5G低軌衛(wèi)星兩步隨機(jī)接入方案及其FPGA實(shí)現(xiàn)*

梁 震,崔高峰,王衛(wèi)東

(北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,北京 100876)

0 引 言

衛(wèi)星通信作為地面通信系統(tǒng)的補(bǔ)充,以其覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、抗災(zāi)害損毀性強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。低軌(Low Earth Orbit,LEO)通信衛(wèi)星由于運(yùn)行在低軌道,相對(duì)于高軌(Geostationary Earth Orbit,GEO)通信衛(wèi)星具有傳輸損耗小、通信時(shí)延短等優(yōu)點(diǎn)。地面5G與衛(wèi)星通信的融合發(fā)展,將極大地促進(jìn)空天地一體的網(wǎng)絡(luò)體系建立,為網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶提供更優(yōu)質(zhì)的廣播服務(wù)。與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)相比,低軌衛(wèi)星系統(tǒng)受限于星地傳輸往返時(shí)延大、星上處理能力差的問(wèn)題,隨機(jī)接入、多址接入、頻偏估計(jì)等地面5G關(guān)鍵技術(shù)在5G低軌衛(wèi)星系統(tǒng)還需做出適應(yīng)性改變。

用戶設(shè)備進(jìn)行上行傳輸前,需要實(shí)現(xiàn)上行傳輸時(shí)間同步,這樣才能調(diào)度上行正交同步資源。隨機(jī)接入信道作為非同步用戶設(shè)備和5G上行無(wú)線接入的正交傳輸方案的接口扮演了關(guān)鍵角色。目前衛(wèi)星通信中采用的隨機(jī)接入機(jī)制仍然是LTE中傳統(tǒng)的四步隨機(jī)接入方案,在用戶和基站之間發(fā)送四次消息才能建立連接。然而由于星地鏈路之間的距離較長(zhǎng),對(duì)于LEO通信衛(wèi)星,距地面高度最大為1 500 km,完成一次雙向通信需10 ms。如果在LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中繼續(xù)使用傳統(tǒng)的隨機(jī)接入體制,會(huì)造成較大的接入時(shí)延,增大星地之間的鏈路開(kāi)銷(xiāo)。

為了實(shí)現(xiàn)星地之間低時(shí)延、高效率的用戶接入,目前已有文獻(xiàn)對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)下的上行傳輸進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)基于5G的低軌衛(wèi)星隨機(jī)接入技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了衛(wèi)星場(chǎng)景下的前導(dǎo)設(shè)計(jì)方案,在滿足較大時(shí)延的條件下對(duì)抗多普勒頻移也有優(yōu)異的性能。對(duì)于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)時(shí)延大檢測(cè)難度高的問(wèn)題,文獻(xiàn)[2]中提出了一種基于MRLS的前導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng),減少隨機(jī)接入流程實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于隨機(jī)交錯(cuò)多路復(fù)用的隨機(jī)訪問(wèn)結(jié)構(gòu),提高了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的吞吐量。文獻(xiàn)[4]研究了多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)起隨機(jī)接入并發(fā)生碰撞下的檢測(cè)算法,保證多用戶的有效接入。對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)中的多普勒頻移,文獻(xiàn)[5]提出了一種基于離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)頻譜分析方法,在衛(wèi)星系統(tǒng)中頻偏較大的情況下也可以較好地得到TA估計(jì)。3GPP目前正在積極推進(jìn)兩步隨機(jī)接入方案[6],將LTE傳統(tǒng)的四步接入方案簡(jiǎn)化為兩步,用戶和基站僅需兩次消息傳遞即可完成接入,極大降低接入時(shí)延,但是尚未考慮將兩步隨機(jī)接入過(guò)程應(yīng)用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

本文對(duì)低軌衛(wèi)星系統(tǒng)下的兩步隨機(jī)接入技術(shù)進(jìn)行研究,對(duì)信道結(jié)構(gòu)、前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)映射關(guān)系進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)于多用戶同時(shí)接入數(shù)據(jù)碰撞的情況,采用稀疏碼分多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)。在兩步隨機(jī)接入FPGA實(shí)現(xiàn)中,針對(duì)傳統(tǒng)MPA算法乘法運(yùn)算多、迭代過(guò)程處理時(shí)延長(zhǎng)的問(wèn)題,提出了基于FPGA的節(jié)點(diǎn)并行快速迭代更新的MAX-Log-MPA接收機(jī),犧牲一定芯片內(nèi)存來(lái)?yè)Q取低處理時(shí)延。

1 兩步隨機(jī)接入信道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 隨機(jī)接入過(guò)程

如圖1所示,在兩步隨機(jī)接入過(guò)程中,前導(dǎo)序列傳輸與Msg3消息被定義為MsgA消息,由用戶側(cè)發(fā)送到基站側(cè),Msg2與Msg4定義為MsgB消息,由基站側(cè)發(fā)送給用戶。與四步隨機(jī)接入相比,兩步隨機(jī)接入可以有效降低延遲以及信令開(kāi)銷(xiāo)。

圖1 兩步RACH示意圖

用戶發(fā)給基站的MsgA消息包括前導(dǎo)序列以及數(shù)據(jù)兩部分,前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)分復(fù)用發(fā)送,MsgA的信道格式如圖2所示。物理隨機(jī)接入信道(Physical Random Access Channel,PRACH)中循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)的作用是對(duì)抗實(shí)際環(huán)境中的多徑干擾,保護(hù)間隔的作用是調(diào)整往返傳播時(shí)延。在前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)部分預(yù)留一定時(shí)間間隔有利于接收機(jī)檢測(cè)發(fā)送的前導(dǎo)序列,并進(jìn)一步解調(diào)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖2 兩步隨機(jī)接入MsgA信道結(jié)構(gòu)

1.2 msgA PRACH設(shè)計(jì)

有關(guān)衛(wèi)星通信系統(tǒng)前導(dǎo)序列的設(shè)計(jì),目前地面5G前導(dǎo)序列多由0.8 ms的ZC(Zadoff-chu)序列以及其多段級(jí)聯(lián)構(gòu)成?？紤]低軌衛(wèi)星星地最大往返時(shí)延、高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻偏以及與地面5G的融合,采用如圖3所示的級(jí)聯(lián)前導(dǎo)序列,前導(dǎo)序列由5段長(zhǎng)度為0.8 ms的ZC序列級(jí)聯(lián)而成。PRACH信道在時(shí)域上占用傳輸無(wú)線幀的前5個(gè)子幀。

圖3 PRACH前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)

1.3 MsgA PUSCH設(shè)計(jì)與映射關(guān)系

MsgA PUSCH設(shè)計(jì)包括時(shí)頻結(jié)構(gòu)、導(dǎo)頻位置、映射圖樣等[7-8]。對(duì)MsgA的設(shè)計(jì)既要考慮減小不同用戶數(shù)據(jù)碰撞的概率還需要考慮提高頻譜利用率。occasion的定義為可用于發(fā)送前導(dǎo)序列或者用戶數(shù)據(jù)的時(shí)頻資源。劃分少的occasion雖然有著較高的頻率利用率,但是用戶碰撞概率變大,解碼效果降低;劃分多的occasion可以有效降低用戶碰撞概率,保證接入成功率。對(duì)于多用戶數(shù)據(jù)發(fā)送碰撞,對(duì)用戶分配不同的稀疏碼字實(shí)現(xiàn)SCMA[9]調(diào)制。因此,將MsgA PUSCH資源劃分為6個(gè)PUSCH occasion,每個(gè)occasion頻域上占用1個(gè)PRB,如圖4所示。

圖4 MsgA PRACH與PUSCH資源映射示意圖

為了避免數(shù)據(jù)的盲解碼,本文將隨機(jī)接入過(guò)程中所有可能的64個(gè)前導(dǎo)碼與其對(duì)應(yīng)MsgA PUSCH資源的映射關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì),occasion 0～4對(duì)應(yīng)12 個(gè)前導(dǎo)碼,occasion 5對(duì)應(yīng)4個(gè)前導(dǎo)碼。同一occasion中的前導(dǎo)碼對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)映射到4個(gè)不同的DMRS index,每個(gè)index有4個(gè)或1個(gè)前導(dǎo)碼對(duì)應(yīng)的PUSCH數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)用。

2 系統(tǒng)模型與檢測(cè)算法

在衛(wèi)星場(chǎng)景下的上行隨機(jī)接入過(guò)程包括一個(gè)LEO衛(wèi)星N與個(gè)用戶,N≥1。N個(gè)用戶采用兩步隨機(jī)接入向低軌衛(wèi)星發(fā)出上行,不同用戶間的MsgA PUSCH分配不同的稀疏碼字。本文設(shè)計(jì)的兩步隨機(jī)接入系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 兩步隨機(jī)接入系統(tǒng)模型

在上行接入隨機(jī)過(guò)程中,用戶根據(jù)索引值與循環(huán)移位值生成ZC序列,經(jīng)過(guò)DFT變換、子載波映射、快 速 傅 里 葉 逆 變 換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)變換等生成前導(dǎo)碼,用戶MsgA PUSCH數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼、加擾、SCMA調(diào)制、資源映射以及OFDM調(diào)制生成MsgA數(shù)據(jù),完成兩步隨機(jī)接入過(guò)程中的MsgA信號(hào)發(fā)送。在接收側(cè),先對(duì)前導(dǎo)碼進(jìn)行檢測(cè),在前導(dǎo)碼成功被檢測(cè)到時(shí),根據(jù)檢測(cè)到的索引對(duì)MsgA數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),接收框圖如圖6所示。對(duì)于SCMA調(diào)制,需要用到MPA檢測(cè)算法。

3 FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在兩步隨機(jī)接入FPGA實(shí)現(xiàn)中,低復(fù)雜度、低處理時(shí)延是研究的重點(diǎn)。FPGA收發(fā)模塊框圖如圖7 所示。

圖7 兩步隨機(jī)接入FPGA收發(fā)框圖

發(fā)送端頂層模塊包括MsgA PRACH發(fā)送模塊與MsgA PUSCH發(fā)送模塊,接收端頂層模塊包括前導(dǎo)碼檢測(cè)模塊與MsgA PUSCH數(shù)據(jù)解調(diào)模塊。在兩步隨機(jī)接入過(guò)程中,PUSCH數(shù)據(jù)解調(diào)中SCMA接收機(jī)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。MPA解調(diào)算法需要在用戶節(jié)點(diǎn)與資源節(jié)點(diǎn)之間將消息概率迭代更新,在FPGA實(shí)現(xiàn)中運(yùn)算復(fù)雜度高、處理時(shí)延長(zhǎng),因此本文提出了節(jié)點(diǎn)并行快速迭代更新的低時(shí)延SCMA接收機(jī)。

3.1 節(jié)點(diǎn)快速收斂的并行處理SCMA接收機(jī)

典型SCMA調(diào)制系統(tǒng)的因子圖如圖8所示,圖中VN代表接入用戶,FN表示頻域資源。

圖8 SCMA調(diào)制因子圖

MPA算法利用了碼本的稀疏性,極大降低了重疊數(shù)據(jù)檢測(cè)的復(fù)雜度。MPA算法的具體流程如下:

首先,根據(jù)因子圖V(k)定義為連接到第K個(gè)RN的所有VN的集合,R(j)代表連接到第j個(gè)VN的所有RN的集合,代表第t次迭代過(guò)程中數(shù)據(jù)塊節(jié)點(diǎn)j到頻域資源節(jié)點(diǎn)K的消息。MPA檢測(cè)的具體譯碼過(guò)程如下:

Step1初始化所需要的信息。

在解碼模塊開(kāi)始迭代式,需要輸入碼字的先驗(yàn)概率并計(jì)算出接收信號(hào)和疊加碼字之間的差,稱其為殘差概率。MPA將各個(gè)用戶發(fā)送的所有碼字設(shè)置為相同的概率:

式中:mj表示用戶j的第m個(gè)碼字。

殘差概率用Φ(m1,m2,…,mdr,k)來(lái)表示,具體公式如下:

式中:yk表示頻域資源節(jié)點(diǎn)k的接收信號(hào);C(k,j)(mj)表示數(shù)據(jù)j使用第m個(gè)碼本在頻域資源節(jié)點(diǎn)k上的復(fù)數(shù)符號(hào)。

Step2更新FN和VN的消息直到達(dá)到最大迭代次數(shù)。

FN的迭代更新過(guò)程如圖9所示,FN1傳遞給VN2的消息,需要得到資源節(jié)點(diǎn)FN1所有連接的其他用戶節(jié)點(diǎn)VN3與VN5的信息。同樣,資源節(jié)點(diǎn)FN1傳遞給VN3與VN5的過(guò)程與VN2類(lèi)似,具體公式如下:

圖9 FN到VN的迭代更新過(guò)程

所有FN節(jié)點(diǎn)更新結(jié)束后,將進(jìn)行VN節(jié)點(diǎn)的更新過(guò)程,具體迭代更新如圖10所示。用戶節(jié)點(diǎn)VN1傳遞到FN2的消息,只需要傳遞外部消息,具體公式如下:

圖10 VN到FN的節(jié)點(diǎn)更新

接著進(jìn)行歸一化操作。經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代,使得信息收斂或直到最大迭代次數(shù),最后的值就是MPA對(duì)該碼字的概率估計(jì)。

Step3迭代完成后,將計(jì)算各個(gè)數(shù)據(jù)塊的碼字概率,將該用戶塊節(jié)點(diǎn)所連的頻域資源節(jié)點(diǎn)的信息相乘即可得到最終的碼字概率,具體公式為

Step 4計(jì)算待解碼字中每個(gè)比特的對(duì)數(shù)似然比。

定義為

這就是SCMA系統(tǒng)中MPA算法的檢測(cè)過(guò)程,之后將LLR值作為信道譯碼輸入進(jìn)行譯碼。

FPGA 實(shí)現(xiàn)中,低時(shí)延與低復(fù)雜度是研究的重點(diǎn),雖然使用對(duì)數(shù)域的算法Max-Log-MPA[10]可以將乘法域的運(yùn)算轉(zhuǎn)化到加法域且避免了e指數(shù)運(yùn)算,運(yùn)算復(fù)雜度大大降低,但是仍然存在節(jié)點(diǎn)信息傳遞時(shí)延較大的問(wèn)題。為此,本文提出了一種節(jié)點(diǎn)快速收斂的并行處理SCMA接收機(jī)。

在運(yùn)行Max-Log-MPA對(duì)SCMA調(diào)解進(jìn)行解調(diào)時(shí),可以觀察點(diǎn)一些底層資源節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行幾次更新之后,概率信息就基本保持不變實(shí)現(xiàn)收斂,另一些資源節(jié)點(diǎn)則需要更多的迭代次數(shù)才可以實(shí)現(xiàn)收斂。在FPGA中,已經(jīng)收斂的資源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行迭代更新只會(huì)無(wú)意義地占用有限的芯片內(nèi)存資源。因此對(duì)于已經(jīng)收斂的資源節(jié)點(diǎn),在后續(xù)的迭代中將不再更新釋放掉內(nèi)存,節(jié)省芯片資源。

收斂性是迭代算法的一個(gè)重要性質(zhì),然而在Max-Log-MPA算法中對(duì)收斂性的證明是及其困難的。在仿真中發(fā)現(xiàn)資源節(jié)點(diǎn)概率信息的變化量小于10-3后就趨于不變?；诖?對(duì)于判斷節(jié)點(diǎn)是否收斂,將兩次連續(xù)迭代輸出過(guò)程中資源節(jié)點(diǎn)概率信息的差作為判斷收斂的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)連續(xù)迭代之間的差值小于接收機(jī)定義的閾值α(10-3),此資源節(jié)點(diǎn)將不在更新。

如圖11所示,在FN到VN的傳遞過(guò)程中,以FN1節(jié)點(diǎn)向VN3節(jié)點(diǎn)、FN2節(jié)點(diǎn)向VN3節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息傳遞更新進(jìn)行分析。FN1向VN2節(jié)點(diǎn)傳遞消息,需要來(lái)自節(jié)點(diǎn)VN2、VN5的概率消息P1與P2,FN2向VN3節(jié)點(diǎn)傳遞消息,需要來(lái)自節(jié)點(diǎn)VN1、VN6的概率消息P3和P4。雖然資源節(jié)點(diǎn)FN1與FN2都與數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)VN3進(jìn)行消息傳遞,但是在計(jì)算過(guò)程中各自需要計(jì)算的消息概率是獨(dú)立的,互不影響。同理,在FN向VN的傳遞過(guò)程中,不同的資源節(jié)點(diǎn)在與其相連的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息更新傳遞中,只與其相連接用戶節(jié)點(diǎn)傳遞來(lái)的消息有關(guān),與其他資源節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān),相互獨(dú)立,因此在FN到VN的消息傳遞過(guò)程中,所有資源節(jié)點(diǎn)可以并行進(jìn)行消息傳遞計(jì)算。同理,VN向FN的更新也可進(jìn)行并行計(jì)算。

圖11 FN到VN的迭代更新過(guò)程

在并行計(jì)算過(guò)程的初始時(shí)刻,所有節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算與其所連接的第一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)傳遞的消息,在經(jīng)過(guò)64個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)算完畢后,再依此計(jì)算與其所連接的第二個(gè)與第三個(gè)用戶點(diǎn)傳遞的消息,這樣經(jīng)過(guò)192的時(shí)鐘周期即可完成所有FN到VN的更新傳遞。并行計(jì)算需要將每個(gè)節(jié)點(diǎn)向其所連接用戶節(jié)點(diǎn)傳遞的消息概率存儲(chǔ)在一個(gè)RAM中,即以FPGA內(nèi)存空間換取低處理時(shí)延。

3.2 低時(shí)延SCMA接收機(jī)FPGA實(shí)現(xiàn)

SCMA接收機(jī)使用的消息傳遞算法就是計(jì)算每個(gè)比特的后驗(yàn)概率,在迭代過(guò)程中消息概率在用戶節(jié)點(diǎn)與資源節(jié)點(diǎn)之間迭代更新。SCMA接收機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖12所示。

圖12 SCMA接收機(jī)設(shè)計(jì)框圖

對(duì)于公式中(2)中的碼字,在計(jì)算前需要定義一組ROM,將碼字存儲(chǔ)起來(lái)。根據(jù)公式(2),對(duì)于每組復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)部與虛部,在計(jì)算完畢后需要求距離的平方之和,再進(jìn)行取相反數(shù)操作。

MPA迭代次數(shù)對(duì)SCMA接收機(jī)性能有著重要的影響,迭代次數(shù)小SCMA接收機(jī)無(wú)法正確解碼數(shù)據(jù),迭代次數(shù)多FPGA資源消耗較多,因此需要實(shí)現(xiàn)迭代次數(shù)、解碼性能與系統(tǒng)資源的平衡。圖13為Es/N0=4 dB與Es/N0=1 dB時(shí)迭代次數(shù)對(duì)誤碼率影響的仿真圖。

圖13 迭代次數(shù)對(duì)SCMA解碼的影響

從圖13可以看出各個(gè)信噪比下的誤碼率曲線走勢(shì)相同,在迭代次數(shù)大于7以后,誤碼率不會(huì)明顯下降,綜合考慮誤碼率與FPGA資源,令迭代次數(shù)為7。

定義兩組存儲(chǔ)器組RAM_Igv與RAM_Ivg來(lái)存儲(chǔ)用戶塊節(jié)點(diǎn)與頻率資源節(jié)點(diǎn)在某次迭代過(guò)程中的概率信息。對(duì)于節(jié)點(diǎn)的初始化,在MAX-Log-MPA中,碼字先驗(yàn)概率為ln(1/4),將未開(kāi)始迭代前的RAM_Igv節(jié)點(diǎn)概率初始化為ln(1/4),RAM-Igv節(jié)點(diǎn)初始化為0。

對(duì)于殘差概率傳輸模塊的數(shù)據(jù),在節(jié)點(diǎn)更新前定義一組RAM1用來(lái)存儲(chǔ)殘差數(shù)據(jù)。在Igv的更新過(guò)程中,在Max-Log-MPA算法中,Igv的每次迭代,需要將從RAM1中讀出相應(yīng)地址的數(shù)據(jù),再?gòu)腞AM-Igv中讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)做相加運(yùn)算得到中間變量slgv,然后經(jīng)過(guò)Max計(jì)算得到Igv。對(duì)于Igv,需要在16個(gè)可能的結(jié)果中取出最大值得到,所以系統(tǒng)需要16個(gè)時(shí)鐘才能輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果。各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用并行計(jì)算,可以大幅度降低處理時(shí)延。Igv迭代過(guò)程中,為了便于讀取RAM1中的數(shù)據(jù),將需要讀取的地址提前寫(xiě)入一組存儲(chǔ)器RAM2,在計(jì)算過(guò)程中,由RAM2讀出所需的地址,Igv即可在對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘下捕捉到RAM1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在Igv更新完畢后對(duì)Ivg進(jìn)行更新。用戶節(jié)點(diǎn)與資源節(jié)點(diǎn)的迭代更新FPGA設(shè)計(jì)如圖14所示。

圖14 節(jié)點(diǎn)迭代更新的FPGA設(shè)計(jì)

4 仿真結(jié)果

本文采用虛警和漏檢概率對(duì)5G低軌衛(wèi)星兩步隨機(jī)接入中的MsgA PRACH的檢測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估,采用誤碼率對(duì)MsgA PUSCH的解調(diào)性能進(jìn)行評(píng)估。在接收端,當(dāng)前導(dǎo)碼成功被檢測(cè)到才會(huì)進(jìn)行誤碼率的計(jì)算統(tǒng)計(jì)。仿真參數(shù)配置如表1所示。

表1 仿真配置表

圖15是在AWGN信道與衛(wèi)星信道無(wú)頻偏的情況下,漏檢概率與虛警概率和信噪比的關(guān)系圖。

圖15 MsgA PRACH參數(shù)仿真圖

從圖15中可以看出,在AWGN信道與衛(wèi)星信道下,都可以在Es/N0=-16.5 dB時(shí)滿足最低1%的漏檢率要求,并且在漏檢概率滿足1%要求的情況下虛警概率也可以達(dá)到最低0.1%的要求[11]。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的5G低軌衛(wèi)星MsgA PRACH參數(shù)可以滿足3GPP協(xié)議規(guī)定的PRACH信道最低1%漏檢和0.1%虛警概率的要求。

圖16仿真分析了單用戶發(fā)起接入與多用戶同時(shí)接入的誤碼率,同時(shí)接入的用戶數(shù)量為6,6個(gè)用戶的數(shù)據(jù)在4個(gè)PRAHC occasion中復(fù)用。5G中數(shù)據(jù)傳輸均采用LDPC碼,本文5G低軌衛(wèi)星兩步隨機(jī)接入數(shù)據(jù)傳輸也采用LDPC碼,當(dāng)單用戶發(fā)起兩步隨機(jī)接入,AWGN信道下傳統(tǒng)的OFDM方案在Es/N0=0.2 dB時(shí)誤碼率達(dá)到10-4,衛(wèi)星信道下在Es/N0=0.8 dB附近時(shí)誤碼率達(dá)到10-4。多用戶同時(shí)發(fā)起隨機(jī)接入,AWGN信道下可在Es/N0=3.9 dB時(shí)誤碼率達(dá)到10-4,衛(wèi)星信道下可在Es/N0=4.6 dB時(shí)誤碼率達(dá)到10-4。與單用戶接入相比,多用戶接入在Es/N0=4 dB以后即可擁有優(yōu)異的誤碼率性能。

圖16 MsgA PUSCH誤碼率

對(duì)于兩步隨機(jī)接入的FPGA實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果,本文從資源利用率情況、SCMA譯碼運(yùn)算量以及FPGA處理時(shí)延來(lái)評(píng)估。

按照第3節(jié)的FPGA收發(fā)模塊設(shè)計(jì),使用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)RTL代碼,選用artix-7 系列的xc7a100tcsg324-1 器件進(jìn)行綜合,兩步隨機(jī)接入資源使用情況如表2和圖17所示。

表2 FPGA資源利用情況

圖17 FPGA資源利用率

表3為SCMA接收機(jī)一次迭代中(輸出所有用戶節(jié)點(diǎn)的12 b消息)的計(jì)算復(fù)雜度,N代表迭代次數(shù)。在使用Log-Max-MPA算法的接收端,迭代過(guò)程中的乘法都被轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算,大大減少了計(jì)算復(fù)雜度,同時(shí)采用并行計(jì)算,有效降低了處理時(shí)延。接收端從接收到前導(dǎo)碼到MsgA PUSCH數(shù)據(jù)解調(diào)成功,在系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz的情況下,解調(diào)總時(shí)延為677.43 μs。

綜上所述,本文研究的5G低軌衛(wèi)星兩步隨機(jī)接入方案在發(fā)送前導(dǎo)檢測(cè)成功率和數(shù)據(jù)誤碼率性能方面均有良好的性能,從而保證了接入成功率。FPGA接收機(jī)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)接收機(jī)相比,同時(shí)可供接入的用戶數(shù)量更多;節(jié)點(diǎn)并行迭代更新的SCMA接收機(jī),在解調(diào)中只存在加法和求最大值運(yùn)算,在不增加運(yùn)算復(fù)雜度的基礎(chǔ)上,采用節(jié)點(diǎn)并行處理,將迭代處理時(shí)延大大降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)下的兩步隨機(jī)接入信道設(shè)計(jì)方案,對(duì)前導(dǎo)序列格式以及與數(shù)據(jù)映射關(guān)系進(jìn)行了設(shè)計(jì),在FPGA上對(duì)兩步隨機(jī)接入進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),并提出了節(jié)點(diǎn)并行處理的低時(shí)延SCMA接收機(jī)。仿真結(jié)果表明,本文提出的設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)用戶發(fā)起的兩步隨機(jī)接入過(guò)程,不僅可以降低用戶數(shù)據(jù)碰撞概率提高頻譜利用率,而且數(shù)據(jù)部分有較好的誤碼率性能,FPGA接收端芯片資源利用率、處理時(shí)延都有優(yōu)異的表現(xiàn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)兩步隨機(jī)接入方案在低軌衛(wèi)星系統(tǒng)場(chǎng)景下應(yīng)用的可行性。未來(lái)將對(duì)低復(fù)雜度低時(shí)延的非正交多址接入FPGA實(shí)現(xiàn)做進(jìn)一步研究。