基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統設計

韓 芳，郭文明，2，陳曉飛

(1.新疆工程學院 信息工程學院，烏魯木齊 830023; 2.北京郵電大學 計算機學院，北京 100876)

0 引言

衛星移動通信是近年來通信領域發展最快的技術，目前專業領域的研究人員不斷完善低軌衛星移動通信技術的功能設置。在傳統研究中，用于衛星通信系統的隨機接入技術主要包括基于時間層面的時分多址(TDMA)，基于頻率層面的頻分多址(FDMA)，基于功率層面的碼分多址(CDMA)以及基于空間層面的空分多址(SDMA)[1]。前導序列是有效信號發送之前的一串信號，前導序列的檢測能夠測試通信是否能夠有效接收，因此前導序列檢測系統的設計至關重要。相關研究人員為了提高技術的前導檢測系統的校驗有效度，設計了低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統。現有系統的前導序列設計根據子載波間隔和多段ZC序列重復的特征進行循環移位，得到檢測窗口的峰值，但在數據傳輸時延時較大，影響檢測效果；還有在前導序列上進行時隙擴展的研究，減少了隨機接入的必要流程，實現快速檢測的目的，但是由于步驟的減少同時也降低了束波覆蓋要求，誤檢率不穩定，影響前導檢測[2]。

因此，為了解決現有系統設計的不足，降低隨機接入前導檢測系統的誤檢率，縮短檢測延時，本文突破傳統的設計理念，重新設計檢測系統硬件區域結構和軟件區域結構，完善低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統。最后對檢測系統檢測延時和誤檢率性能的測試和測試數據分析，證明了基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統具有意義，達到文章的設計目的。

1 基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統硬件設計

基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統硬件主要由前導格式器、前導序列器、前導信號持續時間計算器和隨機信號發送器組成，系統硬件結構如圖1所示。

圖1 基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統硬件結構

1.1 前導格式器設計

檢測系統硬件區域的前導格式器在LTE系列的前導格式器基礎上進行創新，自帶隨機入前導列格式，根據低軌衛星移動通信的實際情況進行自動格式的變更，使系統的檢測結果更加準確[3]。主要由3部分組成，分別是循環前綴、前導ZC序列、保護間隔，器件的每個部分對于整個檢測系統都具有特殊的意義[4-5]。前導格式器結構如圖2所示。

圖2 前導格式器結構

根據圖2可知，前導格式器的3個組成零件不是同時工作，而是銜接工作，每個序列區域的持續工作時間根據檢測系統面對的工作對象具體情況進行決定[6-7]。對于本文設計的基于MRLS的低軌衛星移動通信模式和應用場景的特點，最終設定器件的子載波間隔頻率始終保持1.25 kHz，將前導格式器的ZC序列持續時間和保護間隔距離間隔設計為倒數的關系，循環前綴的工作持續時間設定為0.8倍的ZC序列的工作持續時間，共同組成一個新的前導格式器[8-9]。

1.2 前導序列器設計

在新的前導格式器基礎上，將器件的運行核心更新為多根長序列MRLS，優化前導序列器的序列結構，更新的意義在于將系統的前導序列內的物理根序號附屬的序列類型進行獨立限制，使每個序列具有唯一性特點，這樣就保證前導序列器在工作過程中接收到的根序列峰值是唯一的，提高了檢測系統校驗速度，實現提高系統工作效率的目的[10-12]。前端序列器結構如圖3所示。

圖3 前端序列器結構

具體的器件工作序列調用順序的確定由下述公式和計算模型完成：

(1)

(2)

式中，μ表示ZC序列的物理根序號；Nzc表示每個ZC序列的長度；ZCk表示第K個短ZC根序列，μk表示所對應的根序列號。

1.3 前導信號持續時間計算器設計

低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統的工作原理是通過識別各個器件之間的信號。為了保證系統的工作效果，根據前導格式器的結構，本文設計了新型前導信號持續時間計算器，該器件是系統硬件區域的核心器件，主要的工作是調控前導器件之間的持續工作時間，從而使系統的檢測精度得到保障[13]。前導信號持續時間計算器的計算準則是區域信號持續的時間大于等于區域內通信信號的往返時延差和信號擴展間隔的和，低軌衛星在信號通信過程中，衛星將信號通過基站轉發，此時新型計算器就能夠包容衛星通信的時延差、信號序列長度、通信消耗等其他變量的能耗和誤差。前導信號持續時間計算器的計算精度也十分重要，差之微毫檢測系統的誤差率就會增大，精度衡量公式如下所示：

(3)

式中，Tmax表示持續時間的規定值；σ表示時間精度系數。

1.4 隨機信號發送器設計

隨機信號發送器的工作任務是在低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統工作過程中，在出現信號發生不完全的情況下及時的將信號進行補發，本文設計發送器可以減少DFT點數的運算點數、降低系統的檢測復雜度并保證系統隨機接入的載波間隔在規定范圍內波動。隨機信號發送器的工作精度可以達到0.01%FS，DC24 V/45 mV電壓的輸出模式，根據低軌衛星移動通信的特殊性，信號發送器的通信協議采用MODBUS RTC協議，保證信號的通信質量。隨機信號發送器結構如圖4所示。

圖4 隨機信號發送器結構

根據圖4可知，此信號發生器采用RS232通信無線接口，既可以滿足通信信號的校驗，又可以保證識別信號的靈敏度，內置存儲內存空間為128 G，64組常用數據存儲語言，提高信號發送器的工作速度。隨機信號發生器的脈沖極值為1 000 MHz，低電平控制為0 V，器件工作分辨率為0.1 MHz[14]。隨機信號發生器的工作負載必須超過100 kΩ，保證電阻占空比為50%，因為衛星通信信號的持久性特點，次信號發生器采用雙電源工作模式，電池的本質是鋰電池供電，不會出現突然黑屏的情況，保證工作效率[15]。

2 基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統軟件設計

基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統軟件設計，需要根據低軌衛星移動通信波束對通信信息進行序列設定。隨機接入流程如圖5所示。

圖5 隨機接入流程

基于隨機接入流程，選取一個計算機通信序列作為基準序列，信號序列沿著通信鏈路發送到對應的衛星接收器中，會受到多方面因素影響，包括通信過程的延時問題、子載波歸一化偏頻問題、信號通信鏈路的增益問題等。因此要綜合通信過程中的各項因素對信號序列進行分析：

r(n)=ρx(n-τ)εn+w(n)

(4)

式中，r(n)為低軌衛星移動通信隨機接收到的信號序列，ρ指該信號序列的子載波偏移頻率參數，x(n)表示初始的基準信號序列，τ表示信號序列傳輸的延時參數，ε為信號傳輸過程中的信道增益參數，w(n)為均值為0狀態下的序列數值。經過綜合參數運算得到關于傳輸路徑中的信號序列特性分析，一般情況下還要考慮高斯白噪聲的處理問題。

基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統對信號通信的檢測受信號子載波影響較大，因此在設計前導檢測系統程序時要在前導序列檢測算法中加入子載波偏移頻率CFO的運算步驟。在對信號進行綜合參數分析后，得到根序列ZC，根據MRLS算法，對根序列進行共軛相乘運算，即選取選定根序列相鄰的序列依次進行差分檢測和相關性檢測，檢測基本公式為：

(5)

式中，C(n)表示根序列運算得到的共軛序列。對根序列ZC和其相鄰序列進行聯列檢測，前提是待檢測的前導序列的序列信道延時和增益參數是相同的，才可以同時進行聯級序列檢測。由于這一運算過程是針對根序列及相鄰序列進行運算的，得到的是某一段序列的共軛序列，因此要將所有運算序列樣本分別進行共軛相乘，再將分段的共軛運算結果進行整合，同時加入子載波偏移頻率參數進行運算：

(6)

根據上式可以看出，整合的前導序列Cp(n)是對分段的前導序列共軛相乘檢測結果進行序列級聯運算，再加入了子載波偏頻參數ρ的處理，此時的偏頻參數為該時刻的信號序列通信偏移頻率ZR。經過分段序列差分檢驗和聯合序列運算能夠得到該時段低軌衛星隨機通信前導序列為：

Tzn=CP(n)(ρ-ZR)kl

(7)

式中，kl為識別偏頗參數閾值，當此時刻基準信號序列cl低于該時刻的信號序列通信時，加入子載波偏移頻率參數進行多方面數據歸一化處理結果為：

(8)

式中，nt為子載波傳輸延時參數，增益參數與其相鄰序列進行聯列檢測后，計算得到的子載波偏移情況和信噪比檢測結果：

Wrt=(nt-kl)ρ

(9)

(10)

基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統軟件設計實現流程圖如圖6所示。

圖6 軟件設計實現流程圖

3 實驗結果與分析

3.1 實驗參數及指標設置

為了驗證所設計的基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統軟件的應用效果，進行實驗研究，主要針對前導檢測系統對發送信號有效性的檢測誤檢率和延時時長兩個方面進行重點研究。誤檢率是隨機接入前導檢測的一個檢測水平衡量指標，與子載波偏頻有直接關系，偏頻數值越大，誤檢率就越高；檢測延時時長主要是指信號序列通信過程中產生的延時情況，延時越短越能夠及時的與信號通訊相匹配。設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

基于上述實驗參數的設定，對傳統系統與本文系統進行系統檢測的延時時長和系統誤檢率的對比分析。運用兩種系統進行低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測，得到檢測誤檢率與通信延時實驗結果。誤檢率及通信延時檢測指標如下。

誤檢率：

(11)

通信延時檢測：

(12)

3.2 實驗步驟和方法

3.2.1 誤檢率對比

一般情況下，檢測的誤檢率會隨著歸一化子載波偏頻的增大而增大，而級聯序列是將序列分成多個序列段分別進行運算，提高了對歸一化子載波偏頻的對抗能力，減小了偏頻問題對前導檢測的影響程度，因此提高了檢測結果的精準度，降低了誤檢率。此外，級聯序列的誤檢率能夠隨著信噪比的增加而減小，說明這種系統具有很強的抗噪能力，極大地降低了高斯白噪聲對隨機接入前導檢測造成的影響，進一步保證了前導檢測的準確性、真實性。

經過共軛運算的級聯序列進行隨機接入前導檢測，運用兩種系統對低軌衛星隨機接入前導檢測的發送信號的有效性進行分析，得到誤檢率的實驗結果如圖7所示。

圖7 誤檢率實驗結果

根據圖7的結果表明，兩種檢測系統的誤檢率都隨著信噪比的增加而減少，但是本文系統減少的幅度更大；傳統系統最低誤檢率為10-3%，本文系統的最低誤檢率為10-4%，本文系統的誤檢率與另一系統的檢測結果相比較低，說明本文系統在對發送信號進行檢測時，具有較強的抗噪能力，誤檢率小，準確率高，檢測結果更加準確，不易受到衛星運行和通信信道的環境的影響，避免了通信過程中受環境因素的干擾，提高了通信過程對發送信號檢測的精準度。

3.2.2 通信延時檢測對比

選取通信延時參數500 μs/800 μs作為通信延時檢測對比的對應值，在信號序列通信過程中產生的延時情況關系著隨機接入前導檢測系統的發送信號能否及時匹配，延時過長會影響系統信號匹配的效果，降低對發送信號是否有效的準確性。

運用兩種系統對低軌衛星隨機接入前導檢測的通信延時時長進行分析，得到的實驗結果如圖8所示。

根據圖8的結果表明，現有檢測系統延時時間一般在0.004 m上下波動，而本文研究的檢測系統在檢測時的延時時間始終不超過0.002 m，與現有檢測系統相比，檢測延時的時間較低，加快了信號通訊匹配時間，提高了對發送信號是否有效的判斷時間。

圖8 延時檢測對比實驗結果

綜上所述，本文研究的基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統和軟件應用的算法相較于傳統檢測系統具有準確率高、延時時間短的性能，在對低軌衛星的移動通信隨機接入前導檢測中實用性好，可以提高對發送信號的檢測效果，起到積極地作用。

4 結束語

本文主要針對低軌衛星的移動通信隨機接入前導檢測問題，根據低軌衛星的通信系統和信號載波傳輸范圍等特征，提出基于MRLS的低軌衛星移動通信隨機接入前導檢測系統。具體設計了前導檢測系統的硬件設施，然后根據前導序列算法，融入了對信號序列子載波的歸一化處理，設計了一種分段式的MRLS級聯前導序列檢測算法，通過對根序列進行共軛相乘運算和差分相關檢驗，更加具體地對每段信號序列進行檢測，較大程度上降低了子載波偏頻和信噪比對檢測結果的影響。并通過實驗研究驗證了檢測系統具有良好的實際應用效果，檢測系統有很強的抗噪能力，減少了檢測的延時時長，降低了誤檢率，提高了檢測的真實性準確性。研究的檢測系統能夠為低軌衛星移動通信檢測領域的相關研究提供一定的技術參考，從而推動我國衛星通信檢測技術的發展進步。