基于跳頻體制的超遠(yuǎn)距離隨機(jī)接入技術(shù)研究

【摘要】? ? 針對超大范圍的覆蓋場景下，不同終端達(dá)到基站的時間差較大等特點(diǎn)，分析了影響跳頻體制下的隨機(jī)接入問題，通過對上行接入和同步、收發(fā)保護(hù)進(jìn)行專用設(shè)計實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端用戶和近端用戶的高效隨機(jī)接入。

【關(guān)鍵詞】? ? 廣域覆蓋? ?跳頻? ? 隨機(jī)接入? ? 遠(yuǎn)端用戶

引言：

對于高空通信系統(tǒng)，由于空中傳播的時延較大，且載波之間存在同步偏差，導(dǎo)致不同距離的終端同時接入和上行同步困難，終端側(cè)時隙收發(fā)沖突風(fēng)險增加，影響系統(tǒng)正常工作。因此，隨機(jī)接入技術(shù)作為終端和基站交互的第一步，是該系統(tǒng)研究的首要問題。

在基站大區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)，終端隨機(jī)接入信號到達(dá)基站有快有慢，以基站升空20km、覆蓋半徑350km、跳速1000為例，最大延時1.17ms超過一個突發(fā)跳時間，最遠(yuǎn)距離的終端接入時雙向延時達(dá)到2.35ms。由于是跳頻通信，在2.35ms的延時下終端信號傳送到基站時，基站側(cè)已經(jīng)切換為下兩個頻點(diǎn)了，將導(dǎo)致終端發(fā)送的接入信令基站側(cè)始終無法接收到。因此，需要開辟多跳的接收窗口實(shí)現(xiàn)上行初始接入。上行初始接入完成后，上行信號必須在規(guī)定的時隙范圍內(nèi)到達(dá)接收方，否則存在信號之間的互擾。跳頻通信還要求信號在規(guī)定的頻點(diǎn)上到達(dá)，否則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)遺漏，不同距離的終端信號到達(dá)基站時延變化大，如果終端僅根據(jù)自身的TDMA時刻按時發(fā)射信號，那么由于傳播時延的原因，該信號將無法按時到達(dá)基站，當(dāng)距離超過0.5個跳頻周期所對應(yīng)的電波路程時，由于到達(dá)時基站的頻點(diǎn)已切換，信號將全部遺失。為解決大區(qū)域覆蓋范圍下的不同距離終端接入問題，同時避免終端側(cè)時隙沖突，因此需要對上行接入和同步、收發(fā)保護(hù)進(jìn)行專用設(shè)計。

一、上行接入和同步設(shè)計

廣域范圍內(nèi)不同終端上行信號到達(dá)基站時間隨機(jī)，上行信號需要根據(jù)距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行相應(yīng)的提前發(fā)射處理，以確保按時到達(dá)基站。為了計算提前發(fā)送時間量，必須對終端與基站之間的距離進(jìn)行測算。在隨后的通信中，基站還需要根據(jù)業(yè)務(wù)信號的時延情況對提前量進(jìn)行微調(diào)，并設(shè)置合適的后保護(hù)長度以容納測距偏差及機(jī)動平臺距離的變化。

1.1測距過程

基站t1時刻通過廣播信道發(fā)送測距信息，終端收到后，在隨機(jī)接入信道發(fā)送相同測距信息，基站收到時刻為t2，時隙長度為L，則發(fā)送提前量?t=（t2-t1-NL）/2，其中N為經(jīng)過的時隙?；就瓿蓽y距后，將測距結(jié)果反饋給終端，終端根據(jù)提前量調(diào)整發(fā)送時間。

步驟1，未入網(wǎng)的終端首先搜索TOD同步信號，實(shí)現(xiàn)TDMA時隙同步。該時隙與基站存在一個時延差D，其值取決于兩者之間的距離，是未知量，如圖1所示。

步驟2，在各自的測距時隙起點(diǎn)，終端以頻點(diǎn)Fn發(fā)出包含測距信息的PRACH信號，基站以頻點(diǎn)Fn搜索、等待該信號。在基站側(cè)看來，PRACH經(jīng)過2D往返時延后開始到達(dá)，再經(jīng)過時長L以后結(jié)束，因此基站搜索窗口的長度S應(yīng)該符合以下條件：

s≥2x+L

其中，Dmax是最大傳輸距離所對應(yīng)的時延，L為PRACH信號長度。以跳速1000，TDMA時隙8ms為例，PRACH突發(fā)信號長度設(shè)計為1ms，若S取0.5個TDMA時隙4ms，則Dmax最大為1.5ms，可支撐最大傳輸距離為449km?？紤]跳頻抗干擾能力，可將基站側(cè)隨機(jī)接入時隙前4跳使用該時隙第0跳頻點(diǎn)，后4跳使用該時隙第4跳頻點(diǎn)，即基站側(cè)隨機(jī)接入時隙前4ms和后4ms使用分別使用相同的頻點(diǎn)能保證終端設(shè)備遠(yuǎn)近接入時基站都能有接收頻點(diǎn)與其對應(yīng)。對于終端側(cè)，發(fā)送隨機(jī)接入信令時，將接入信息放在第0和4個突發(fā)跳中，從而能保證基站端總能收到這兩個突發(fā)跳的隨機(jī)接入信令，如圖2所示，不同顏色代表不同頻點(diǎn)。

步驟3，基站收到測距信號以后，利用互相關(guān)方法估計出信號的時延，其0.5倍即為路徑時延Td，并確定是否同意該終端入網(wǎng)并分配資源，是則答復(fù)其請求并告知路徑時延Td。

步驟4，終端收到同意入網(wǎng)及Td信息以后，以自身的TDMA時刻為準(zhǔn)提前2Td時間發(fā)射上行業(yè)務(wù)信號。

1.2時延調(diào)整頻率

終端初始接入完成后，通過測距提前發(fā)送實(shí)現(xiàn)不同距離終端和基站的時頻同步，由于測距誤差和平臺機(jī)動偏移誤差，提前發(fā)射可能仍然存在少量上行信號遺失。因此，需要通過設(shè)置信號結(jié)構(gòu)內(nèi)的前、后保護(hù)時間彌補(bǔ)正、負(fù)測距偏差，并在業(yè)務(wù)過程中對提前量進(jìn)行微調(diào)。

當(dāng)基站估計出時延的偏差量不在合理的范圍以內(nèi)時需通知終端調(diào)整提前量，實(shí)現(xiàn)測距微調(diào)。調(diào)整的最低頻率與移動速度、測距精度、后保護(hù)長度都有關(guān)系。從本次上行發(fā)射到測距、反饋，再到下次上行發(fā)射的時長最大為兩個TDMA周期。以50ms的TDMA幀周期，5μs的后保護(hù)長度取為例，在相對速度240km/h時，100ms路程的電波時延變化0.022μs，那么即使15s調(diào)整一次提前量，仍然存在1.7μs的裕量;當(dāng)相對速度4馬赫時，100ms路程的電波時延變化0.45μs，那么提前量的調(diào)整周期不宜超過1s，此時僅有0.5μs的裕量。

通過測距提前發(fā)送和時延調(diào)整實(shí)現(xiàn)不同距離終端和基站的時頻同步，并采用尾保護(hù)設(shè)計屏蔽測距和機(jī)動偏移誤差，如圖3所示。

二、收發(fā)保護(hù)設(shè)計

由于遠(yuǎn)距離覆蓋導(dǎo)致下行傳輸延時及上行提前發(fā)送，引起終端側(cè)的時隙收發(fā)沖突，終端申請傳輸資源時，基站將收發(fā)轉(zhuǎn)換時相鄰的兩個收發(fā)時隙調(diào)度給不同的終端，實(shí)現(xiàn)頻率和終端錯開，避免收發(fā)轉(zhuǎn)換時的沖突，如圖4所示。

三、仿真結(jié)果

以跳速1000跳/秒，PRACH信號突發(fā)長度1ms，基站距離終端不小于450km為例，基站搜索窗口的長度和隨機(jī)接入成功率的仿真結(jié)果如圖5所示，當(dāng)窗口的長度設(shè)置為4跳時，接入成功率約80%，當(dāng)窗口的長度設(shè)置為8跳時，接入成功率可接近95%，相對于4跳的搜索窗口長度成功率得到明顯提高。

四、結(jié)束語

本文針對遠(yuǎn)距離覆蓋場景下，由于空中傳播的時延較大導(dǎo)致不同距離的終端同時接入和上行同步困難等問題，研究了基于跳頻體制的廣域范圍隨機(jī)接入技術(shù)，對后續(xù)支撐戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用場景的高空通信系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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[2]李曉輝.LTE-A超遠(yuǎn)覆蓋中的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼設(shè)計與性能.西安電子科技大學(xué)學(xué)報2013：第40卷第5期.

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謝小華（1988），男，漢族，湖南永州，碩士，工程師，研究方向：戰(zhàn)術(shù)通信。