張志麗，王力權，王艷君，解立坤，王 茹

(中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡作為國家信息網(wǎng)絡的重要基礎設施，以覆蓋范圍廣、機動靈活、不受地理及氣候因素限制等特點，在維護國家安全、保障國計民生以及促進經(jīng)濟發(fā)展等方面有著重大的戰(zhàn)略意義，是全球范圍內(nèi)的研究熱點和各國經(jīng)濟科技競爭的制高點[1-2]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，應用場景涵蓋了社會生活的方方面面，而衛(wèi)星通信系統(tǒng)憑借著其覆蓋范圍廣、系統(tǒng)抗毀性強等優(yōu)勢，可以為放置在偏遠地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)終端提供接入服務，可在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)真正意義上的“萬物互聯(lián)”。2020年，我國物聯(lián)網(wǎng)設備連接數(shù)將超過10億，有望成為世界上最大的物聯(lián)網(wǎng)市場。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在科技發(fā)展中占據(jù)著重要的戰(zhàn)略地位，我國作為物聯(lián)網(wǎng)大國，也在大力進行衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和建設。

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的出現(xiàn)給物聯(lián)網(wǎng)應用帶來新的機遇，同時也對其通信技術提出了新的挑戰(zhàn)。其中，隨機接入技術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，是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究的重點問題之一。目前已有文獻對隨機接入方案進行了設計，有的研究了地面物聯(lián)網(wǎng)或WCDMA系統(tǒng)中的隨機接入方案[3-4]，有的針對低軌LTE衛(wèi)星系統(tǒng)對隨機接入前導序列進行設計[5]，還有高速場景中的前導序列設計與檢測方案[6-7]。然而，現(xiàn)有的隨機接入前導序列設計場景并不適用于基于GEO的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。GEO衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)廣覆蓋的特征導致系統(tǒng)的通信時延較大，這一特點使得終端在發(fā)起隨機接入請求時前導(Preamble)序列到達信關站的時間較長，因此需要考慮衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)特有的特點設計隨機接入信道。

本文以衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中隨機接入關鍵技術為主要研究內(nèi)容，基于該系統(tǒng)波束內(nèi)傳輸時延較大和波束覆蓋范圍廣的特點，設計適用于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的隨機接入前導序列設計方案，在接收端采用基于二維FFT的到達時間估計(Time-of-Arrival,ToA)算法[8]，檢測前導序列，并對所設計參數(shù)的TOA估計誤差進行仿真評估與研究。仿真結(jié)果表明，該設計方案適用于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可基本滿足大時延下正常的隨機接入過程。

1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入信道

1.1 隨機接入信道設計原理

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的隨機接入信道結(jié)構(gòu)需要根據(jù)該系統(tǒng)往返時延較大、波束覆蓋范圍廣、終端連接數(shù)量大以及系統(tǒng)功耗較低等特有的特點進行設計。為了滿足上述要求，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)采用單載波PRACH方案，即一個符號組在頻域上僅占用1個子載波，終端可以將全部功率集中在這個子載波上，從而提供更高的功率譜密度，適合在衛(wèi)星場景下實現(xiàn)終端接入需求。由于單子載波PRACH的頻率帶寬非常小，僅為一個子載波間隔，頻率上容易受到頻率選擇性衰落的影響，造成前導檢測性能下降。因此，前導發(fā)送時需要支持頻率跳頻，獲得理想的頻率分集增益，進而抑制頻率選擇性衰落的影響[9]。

為了提高在信噪比較低時的隨機接入性能，跳頻在同一子載波上傳輸若干個符號(即以符號組作為前導序列的基本單位)，相干組合積累信號能量。跳頻步長影響時間估計精度，因此設置兩種跳頻步長：第一種實現(xiàn)粗估計；第二種在確定的時延范圍內(nèi)實現(xiàn)更高精度的定時估計[10]。成對的向上跳頻和向下跳頻結(jié)構(gòu)可以減輕多普勒頻移帶來的載波頻率偏移(CFO)影響。

前導序列基本單位為4個符號組，且4個符號組通過跳頻發(fā)送的結(jié)構(gòu)可以獲得頻率分集增益[11]。該結(jié)構(gòu)的前導序列在每個符號組內(nèi)發(fā)送的信號都相同，因此可以保證頻域上配置多條隨機接入信道時，隨機接入信道之間的正交性，即無需在PRACH信道之間配置保護帶寬[12]。

1.2 隨機接入信道結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述設計原理，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)隨機接入信道(PRACH)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)隨機接入信道結(jié)構(gòu)Fig.1 Channel structure of random access for satellite internet of things system

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)前導序列的基本單位為4個符號組(Symbol Groups)，一個符號組包含一個循環(huán)前綴(CP)以及若干個符號，前導序列的所有符號組發(fā)送的信號都相同，且該信號為“1”。每個符號組發(fā)送時占用的子載波相同，且符號組之間配置2個等級的跳頻間隔，1st/2nd符號組之間和3rd/4th符號組之間配置第一等級的跳頻間隔，即內(nèi)層跳頻步長；2nd/3rd符號組之間配置第二等級的跳頻間隔，即外層跳頻步長。所有符號組占用的子載波被限制在一個帶寬內(nèi)。前導序列在系統(tǒng)帶寬內(nèi)重復傳輸，不同的重復次數(shù)支持不同的覆蓋級別[11]，每次重復時，會根據(jù)跳頻規(guī)則[13]映射到不同的子載波上。

2 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入前導序列設計

2.1 傳輸時延特性分析

衛(wèi)星通過波束成形的方式在某一范圍內(nèi)形成若干大小相同的點波束，組成多波束系統(tǒng)。每一個波束的覆蓋范圍構(gòu)成一個與蜂窩系統(tǒng)小區(qū)功能類似的波束小區(qū)，并獨立于其他小區(qū)與衛(wèi)星進行通信[14]。對于GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，波束覆蓋半徑大約為150～300 km。如圖2所示，一個衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，距離衛(wèi)星最遠的用戶與衛(wèi)星通信時傳輸路徑最長，傳輸時延最大；距離衛(wèi)星最近的用戶與衛(wèi)星通信時傳輸路徑最短，傳輸時延最小。最大傳輸時延差ΔTmax定義為波束內(nèi)最大傳輸時延與最小傳輸時延的差值。根據(jù)文獻[15]中的計算模型，在波束范圍為200 km情況下，最大往返時延差為ΔTRTD=2ΔTmax=1.923 2 ms。

圖2 波束內(nèi)傳輸時延差示意圖Fig.2 Intra-beam transmission delay difference

2.2 系統(tǒng)參數(shù)設計

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)隨機接入采用跳頻模式發(fā)送符號組，2個相鄰符號組之間的相位差可以進行到達時間估計(ToA)，符號組跳頻步長影響ToA估計精度[16]，精確的ToA對設備定位和上行信號解碼非常重要。因此，跳頻步長的設計需要考慮系統(tǒng)要求的到達時間估計精度，而跳頻步長應滿足為子載波間隔的整數(shù)倍，即設計PRACH子載波間隔時應考慮到系統(tǒng)的ToA估計精度要求。

該系統(tǒng)中，ToA估計是通過相鄰符號組上符號的差分運算實現(xiàn)的，運算結(jié)果可以表示為：

s=|H|2ej2πΔfhopτRTT，

(1)

式中，Δfhop為內(nèi)層跳頻步長，H為假設在2個相應子載波上相同的信道頻率響應，τRTT是對于給定UE的環(huán)路延時(Round-Trip Time，RTT)。

ToA估計由RTT得到，RTT可以估計為：

(2)

因此，τRTT∈{0,1/Δfhop}所支持的小區(qū)尺寸越大，τRTT范圍越大，Δfhop越小，即波束覆蓋范圍會影響內(nèi)層跳頻步長。

根據(jù)上述設計原理，Δfhop=1/τRTTmax，對于GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，在波束覆蓋范圍為200 km情況下，最大傳輸時延差為TRTD=1.923 2 ms，即τRTTmax=TRTD=1.923 2 ms，因此

Δfhop=1/τRTTmax=1/1.923 2 ms=520 kHz ,

(3)

即對于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，1st/2nd符號組之間內(nèi)層跳頻步長的上限為520 kHz。考慮到衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)PUSCH子載波間隔Δf=3.75 kHz，為使PRACH子載波和周圍上行數(shù)據(jù)傳輸子載波間的正交損失最小， PUSCH的子載波間隔Δf應為PRACH子載波間隔ΔfRA的整數(shù)倍，即

(4)

式中，TSYM為上行數(shù)據(jù)傳輸子載波符號持續(xù)時間。因此，前導序列持續(xù)時間必須是上行數(shù)據(jù)傳輸子載波持續(xù)時間的整數(shù)倍，即

(5)

由于跳頻的最小單位為一個子載波，因此PRACH子載波間隔ΔfRA應為內(nèi)層跳頻步長Δfhop的整數(shù)倍，令內(nèi)層跳頻步長為：

(6)

為了滿足內(nèi)層跳頻步長達到468.75 Hz，令PRACH子載波間隔為：

(7)

根據(jù)上述分析過程，可以得到衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)隨機接入?yún)?shù)Tab.1 Parameters of random access for satellite internet of things system

2.3 序列持續(xù)時間設計

假設終端間的最大往返時延差為TRTD，波束內(nèi)最大時延擴展為τds，序列持續(xù)時間應滿足TSEQ>TRTD+τds，即TSEQ>TCP。由于信關站要測定用戶到衛(wèi)星的距離，若TSEQ

在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，CP的作用和地面中CP的作用相同，因此衛(wèi)星上CP的持續(xù)時間須達到最大往返差和最大時延擴展之和，即TCP=TRTD+τds，這就確保了在觀察間隔內(nèi)能夠接收到衛(wèi)星移動終端發(fā)送的完整序列。

同地面中的GT作用相同，GT持續(xù)時間等于最大往返時延，即TGT=TRTD，這是為了保證隨機接入幀的數(shù)據(jù)不會拖尾至下一子幀，否則會引起符號間干擾，而無法保證隨機接入和下一子幀的數(shù)據(jù)正確接收。

對于GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，在波束覆蓋范圍為200 km情況下，最大傳輸時延差為TRTD=1.923 2 ms。根據(jù)上述原理，可以得到以下約束條件：

TCP>1.923 2 ms，

(8)

TGT>1.923 2 ms，

(9)

TSEQ>TCP。

(10)

根據(jù)2.2節(jié)的系統(tǒng)參數(shù)，采樣間隔τ=4.17 μs，因此，令

TCP=NCP×τ=462×4.17 μs=1.925 ms，

(11)

TGT>TCP=1.925 ms。

(12)

根據(jù)1.2節(jié)中隨機接入信道結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)前導序列的基本單位為4個符號組，一個符號組包含一個CP以及若干個符號。一個符號組由多個符號組成的結(jié)構(gòu)通過相干組合提高接收到的信噪比，可以提高低信噪比下的接入性能。根據(jù)表1，當前配置下，一個符號持續(xù)時長TOFDM=2.133 ms，一個符號組包含的符號數(shù)需要根據(jù)不同的系統(tǒng)要求仿真確定。

3 仿真分析

根據(jù)第2節(jié)的分析，對于GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，在波束覆蓋半徑為200 km時，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。符號組包含符號個數(shù)，外層跳頻步長及前導序列重復傳輸次數(shù)需要根據(jù)實際系統(tǒng)要求仿真確定。當前系統(tǒng)參數(shù)配置下，采樣間隔τ=4.17 μs，即一個采樣點的持續(xù)時長為4.17 μs，因此目標定時誤差應小于τ，即TOA估計誤差應在一定概率內(nèi)小于一個采樣點持續(xù)時長。

本節(jié)通過分析外層跳頻步長、符號組包含符號個數(shù)以及重復傳輸次數(shù)對TOA估計誤差的影響，確定上述參數(shù)取值，提出了適用于GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，波束覆蓋半徑200 km的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入前導序列設計方案，并在接收端采用基于二維FFT的到達時間估計(TOA)算法[8]，對前導序列進行檢測。

3.1 仿真分析過程

3.1.1 PRACH外層跳頻步長影響

首先對PRACH外層跳頻步長對定時誤差的影響進行分析。當前參數(shù)配置下，PRACH帶寬為180 kHz，帶寬內(nèi)有效子載波個數(shù)為384，由于跳頻限制在PRACH帶寬內(nèi)，因此PRACH帶寬改變，外層跳頻步長相應變化，使跳頻范圍達到PRACH帶寬大小。外層跳頻步長為PRACH帶寬的1/2，另外，PRACH帶寬應可以被子載波總數(shù)384整除，因此PRACH帶寬取值范圍為{12，16，24，32，48，64，96，128，192，384}×ΔfRA，外層跳頻步長對應為{6，8，12，16，24，32，48，64，96，192}×ΔfRA。根據(jù)2.2節(jié)的分析過程，一個符號持續(xù)時間TOFDM=2.133 ms，CP長度TCP=2.133 ms，GT長度TGT>2.133 ms，符號組長度設計應滿足TOA估計誤差在一定概率內(nèi)小于4.17 μs。具體仿真參數(shù)設置如表2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

表2 仿真參數(shù)配置Tab.2 Configuration of simulation parameters

圖3 外層跳頻步長對定時估計精度的影響Fig.3 Effect of outer frequency hopping step size on timing estimation accuracy

從圖3可以看出，在2.187 5～90 kHz范圍內(nèi)，隨著外層跳頻步長的增加，當概率達到100%時，對應的TOA估計誤差有所減小，即定時估計精度提高。因此，對于對定時估計精度要求較高的系統(tǒng)，應選擇較大的外層跳頻步長，即對應較大的PRACH帶寬。對于本系統(tǒng)，目標定時誤差要求為 4.17 μs，因此外層跳頻步長選擇45 kHz。

3.1.2 符號組包含符號數(shù)影響

根據(jù)3.1.1節(jié)的仿真結(jié)果，在重復傳輸次數(shù)與符號組包含符號數(shù)保持不變時，隨著外層跳頻步長的增大，TOA估計誤差可以控制在更小的范圍內(nèi)。本節(jié)在此基礎上對符號組包含符號個數(shù)的影響進行仿真分析，具體仿真參數(shù)設置如表3所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表3 仿真參數(shù)配置Tab.3 Configuration of simulation parameters

圖4 符號組包含符號數(shù)對定時估計精度的影響Tab.4 Effect of the number of symbols in symbol group on timing estimation accuracy

從圖4可以看出，在外層跳頻步長為45 kHz時，隨著符號組包含符號個數(shù)的增加，在相同TOA估計誤差范圍內(nèi)的概率越大；另一方面，符號組長度越長，意味著占用更多的時域資源，相比于一個符號組包含20個符號，一個符號組包含30個符號對定時估計精度的提升較小，綜合考慮系統(tǒng)性能，選擇一個符號組包含符號數(shù)為20。

3.1.3 重復傳輸次數(shù)影響

根據(jù)上述仿真結(jié)果，在不考慮重復傳輸時，當跳頻范圍達到468.75×96=45 kHz，一個前導碼包含20個符號時，TOA估計誤差范圍在5.556 μs以內(nèi)的概率大于95%，在4.17 μs以內(nèi)的概率大于86%。接下來考慮不同信噪比下重復傳輸次數(shù)對TOA估計誤差的影響，重復傳輸次數(shù)支持8種配置，取值范圍為{1,2,4,8,16,32,64,128}[11]。具體仿真參數(shù)設置如表4所示。

表4 仿真參數(shù)配置Tab.4 Configuration of simulation parameters

不同信噪比下，不同重復傳輸次數(shù)對TOA估計精度的影響如圖5和圖6所示。

圖5 重復傳輸次數(shù)對定時估計精度的影響 (SNR=5 dB)Fig.5 Effect of the repeated transmission times on timing estimation accuracy when SNR is 5 dB

圖6 重復傳輸次數(shù)對定時估計精度的影響(SNR=-5 dB)Fig.6 Effect of the repeated transmission times on timing estimation accuracy when SNR is -5dB

表5為不同信噪比下設定不同重復傳輸次數(shù)時，TOA估計誤差在4.17 μs和5.56 μs以內(nèi)的概率。根據(jù)上述仿真結(jié)果，在信噪比較低的情況下，重復傳輸次數(shù)的增加可以有效提高TOA估計精度，對于本文設計參數(shù)，SNR=5 dB時，重復傳輸8次可達到系統(tǒng)精度要求；SNR=-5 dB時，重復傳輸 32次可達到系統(tǒng)精度要求。

表5 不同重復傳輸次數(shù)下定時誤差概率Tab.5 Probabilities of timing estimation on different repeated transmission times

3.2 仿真結(jié)果

通過3.1節(jié)對系統(tǒng)性能的仿真，可以得到如表6所示的PRACH參數(shù)配置，在該配置下可以基本滿足大往返時延差下正常的隨機接入過程。

表6 PRACH參數(shù)配置Tab.6 Configuration of PRACH parameters

其中，一個符號組長度為：

CP長度+符號長度×符號組包含符號數(shù)=2.133 ms+2.133 ms×20 = 44.793 ms

一個前導碼長度為：

符號組長度×前導碼包含符號組數(shù)+GT長度=44.793×4 + 10.828 ms = 190 ms。

在該參數(shù)配置下，TOA估計誤差的累積分布CDF如圖7所示，仿真結(jié)果表明，SNR=5 dB時，TOA估計誤差在4.17 μs以內(nèi)的概率為87.3%，在5.56 μs以內(nèi)的概率為99.61%，具有較高的置信水平。

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results

4 結(jié)束語

隨機接入是實現(xiàn)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)衛(wèi)星側(cè)與地面?zhèn)韧ㄐ诺牡谝徊?，分析GEO衛(wèi)星通信場景下的隨機接入問題對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)研究具有重要意義。本文針對GEO衛(wèi)星通信波束內(nèi)傳輸時延大和波束覆蓋范圍大等特點，結(jié)合仿真分析，得出了適應GEO衛(wèi)星的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入前導信號格式設計方案。仿真結(jié)果表明，該設計方案適用于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可基本滿足大往返時延差下正常的隨機接入過程，為進一步研究衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)打下了基礎。