(dǎo)對(duì)終端分區(qū)位置信息進(jìn)行估計(jì)，仿真結(jié)果如圖4所示。

如圖4所示，90μs的等時(shí)延差線間隔將兩衛(wèi)星共同覆蓋的小區(qū)劃分為5個(gè)子區(qū)，當(dāng)終端用戶測(cè)得兩衛(wèi)星廣播信號(hào)時(shí)延差為1 300μs時(shí)，仿真得到終端位置位于時(shí)延差范圍為（1 350， 1 260]的子區(qū)內(nèi)，由此可以得出SG-TDOA分區(qū)方案可以對(duì)終端分區(qū)位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。

3.2? 碰撞概率分析

基于表1衛(wèi)星位置及波束參數(shù)和表2小區(qū)隨機(jī)接入前導(dǎo)序列參數(shù)衛(wèi)進(jìn)行仿真，證明所提出的基于SG-TDOA分區(qū)隨機(jī)接入方案前導(dǎo)序列在MAC層的碰撞概率方面性能的改進(jìn)。

假設(shè)M個(gè)終端在兩衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)服從指數(shù)分布訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端數(shù)量M不同時(shí)，基于SG-TDOA分區(qū)隨機(jī)接入方案與傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案的碰撞概率如圖5所示：

圖5是不同RA方案碰撞概率曲線，從圖中可以看出，當(dāng)終端數(shù)量M=200 000時(shí)，所提基于SG-TDOA分區(qū)隨機(jī)接入方案碰撞概率為5.05%，基于傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案碰撞概率為11.14%。另一方面，如果設(shè)定隨機(jī)接入碰撞概率為1%，基于SG-TDOA分區(qū)隨機(jī)接入方案小區(qū)可容納的終端數(shù)量為40 401，基于傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案小區(qū)可容納的終端數(shù)量為19 001，基于SG-TDOA分區(qū)隨機(jī)接入方案容納的終端數(shù)量為傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案的2.126 3倍。

4? ?結(jié)論

本文針對(duì)GEO軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)提出SG-TDOA分區(qū)方案，利用覆蓋用戶的兩顆衛(wèi)星協(xié)同定位獲取用戶終端的分區(qū)位置信息對(duì)往返時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)通過(guò)分區(qū)增加了終端可用前導(dǎo)總數(shù)，提升了用戶終端的接入資源數(shù)量，降低了前導(dǎo)沖突碰撞概率。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)衛(wèi)星隨機(jī)接入方案相比，基于SG-TDOA分區(qū)隨機(jī)接入方案在增加用戶容納數(shù)量和降低碰撞概率方面性能更加優(yōu)越，證明SG-TDOA分區(qū)方案降低隨機(jī)接入碰撞概率的可行性，同理，此方案還可以進(jìn)一步推廣至IGSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

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