基于LTE的卫星移动通信随机接入技术研究

刘 坤，朱立东

(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都611731)

基于LTE的卫星移动通信随机接入技术研究

刘 坤，朱立东

(电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都611731)

针对基于LTE体制的卫星移动通信系统，对随机接入问题进行了分析讨论。针对GEO卫星通信中传播距离远、时延差大以及小区半径大等特点，分析了影响GEO卫星的LTE随机接入前导序列信号格式设计的因素。针对LEO卫星通信中存在大多普勒频移现象，分析了多普勒频移对随机接入信号检测的影响。最后，提出了一种消除多普勒频移为整数倍子载波间隔的解决方案。

卫星通信；LTE；随机接入；多普勒频移

0 引言

卫星通信作为地面蜂窝系统的补充和扩展，是实现全球网络无缝隙覆盖不可缺少的通信方式。卫星通信凭借其覆盖面积大、通信距离远、通信机动灵活、通信频带宽、通信容量大和通信的成本与距离无关等一系列优势特点，一直以来是国内外各界研究和竞争的焦点[1]。现有的卫星移动通信系统采用FDMA、TDMA或CDMA多址方式，主要支持文本和语音等较低速率的业务，难以适应视频和图像等多媒体信息的传输。地面LTE[2]移动通信系统的成熟，为建立具有多业务、高速率和大容量的新一代卫星移动通信系统提供了机遇[3]。

地面LTE蜂窝移动通信系统中，LTE采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和MIMO(Multiple Input Multiple Output)等新技术，大大提高了数据的传输速率、频谱利用率以及小区容量。但是，LTE应用于卫星移动通信系统中仍存在较多的关键问题需要研究[4]，例如峰均比控制、多普勒频移消除及用户接入等等。其中，随机接入技术作为地面用户终端与卫星进行交互的第一步，影响着整个通信系统能否正常工作，是该系统研究的重点问题之一。

本文将分别对LTE应用于GEO和LEO卫星时，产生的随机接入问题进行分析。GEO卫星通信具有卫星信道距离远、时延差大和小区半径大等特点，应用于地面LTE系统的随机接入信号前导格式不再适用，需要重新设计[5]。LEO卫星轨道高度大致在500～1 500 km范围，处于高速运动状态，速度可以达到7 km/s，在地面用户终端与LEO卫星通信时，会产生较大的多普勒频移，对随机接入信号的检测产生较大影响。

1 LTE应用于GEO卫星时的随机接入前导信号格式设计

GEO卫星具有卫星信道距离远、时延差大以及小区半径大等特点，由于GEO卫星移动通信系统和地面移动通信系统的差异性，需要对随机接入信号格式进行重新设计以适应GEO卫星通信环境。

随机接入前导序列用来标识不同的用户，是用户临时身份的表征信息。卫星LTE系统与地面LTE系统相同，均采用ZC(Zadoff-Chu)序列作为随机接入信号的前导序列。因为ZC序列具有恒幅特性、良好的循环自相关性、最小互相关性等优良特性[6]。

通过对同一根指数的根ZC序列进行循环移位，可以得到多个具有良好相关性的随机接入前导序列，增加用户可选择的随机接入前导序列，降低用户间的冲突碰撞概率[7]。随机接入信号的前导格式[8]如图1所示，包括持续时间为TCP的循环前缀CP，持续时间为TSEQ的前导序列Sequence，持续时间为TGT的保护间隔GT。以下将根据GEO卫星通信距离远、传输时延差大和波束半径大的特点，分别对前导序列持续时间、CP长度、GT长度、循环移位的长度和子载波间隔等参数进行设计。

图1 随机接入信号前导格式

上述参数紧密相关，互相矛盾。其中序列的持续时间与子载波间隔互为倒数，子载波间隔又受多普勒的影响，而序列持续时间又受小区半径和往返时延差等因素影响。因此持续时间过长，会导致子载波间隔过小，因而受多普勒频移影响严重；若持续时间较短，又不能保证小区用户全部接入[9]。

1.1 序列持续时间TSEQ设计

序列的持续时间受波束内终端到达卫星的时间不确定性、子载波间隔、波束覆盖范围以及序列长度等因素影响。

(1) 时间不确定性

GEO卫星一个波束内的不同用户到达卫星的时间不同，距离卫星最远的用户，传输时延最大；距离卫星最近的用户，传输时延最小。最大往返时延差为波束内最大传输时延与最小传输时延差值的2倍。序列持续时间TSEQ必须大于波束内的最大往返时延差TRTD与最大时延扩展τds之和。

(2) 子载波间隔兼容性

在PRACH与PUSCH子载波间隔兼容性方面，TSEQ的设计要考虑SC-FDMA信号的生成原则，必须要保证DFT和IDFT的长度NDFT为整数，即NDFT=fs，TSEQ=m,m∈N，其中，fs为系统采样率。同时需要保证前导序列子载波与其他上行数据传输子载波之间的正交性，使正交性损失降到最小。为实现这一目的，需要保证物理上行共享信道(PUSCH)的子载波间隔Δf是物理随机接入信道(PRACH)子载波间隔ΔfRA的整数倍，即满足:

(1)

TSEQ=kTSYS=k/Δf,k∈N，

(2)

式中，TSYS=66.67 μs为SC-FDMA符号的持续时间。

(3) 波束覆盖范围

在覆盖性能方面，通常情况下，序列持续时间越长，其覆盖范围也会越大。但是，随着覆盖范围的逐渐变大，就需要更长的循环前缀CP和保护间隔GT来抵消大半径带来的长往返时延。增加CP和GT长度的同时，还可以通过对接入前导序列进行周期重复的方式来适应较大的波束覆盖范围，周期重复的目的是在接收端获取分集增益来增加接收信号的功率。

(4)TSEQ持续时间确定[10]

(3)

式中，PRA(r)为卫星基带输入的PRACH信号功率，由链路预算得到，该参数与波束覆盖半径有关；Nf是接收机噪声系数，N0为噪声功率谱密度，EP/N0为序列能量与热噪声比。

对于给定的虚警概率与漏检概率，可以得到EP/N0大小，由式(3)即可确定TSEQ。

1.2CP持续时间设计

循环前缀CP的设置可以用来抵抗多径干扰，解决符号间干扰问题，保证各用户子载波间的正交性。卫星系统中CP持续时间TCP应不小于最大往返时延差TRTD与最大时延扩展τds之和。

1.3GT持续时间设计

保护间隔(GT)的作用是为了防止随机接入的当前帧拖尾至下一帧，从而造成符号间干扰，无法保证2帧的数据被正确地接收。因此，为了避免2帧之间的混叠，需要加入一定长度的保护间隔，保护间隔的时长TGT应该设置为大于等于最大往返时延差TRTD。

1.4 传输时延特性分析

对GEO卫星，覆盖半径为150km、300km和500km时，最大往返传输时延差[11]分别为1.5ms、3.2ms和5.4ms。由TCP=TGT=TRTD+τds≈TRTD可以得到CP和GT的时长。

1.5 随机接入序列长度及循环移位偏移值设计

由于GEO卫星通信单波束的覆盖半径较大，波束内用户数较多，因此序列应尽可能长，使生成的签名序列尽可能多，签名序列的个数表示该波束内可允许同时进行随机接入的用户数量。前导序列签名之间的正交性或较小的互相关特性是通过ZC序列的循环移位得到的。循环移位的粒度取决于波束半径以及信道的时延扩展[12]。

PRACH序列是由一个长度为NZC的ZC序列循环移位得到的，例如，当TSEQ=6.4 ms时，NZC=TSEQ×fs=6.4 ms×1.08 MHz≈6 912，NZC即为序列长度，取素数后为6 911。

循环移位偏移值NCS与波束覆盖半径的关系为：

(4)

式中，ΔTRTD为往返时延差，τds为最大时延扩展，NZC、TSEQ分别为PRACH序列长度和持续时间，ng是由接收脉冲成形滤波器所附加的保护采样个数。

2 LTE应用于LEO卫星时随机接入技术的改进

2.1 多普勒频移对随机接入信号检测的影响

当用户处于高速运动状态时，多普勒频移较大，影响序列的零自相关性。

(5)

式中，xμ(n)为ZC序列，Δf为多普勒频移大小，ejφμ是一个与n无关的模为1的相位旋转常量。

下面将通过仿真分析得到序列相关峰的位置随多普勒频移的变化趋势，仿真参数为：μ=4，NZC=839，ZC序列的循环移位值Cv=100，dμ=210，信噪比为0dB。

由图2可以得到如下结论：当多普勒频移为整数m倍子载波间隔时，峰值由Cv=100的位置完全搬移到位于Cv+m·dμmodNZC位置处，原相关峰的能量变为0。

图2 相关检测峰随整数倍子载波间隔的 多普勒频移变化影响

由图3可以得到如下结论：当频偏从0.2倍子载波间隔向0.8倍子载波间隔变化时，原相关峰值的大小随多普勒频移的增大而减小，峰值能量逐渐从Cv位置到Cv+dμ位置转移，并且能量会分散到与Cv相距固定距离dμ整数倍的点处。

图3 相关检测峰随小数倍子载波间隔的 多普勒频移变化的影响

从上述分析可知，在LEO卫星等高速运动场景下，较大的多普勒频移会导致ZC序列明显失真，原始相关峰值的能量会泄露至相邻的点处，峰值不只出现在循环移位Cv处，同时也会出现在所有与Cv相距固定距离dμ整数倍的点处。这种情况下，在预先设定的搜索窗内可能检测不到峰值信息。

2.2 随机接入信号检测算法的改进

针对在高速移动环境下产生的大多普勒频移问题，LTE协议给出了2个解决方案：对前导序列重复复制的方法和对前导序列的循环移位进行限制的方法[13]。但是这2种方法不能从根本上消除多普勒频移的影响，而是将多普勒频移控制在可预测的范围。

本文针对LEO卫星通信场景下，存在大多普勒频移对随机接入信号检测的影响，提出了一种随机接入前导序列信号检测方案。该方案可以消除整数倍子载波间隔的多普勒频移影响，主要思想是在接收端获得多普勒频移的整数倍子载波间隔估计值，对接收信号进行频率补偿，将多普勒频移控制在一个子载波间隔范围内，然后再进行随机接入检测。该方案详细的步骤如下：

① 多普勒频移导致随机接入前导序列发生位移，位移大小为dμ，选取使dμ较小的ZC序列xμ(n)的根指数μ，这样可以将单用户受多普勒频移影响的相关峰限制到单用户的检测窗口中。在接收端，接收到的随机接入信号与本地根ZC序列进行频域相关，获得随机接入相关峰的最大相关幅度值及所在位置信息d1，以及次大相关幅度值及所在位置信息d2；

3 结束语

随机接入是实现LTE应用于卫星通信的第一步，分析GEO卫星和LEO卫星等不同卫星通信场景下的随机接入对实现兼容地面LTE的卫星系统的可行性研究具有重要意义。本文针对GEO卫星通信信道距离远、时延差大和小区半径大等特点，结合实际的参数和地面兼容性问题，分析得出了适应于GEO卫星的LTE随机接入的前导信号格式设计方法。本文针对LEO卫星通信中存在的大多普勒频移现象，分析了多普勒频移对随机接入信号检测的影响，并提出了一种消除多普勒频移影响的方案，为进一步研究兼容LTE的LEO卫星通信系统打下了基础。

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Research on the Random Access Technology of LTE Based Satellite Mobile Communications

LIU Kun,ZHU Li-dong

(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China)

This paper analyzes and discusses the random access for mobile satellite communications system based on LTE system.In view of such characteristics of GEO satellite communication as long distance,large delay inequality,large cell radius,etc.,the factors that affect the design of LTE random access preamble signal format are analyzed.In view of large Doppler frequency shift in LEO satellite communication,the influence of Doppler frequency shift on random access signal detection is analyzed.Finally,this paper puts forward a solution of eliminating Doppler frequency shift with integer subcarrier spacing.

satellite communication;LTE;random access;doppler frequency shift

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.03

刘 坤，朱立东.基于LTE的卫星移动通信随机接入技术研究[J].无线电通信技术,2017,43(2):12-15.

2016-12-19

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA01A502)；四川省科技厅资助项目(214GZX004)

刘 坤(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向：LTE技术与通信卫星融合。朱立东(1968—),男，教授，主要研究方向：无线与卫星通信系统的信号处理、信道建模与仿真、资源管理及移动性管理等技术。

TN929.5

A

1003-3114(2017)02-12-4