孫仲義

（東南大學(xué) 江蘇 南京 210096）

1 引言

3GPP在R-16中討論了5G系統(tǒng)與非地面網(wǎng)絡(luò)相融合的技術(shù)方案，衛(wèi)星通信作為一種覆蓋范圍廣、通信容量大的通信方式[1]，可以彌補(bǔ)5G系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋困難的問題，但同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。在衛(wèi)星為廣域用戶提供服務(wù)的同時(shí)，用戶間較大時(shí)延差會(huì)對(duì)隨機(jī)接入的容量產(chǎn)生影響，難以為覆蓋范圍內(nèi)的用戶提供足夠的隨機(jī)接入機(jī)會(huì)，難以滿足系統(tǒng)通信的需要。因此，提高系統(tǒng)隨機(jī)接入容量成為了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中亟待解決的問題。

2 問題分析

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，波束的覆蓋范圍與地面通信系統(tǒng)相比較大，這將使得小區(qū)內(nèi)的用戶最大差分時(shí)延變大。由于兩個(gè)隨機(jī)接入時(shí)機(jī)之間的時(shí)間間隔，需要大于小區(qū)中最大差分時(shí)延的兩倍，這就導(dǎo)致相對(duì)于地面系統(tǒng)，衛(wèi)星系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)可用的隨機(jī)接入時(shí)機(jī)數(shù)量小于地面通信系統(tǒng)。上述問題將導(dǎo)致系統(tǒng)的隨機(jī)接入容量降低。在采用現(xiàn)有隨機(jī)接入步驟的情況下，系統(tǒng)的單位時(shí)間內(nèi)支持的接入數(shù)量M可以由式（1）得：

根據(jù)式（2），系統(tǒng)可支持的單位時(shí)間內(nèi)的接入數(shù)量越大，系統(tǒng)支持的UE密度越大，對(duì)于式（1）在系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，F(xiàn)、 Pconfigured和ρ都將固定。要使得衛(wèi)星系統(tǒng)的單位時(shí)間內(nèi)支持的接入數(shù)量增大，可以考慮改變隨機(jī)接入流程，使得前導(dǎo)序列在同一個(gè)PRACH機(jī)會(huì)中可以復(fù)用，這樣在系統(tǒng)可配置前導(dǎo)的數(shù)量一定的情況下，達(dá)到增加接入數(shù)量的目的。

3 基于時(shí)延差的隨機(jī)接入前導(dǎo)容量增強(qiáng)方案

基于時(shí)延差的隨機(jī)接入前導(dǎo)容量增強(qiáng)方案，通過改變隨機(jī)前導(dǎo)檢測(cè)和上行資源分配的方式，使得有著不同時(shí)延差的用戶在同一隨機(jī)接入機(jī)會(huì)中，可以使用同一個(gè)前導(dǎo)序列完成接入，達(dá)到增加系統(tǒng)隨機(jī)接入容量的目的。

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

隨機(jī)接入過程見圖1。

圖1 隨機(jī)接入流程圖

隨機(jī)接入流程分為4步、用戶向基站發(fā)送MSG1；基站進(jìn)行前導(dǎo)序列檢測(cè)；發(fā)現(xiàn)用戶隨機(jī)接入請(qǐng)求后，為用戶進(jìn)一步發(fā)送MSG3分配上行資源，并將分配資源通過MSG2發(fā)送給用戶；用戶根據(jù)分配到的上行信道資源發(fā)送MSG3，基站接收到MSG3后向用戶發(fā)送MSG4，隨機(jī)接入完成。

在目前隨機(jī)接入過程的基礎(chǔ)上，本方案通過對(duì)衛(wèi)星（基站）側(cè)隨機(jī)前導(dǎo)檢測(cè)過程進(jìn)行修改，以使得衛(wèi)星能在同一個(gè)PRACH時(shí)機(jī)中，檢測(cè)到使用同一個(gè)前導(dǎo)序列但傳播時(shí)延差較大的多個(gè)用戶。隨后，衛(wèi)星根據(jù)用戶通信時(shí)延的差別，分別為用戶進(jìn)行MSG3的上行資源的分配，最終使得多個(gè)通信時(shí)延較大的用戶，可以在用一個(gè)PRACH時(shí)機(jī)中使用一樣的前導(dǎo)序列完成隨機(jī)接入過程，達(dá)到前導(dǎo)序列復(fù)用的目的，從而增加系統(tǒng)隨機(jī)接入容量。

3.2 隨機(jī)接入前導(dǎo)檢測(cè)

通過將前導(dǎo)序列檢測(cè)中搜索窗內(nèi)檢測(cè)出的每一個(gè)峰值以傳輸時(shí)延進(jìn)行區(qū)分，能夠使衛(wèi)星在一個(gè)搜索窗的范圍中找到其中每一個(gè)傳輸時(shí)延差大于1TTI的用戶，為后續(xù)隨機(jī)接入步驟的定時(shí)提前調(diào)整和上行資源分配提供支持。改進(jìn)后的隨機(jī)前導(dǎo)檢測(cè)流程見圖2。

圖2 改進(jìn)后的隨機(jī)前導(dǎo)檢測(cè)流程圖

上述流程中搜索窗在功率時(shí)延譜的關(guān)系見圖3。

圖3 搜索窗與功率時(shí)延譜關(guān)系示意圖

不考慮噪聲和頻偏、多徑干擾的情況下，功率時(shí)延譜中每一個(gè)峰值代表一個(gè)發(fā)起隨機(jī)接入的UE。在該方案的隨機(jī)接入前導(dǎo)檢測(cè)過程中，首先基站記錄每一個(gè)搜索窗中的各峰值，搜索窗位置由前導(dǎo)序列根序列決定[3]。

接著，基站對(duì)每個(gè)搜索窗中的峰值進(jìn)行檢測(cè)，若要使前導(dǎo)序列能夠在一個(gè)接入時(shí)機(jī)中復(fù)用，在同一個(gè)搜索窗中的UE之間的傳播時(shí)延差的兩倍應(yīng)大于1個(gè)TTI，以保證UE發(fā)送的MSG3返回基站時(shí)不發(fā)生沖突，所以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)判斷每一個(gè)峰值兩側(cè)正負(fù)TTI范圍內(nèi)是否存在更高的峰值。若存在，則認(rèn)為該峰值不符合條件，不記錄為結(jié)果；若不存在，則記錄該峰值對(duì)應(yīng)發(fā)起接入的UEj，并計(jì)算UEj傳輸時(shí)延為Tj[4]。

最后，基站根據(jù)記錄發(fā)起接入的UE和它們的傳輸時(shí)延進(jìn)行上行信道資源分配。

3.3 上行信道資源分配

依照上述隨機(jī)接入前導(dǎo)檢測(cè)方法，可以檢測(cè)出多個(gè)具有相同前導(dǎo)序列的用戶。對(duì)于任意兩個(gè)具有相同前導(dǎo)序列的用戶，若他們的傳輸時(shí)延差超過1個(gè)TTI，在采用相同TA（Time Advance）發(fā)送MSG3時(shí)，基站會(huì)在不同的TTI接收到這兩個(gè)用戶的MSG3。因此，基站在合理分配上行傳輸資源的情況下，可以保證兩個(gè)用戶根據(jù)同樣的MSG2（包含TA和上行資源指示）發(fā)送MSG3，在不同的TTI到達(dá)基站從而不會(huì)發(fā)生碰撞，基站能夠接收這兩條MSG3。

為了在對(duì)應(yīng)的時(shí)域上接收到這些消息，基站應(yīng)當(dāng)分別為這些UE分配用于MSG3傳輸?shù)目臻e的上行信道資源。設(shè)當(dāng)前隨機(jī)接入時(shí)機(jī)中使用某種同樣前導(dǎo)序列的用戶有j個(gè)，將這些用戶按照傳輸時(shí)延從小到大排列，將與鄰近用戶傳輸時(shí)延差小于1個(gè)TTI的用戶刪除，得到用戶序列為：UE1，UE2，UE3，…UEk?；緸閁E1分配的傳輸時(shí)隙為Tsend，并設(shè)定TA值和在Tsend時(shí)隙占用的RB，則使用該前導(dǎo)序列的用戶分配到的傳輸時(shí)隙為Tsend，Tsend-T1+T2，Tsend- T1+T3，Tsend- T1+T4，…Tsend- T1+Tk?；緫?yīng)該避免上述傳輸時(shí)隙中相關(guān)的RB（Resource Block）被占用。

基站需滿足以上條件進(jìn)行上行資源調(diào)度，這樣使用相同前導(dǎo)序列被檢測(cè)出的UE使用相同的空口資源發(fā)送MSG3，這些MSG3在不同的傳輸間隔到達(dá)基站。這樣，基站可以順利接收到來自多個(gè)具有同樣前導(dǎo)序列用戶發(fā)送的MSG3達(dá)到前導(dǎo)序列復(fù)用的目的。

4 仿真結(jié)果

本文采用蒙特卡洛方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將5G系統(tǒng)現(xiàn)有方案與本文所提出的隨機(jī)接入容量增強(qiáng)方案進(jìn)行對(duì)比。1 000個(gè)用戶均勻分布在衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，衛(wèi)星波束覆蓋半徑為800 km[5]，衛(wèi)星軌道高度為1 000 km。在理想的信道條件下，接入成功率和隨機(jī)接入請(qǐng)求數(shù)量關(guān)系見圖4。

圖4 接入成功率和隨機(jī)接入請(qǐng)求數(shù)量關(guān)系

圖4 中虛線為傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案，實(shí)線為采用隨機(jī)接入容量增強(qiáng)方案。從圖中可以得到，傳統(tǒng)隨機(jī)接入方案在隨機(jī)接入成功率為99%時(shí)，每秒的隨機(jī)接入請(qǐng)求約為500個(gè)。本文所提出的隨機(jī)接入容量增強(qiáng)方案在接入成功率為99%時(shí)，每秒的隨機(jī)接入請(qǐng)求約為750個(gè)。本文所提出的隨機(jī)接入容量增強(qiáng)方案，在給定的隨機(jī)接入成功率相同的情況下，能夠支持更高數(shù)量的隨機(jī)接入請(qǐng)求，能夠提升隨機(jī)接入的容量。

5 結(jié)語

本文首先分析了衛(wèi)星通信場(chǎng)景下，上行接入存在的問題，接著根據(jù)衛(wèi)星通信場(chǎng)景下用戶差分時(shí)延較大的特點(diǎn)，提出了基于時(shí)延差檢測(cè)的隨機(jī)接入容量增強(qiáng)的方案，通過改進(jìn)前導(dǎo)檢測(cè)方式和MSG3中上行資源分配的方式，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)隨機(jī)接入時(shí)機(jī)內(nèi)的前導(dǎo)序列復(fù)用。最后，對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行仿真，并與采用傳統(tǒng)隨機(jī)接入流程的情況進(jìn)行對(duì)比，證明采用基于時(shí)延差的隨機(jī)接入前導(dǎo)容量增強(qiáng)方案，能有效提高系統(tǒng)的隨機(jī)接入容量。