基于LTE的衛星移動通信隨機接入技術研究

劉 坤，朱立東

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都611731)

基于LTE的衛星移動通信隨機接入技術研究

劉 坤，朱立東

(電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都611731)

針對基于LTE體制的衛星移動通信系統，對隨機接入問題進行了分析討論。針對GEO衛星通信中傳播距離遠、時延差大以及小區半徑大等特點，分析了影響GEO衛星的LTE隨機接入前導序列信號格式設計的因素。針對LEO衛星通信中存在大多普勒頻移現象，分析了多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響。最后，提出了一種消除多普勒頻移為整數倍子載波間隔的解決方案。

衛星通信；LTE；隨機接入；多普勒頻移

0 引言

衛星通信作為地面蜂窩系統的補充和擴展，是實現全球網絡無縫隙覆蓋不可缺少的通信方式。衛星通信憑借其覆蓋面積大、通信距離遠、通信機動靈活、通信頻帶寬、通信容量大和通信的成本與距離無關等一系列優勢特點，一直以來是國內外各界研究和競爭的焦點[1]。現有的衛星移動通信系統采用FDMA、TDMA或CDMA多址方式，主要支持文本和語音等較低速率的業務，難以適應視頻和圖像等多媒體信息的傳輸。地面LTE[2]移動通信系統的成熟，為建立具有多業務、高速率和大容量的新一代衛星移動通信系統提供了機遇[3]。

地面LTE蜂窩移動通信系統中，LTE采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和MIMO(Multiple Input Multiple Output)等新技術，大大提高了數據的傳輸速率、頻譜利用率以及小區容量。但是，LTE應用于衛星移動通信系統中仍存在較多的關鍵問題需要研究[4]，例如峰均比控制、多普勒頻移消除及用戶接入等等。其中，隨機接入技術作為地面用戶終端與衛星進行交互的第一步，影響著整個通信系統能否正常工作，是該系統研究的重點問題之一。

本文將分別對LTE應用于GEO和LEO衛星時，產生的隨機接入問題進行分析。GEO衛星通信具有衛星信道距離遠、時延差大和小區半徑大等特點，應用于地面LTE系統的隨機接入信號前導格式不再適用，需要重新設計[5]。LEO衛星軌道高度大致在500～1 500 km范圍，處于高速運動狀態，速度可以達到7 km/s，在地面用戶終端與LEO衛星通信時，會產生較大的多普勒頻移，對隨機接入信號的檢測產生較大影響。

1 LTE應用于GEO衛星時的隨機接入前導信號格式設計

GEO衛星具有衛星信道距離遠、時延差大以及小區半徑大等特點，由于GEO衛星移動通信系統和地面移動通信系統的差異性，需要對隨機接入信號格式進行重新設計以適應GEO衛星通信環境。

隨機接入前導序列用來標識不同的用戶，是用戶臨時身份的表征信息。衛星LTE系統與地面LTE系統相同，均采用ZC(Zadoff-Chu)序列作為隨機接入信號的前導序列。因為ZC序列具有恒幅特性、良好的循環自相關性、最小互相關性等優良特性[6]。

通過對同一根指數的根ZC序列進行循環移位，可以得到多個具有良好相關性的隨機接入前導序列，增加用戶可選擇的隨機接入前導序列，降低用戶間的沖突碰撞概率[7]。隨機接入信號的前導格式[8]如圖1所示，包括持續時間為TCP的循環前綴CP，持續時間為TSEQ的前導序列Sequence，持續時間為TGT的保護間隔GT。以下將根據GEO衛星通信距離遠、傳輸時延差大和波束半徑大的特點，分別對前導序列持續時間、CP長度、GT長度、循環移位的長度和子載波間隔等參數進行設計。

圖1 隨機接入信號前導格式

上述參數緊密相關，互相矛盾。其中序列的持續時間與子載波間隔互為倒數，子載波間隔又受多普勒的影響，而序列持續時間又受小區半徑和往返時延差等因素影響。因此持續時間過長，會導致子載波間隔過小，因而受多普勒頻移影響嚴重；若持續時間較短，又不能保證小區用戶全部接入[9]。

1.1 序列持續時間TSEQ設計

序列的持續時間受波束內終端到達衛星的時間不確定性、子載波間隔、波束覆蓋范圍以及序列長度等因素影響。

(1) 時間不確定性

GEO衛星一個波束內的不同用戶到達衛星的時間不同，距離衛星最遠的用戶，傳輸時延最大；距離衛星最近的用戶，傳輸時延最小。最大往返時延差為波束內最大傳輸時延與最小傳輸時延差值的2倍。序列持續時間TSEQ必須大于波束內的最大往返時延差TRTD與最大時延擴展τds之和。

(2) 子載波間隔兼容性

在PRACH與PUSCH子載波間隔兼容性方面，TSEQ的設計要考慮SC-FDMA信號的生成原則，必須要保證DFT和IDFT的長度NDFT為整數，即NDFT=fs，TSEQ=m,m∈N，其中，fs為系統采樣率。同時需要保證前導序列子載波與其他上行數據傳輸子載波之間的正交性，使正交性損失降到最小。為實現這一目的，需要保證物理上行共享信道(PUSCH)的子載波間隔Δf是物理隨機接入信道(PRACH)子載波間隔ΔfRA的整數倍，即滿足:

(1)

TSEQ=kTSYS=k/Δf,k∈N，

(2)

式中，TSYS=66.67 μs為SC-FDMA符號的持續時間。

(3) 波束覆蓋范圍

在覆蓋性能方面，通常情況下，序列持續時間越長，其覆蓋范圍也會越大。但是，隨著覆蓋范圍的逐漸變大，就需要更長的循環前綴CP和保護間隔GT來抵消大半徑帶來的長往返時延。增加CP和GT長度的同時，還可以通過對接入前導序列進行周期重復的方式來適應較大的波束覆蓋范圍，周期重復的目的是在接收端獲取分集增益來增加接收信號的功率。

(4)TSEQ持續時間確定[10]

(3)

式中，PRA(r)為衛星基帶輸入的PRACH信號功率，由鏈路預算得到，該參數與波束覆蓋半徑有關；Nf是接收機噪聲系數，N0為噪聲功率譜密度，EP/N0為序列能量與熱噪聲比。

對于給定的虛警概率與漏檢概率，可以得到EP/N0大小，由式(3)即可確定TSEQ。

1.2CP持續時間設計

循環前綴CP的設置可以用來抵抗多徑干擾，解決符號間干擾問題，保證各用戶子載波間的正交性。衛星系統中CP持續時間TCP應不小于最大往返時延差TRTD與最大時延擴展τds之和。

1.3GT持續時間設計

保護間隔(GT)的作用是為了防止隨機接入的當前幀拖尾至下一幀，從而造成符號間干擾，無法保證2幀的數據被正確地接收。因此，為了避免2幀之間的混疊，需要加入一定長度的保護間隔，保護間隔的時長TGT應該設置為大于等于最大往返時延差TRTD。

1.4 傳輸時延特性分析

對GEO衛星，覆蓋半徑為150km、300km和500km時，最大往返傳輸時延差[11]分別為1.5ms、3.2ms和5.4ms。由TCP=TGT=TRTD+τds≈TRTD可以得到CP和GT的時長。

1.5 隨機接入序列長度及循環移位偏移值設計

由于GEO衛星通信單波束的覆蓋半徑較大，波束內用戶數較多，因此序列應盡可能長，使生成的簽名序列盡可能多，簽名序列的個數表示該波束內可允許同時進行隨機接入的用戶數量。前導序列簽名之間的正交性或較小的互相關特性是通過ZC序列的循環移位得到的。循環移位的粒度取決于波束半徑以及信道的時延擴展[12]。

PRACH序列是由一個長度為NZC的ZC序列循環移位得到的，例如，當TSEQ=6.4 ms時，NZC=TSEQ×fs=6.4 ms×1.08 MHz≈6 912，NZC即為序列長度，取素數后為6 911。

循環移位偏移值NCS與波束覆蓋半徑的關系為：

(4)

式中，ΔTRTD為往返時延差，τds為最大時延擴展，NZC、TSEQ分別為PRACH序列長度和持續時間，ng是由接收脈沖成形濾波器所附加的保護采樣個數。

2 LTE應用于LEO衛星時隨機接入技術的改進

2.1 多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響

當用戶處于高速運動狀態時，多普勒頻移較大，影響序列的零自相關性。

(5)

式中，xμ(n)為ZC序列，Δf為多普勒頻移大小，ejφμ是一個與n無關的模為1的相位旋轉常量。

下面將通過仿真分析得到序列相關峰的位置隨多普勒頻移的變化趨勢，仿真參數為：μ=4，NZC=839，ZC序列的循環移位值Cv=100，dμ=210，信噪比為0dB。

由圖2可以得到如下結論：當多普勒頻移為整數m倍子載波間隔時，峰值由Cv=100的位置完全搬移到位于Cv+m·dμmodNZC位置處，原相關峰的能量變為0。

圖2 相關檢測峰隨整數倍子載波間隔的 多普勒頻移變化影響

由圖3可以得到如下結論：當頻偏從0.2倍子載波間隔向0.8倍子載波間隔變化時，原相關峰值的大小隨多普勒頻移的增大而減小，峰值能量逐漸從Cv位置到Cv+dμ位置轉移，并且能量會分散到與Cv相距固定距離dμ整數倍的點處。

圖3 相關檢測峰隨小數倍子載波間隔的 多普勒頻移變化的影響

從上述分析可知，在LEO衛星等高速運動場景下，較大的多普勒頻移會導致ZC序列明顯失真，原始相關峰值的能量會泄露至相鄰的點處，峰值不只出現在循環移位Cv處，同時也會出現在所有與Cv相距固定距離dμ整數倍的點處。這種情況下，在預先設定的搜索窗內可能檢測不到峰值信息。

2.2 隨機接入信號檢測算法的改進

針對在高速移動環境下產生的大多普勒頻移問題，LTE協議給出了2個解決方案：對前導序列重復復制的方法和對前導序列的循環移位進行限制的方法[13]。但是這2種方法不能從根本上消除多普勒頻移的影響，而是將多普勒頻移控制在可預測的范圍。

本文針對LEO衛星通信場景下，存在大多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響，提出了一種隨機接入前導序列信號檢測方案。該方案可以消除整數倍子載波間隔的多普勒頻移影響，主要思想是在接收端獲得多普勒頻移的整數倍子載波間隔估計值，對接收信號進行頻率補償，將多普勒頻移控制在一個子載波間隔范圍內，然后再進行隨機接入檢測。該方案詳細的步驟如下：

① 多普勒頻移導致隨機接入前導序列發生位移，位移大小為dμ，選取使dμ較小的ZC序列xμ(n)的根指數μ，這樣可以將單用戶受多普勒頻移影響的相關峰限制到單用戶的檢測窗口中。在接收端，接收到的隨機接入信號與本地根ZC序列進行頻域相關，獲得隨機接入相關峰的最大相關幅度值及所在位置信息d1，以及次大相關幅度值及所在位置信息d2；

3 結束語

隨機接入是實現LTE應用于衛星通信的第一步，分析GEO衛星和LEO衛星等不同衛星通信場景下的隨機接入對實現兼容地面LTE的衛星系統的可行性研究具有重要意義。本文針對GEO衛星通信信道距離遠、時延差大和小區半徑大等特點，結合實際的參數和地面兼容性問題，分析得出了適應于GEO衛星的LTE隨機接入的前導信號格式設計方法。本文針對LEO衛星通信中存在的大多普勒頻移現象，分析了多普勒頻移對隨機接入信號檢測的影響，并提出了一種消除多普勒頻移影響的方案，為進一步研究兼容LTE的LEO衛星通信系統打下了基礎。

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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

劉 坤，朱立東.基于LTE的衛星移動通信隨機接入技術研究[J].無線電通信技術,2017,43(2):12-15.

2016-12-19

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA01A502)；四川省科技廳資助項目(214GZX004)

劉 坤(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：LTE技術與通信衛星融合。朱立東(1968—),男，教授，主要研究方向：無線與衛星通信系統的信號處理、信道建模與仿真、資源管理及移動性管理等技術。

TN929.5

A

1003-3114(2017)02-12-4