基于5G的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)隨機接入技術(shù)

王 飛，宋春偉，賀毅鵬

（武警北京總隊，北京 100027）

0 引 言

低軌衛(wèi)星將衛(wèi)星通信服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進行了有機融合，成為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)一個新的發(fā)展方向。與靜止軌道衛(wèi)星相比，低軌道衛(wèi)星具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)通量高的優(yōu)點，更加適用于數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，5G和低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)將充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以滿足用戶的多種類業(yè)務(wù)需求。

1 5G與低軌衛(wèi)星融合架構(gòu)

將低軌衛(wèi)星和5G通信網(wǎng)絡(luò)進行融合，可以構(gòu)建無縫覆蓋的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)θ蚍秶鷥?nèi)除了兩極之外的絕大部分區(qū)域進行覆蓋，實現(xiàn)空、天、地一體化通信。低軌衛(wèi)星和5G融合的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G和低軌衛(wèi)星融合架構(gòu)

5G和低軌衛(wèi)星融合系統(tǒng)主要包含內(nèi)容如表1所示。

表1 5G和低軌衛(wèi)星融合系統(tǒng)的內(nèi)容

低軌衛(wèi)星星座可以劃分為星間鏈路星座和無星間鏈路星座。2種不同的鏈路星座構(gòu)成了空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。低軌衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合時，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并利用高低頻多波束天線，實現(xiàn)對地面區(qū)域的蜂窩狀覆蓋[1,2]。

2 5G隨機接入流程

在5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，用戶終端和基站建立的上行通信鏈路使用隨機接入來實現(xiàn)。根據(jù)隨機接入出發(fā)場景的不同，隨機接入可分為競爭隨機接入和非競爭隨機接入[3]。競爭隨機接入和非競爭隨機接入最明顯的差別在于分配前導(dǎo)序列占用的時頻資源。本文以競爭隨機接入為例來介紹5G隨機接入的流程，如圖2所示。

圖2 競爭隨機接入流程

3 隨機接入前導(dǎo)序列

針對5G通信系統(tǒng)采用的隨機接入前導(dǎo)，在第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）協(xié)議標準中有明確規(guī)定，其隨機接入前導(dǎo)具體包含循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）、預(yù)設(shè)的外部命令序列（Sequence，SEQ）以及保護隔離（Grand Isolation，GT）3大部分內(nèi)容。隨機接入前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 隨機接入前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)

該序列結(jié)構(gòu)中，CP為確保系統(tǒng)所發(fā)送的子幀信號能夠避免因信號傳輸距離存在差異而導(dǎo)致的干擾，保證信號的完整性[4]。因此，CP持續(xù)的時間應(yīng)大于區(qū)域內(nèi)信號傳輸?shù)淖畲笸禃r延差和最大時延擴展之和，公式表示為。為防止相鄰2個子幀之間產(chǎn)生干擾，要求GT所持續(xù)的時間應(yīng)與?TRTD相同。

ZC（Zadoff-Chu）序列具有較好的相關(guān)性和對長期演進（Long Term Evolution，LTE)系統(tǒng)的前向兼容功能，因而針對5G系統(tǒng)的隨機接入前導(dǎo)序列信號選擇使用ZC序列。

ZC序列的生成公式為

式中：LRA為ZC序列的長度，具體取值為839或者是139；n為樣點數(shù)量；u∈[1,LRA?1]為物理根序列索引值，具體取值需要從TS 38.211協(xié)議表中獲取。

在5G通信系統(tǒng)中，LRA的取值分為839和139這2種情況。依據(jù)ZC序列長度的不同，LRA使用的頻率范圍不盡相同[5]。LRA取值為839時，它主要應(yīng)用于FR1（頻率為450～6 000 MHz），子載波間隔為1.25 kHz或者5 kHz；LRA取值為139時，它主要應(yīng)用于FR1（頻率為450～6 000 MHz）和FR2（24 250～52 600 MHz），子載波間隔為15×2u kHz區(qū)間。此外，考慮低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)鏈路通信頻率通常在1 616～1 626 MHz范圍內(nèi)的L波段，因而只針對LRA取值為839的情況進行分析。

4 低軌衛(wèi)星通信隨機接入實現(xiàn)

4.1 生成前導(dǎo)序列

在單波束場景下計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐禃r延差時，采用表2所列的銥星系統(tǒng)中衛(wèi)星波束覆蓋下的前導(dǎo)持續(xù)時間設(shè)計參數(shù)。設(shè)計的前導(dǎo)格式使用具有大載波間隔的磁共振波譜（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS），在滿足衛(wèi)星場景波束覆蓋要求的基礎(chǔ)上，提高前導(dǎo)檢測的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

表2 銥星系統(tǒng)中衛(wèi)星波束隨機接入前導(dǎo)持續(xù)時間

MRS的生成主要可以劃分為2個步驟，分別為產(chǎn)生基序列和基序列經(jīng)過變換后產(chǎn)生基帶信號?；蛄械漠a(chǎn)生流程如圖4所示。

圖4 基序列生成流程

LTE標準中規(guī)定，每個小區(qū)需具備64個可用的前導(dǎo)序列。它由64個基序列生成，統(tǒng)一編號為0～63。設(shè)計的MRS是由具有不同根序列號的ZC序列所生成，因此不同ZC根序列號都不相同[6]?；蛄刑柹蛇壿嫗椋?基序列號由Rach根序列（Root Sequence，RS）的ZC根序列負責生成；其他基序列號由其下一個邏輯索引的ZC根序列生成。該序列中的64個不同邏輯索引會生成64個不同的根序列號，邏輯索引共計838個，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用，編號區(qū)間為0～837。

4.2 前導(dǎo)序列檢測

序列接收機首先依據(jù)MRS的具體信號格式接收長度為KNDFT+NCP的前導(dǎo)序列。該系統(tǒng)的時鐘以5G基站時空為基準，信號的上行和下行傳輸速度均以1 ms為單位，即一個子幀的大小。在基站檢測到用戶自終端發(fā)出的前導(dǎo)序列時，基站會同時接收M個子幀。結(jié)合表2所列的設(shè)計參數(shù)，前導(dǎo)序列的長度為16 ms，故基站需同時接收16個子幀。在系統(tǒng)接收到結(jié)構(gòu)完整的前導(dǎo)序列后，系統(tǒng)的接收端開始進行去CP操作。去CP操作完成后，系統(tǒng)自動將剩余的長前導(dǎo)序列劃分為K個長度相等的子序列，并將子序列轉(zhuǎn)換為長度為NDFT的離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT），同時對每個子序列進行資源解映射，將所有子序列改變?yōu)橄鄬?yīng)頻域序列的固定形式Y(jié)k(n)，其中0≤k≤k-1，0≤n≤Nzc-1，最后結(jié)合本地檢測序列矩陣和接收待檢測序列矩陣得出PDP。

固定門限提取峰值的原理，如圖5所示。得出PDP后，準確提取前導(dǎo)序列的峰值，利用科學、合理的設(shè)置檢測閾值精確得到TA估計值。采用FLDCC定時檢測算法計算單一的前導(dǎo)序列峰值，利用其特性，采用固定門限的方法定位前導(dǎo)序列的峰值位置。為能夠消除不同段數(shù)ZC序列進行級聯(lián)帶來的峰值間差異，先對PDP峰值進行歸一化處理，再結(jié)合衛(wèi)星信道的具體特征經(jīng)過多次試驗測試得出最優(yōu)的門限值。經(jīng)過對門限值的大量反復(fù)測試，在綜合考慮漏檢發(fā)生概率的前提下，最終選定門限值為0.35。根據(jù)PDP得出序列峰值的具體位置后，根據(jù)峰值位置和檢測窗口的左邊緣距離計算對應(yīng)的時延值，并以此確定具體的TA值。

圖5 固定門限提取峰值原理

5 結(jié) 論

現(xiàn)階段的5G移動通信技術(shù)無法滿足以衛(wèi)星作為主體場景的通信要求。本文在分析現(xiàn)行5G隨機接入前導(dǎo)信號格式的基礎(chǔ)上，介紹低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)和5G技術(shù)的隨機接入關(guān)鍵技術(shù)?；?G的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)隨機接入技術(shù)是一個涉及眾多學科的綜合性技術(shù)，仍然處于起步研究階段。為實現(xiàn)5G和低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的全方位融合，后續(xù)還需對其進行更加深入和系統(tǒng)的研究。