一種用于衛星通信系統的基于時延差檢測的隨機接入容量增強方法

孫仲義

（東南大學 江蘇 南京 210096）

1 引言

3GPP在R-16中討論了5G系統與非地面網絡相融合的技術方案，衛星通信作為一種覆蓋范圍廣、通信容量大的通信方式[1]，可以彌補5G系統在偏遠地區覆蓋困難的問題，但同時也面臨著諸多挑戰。在衛星為廣域用戶提供服務的同時，用戶間較大時延差會對隨機接入的容量產生影響，難以為覆蓋范圍內的用戶提供足夠的隨機接入機會，難以滿足系統通信的需要。因此，提高系統隨機接入容量成為了衛星通信系統中亟待解決的問題。

2 問題分析

在衛星通信系統中，波束的覆蓋范圍與地面通信系統相比較大，這將使得小區內的用戶最大差分時延變大。由于兩個隨機接入時機之間的時間間隔，需要大于小區中最大差分時延的兩倍，這就導致相對于地面系統，衛星系統在單位時間內可用的隨機接入時機數量小于地面通信系統。上述問題將導致系統的隨機接入容量降低。在采用現有隨機接入步驟的情況下，系統的單位時間內支持的接入數量M可以由式（1）得：

根據式（2），系統可支持的單位時間內的接入數量越大，系統支持的UE密度越大，對于式（1）在系統參數不變的情況下，F、 Pconfigured和ρ都將固定。要使得衛星系統的單位時間內支持的接入數量增大，可以考慮改變隨機接入流程，使得前導序列在同一個PRACH機會中可以復用，這樣在系統可配置前導的數量一定的情況下，達到增加接入數量的目的。

3 基于時延差的隨機接入前導容量增強方案

基于時延差的隨機接入前導容量增強方案，通過改變隨機前導檢測和上行資源分配的方式，使得有著不同時延差的用戶在同一隨機接入機會中，可以使用同一個前導序列完成接入，達到增加系統隨機接入容量的目的。

3.1 總體方案設計

隨機接入過程見圖1。

圖1 隨機接入流程圖

隨機接入流程分為4步、用戶向基站發送MSG1；基站進行前導序列檢測；發現用戶隨機接入請求后，為用戶進一步發送MSG3分配上行資源，并將分配資源通過MSG2發送給用戶；用戶根據分配到的上行信道資源發送MSG3，基站接收到MSG3后向用戶發送MSG4，隨機接入完成。

在目前隨機接入過程的基礎上，本方案通過對衛星（基站）側隨機前導檢測過程進行修改，以使得衛星能在同一個PRACH時機中，檢測到使用同一個前導序列但傳播時延差較大的多個用戶。隨后，衛星根據用戶通信時延的差別，分別為用戶進行MSG3的上行資源的分配，最終使得多個通信時延較大的用戶，可以在用一個PRACH時機中使用一樣的前導序列完成隨機接入過程，達到前導序列復用的目的，從而增加系統隨機接入容量。

3.2 隨機接入前導檢測

通過將前導序列檢測中搜索窗內檢測出的每一個峰值以傳輸時延進行區分，能夠使衛星在一個搜索窗的范圍中找到其中每一個傳輸時延差大于1TTI的用戶，為后續隨機接入步驟的定時提前調整和上行資源分配提供支持。改進后的隨機前導檢測流程見圖2。

圖2 改進后的隨機前導檢測流程圖

上述流程中搜索窗在功率時延譜的關系見圖3。

圖3 搜索窗與功率時延譜關系示意圖

不考慮噪聲和頻偏、多徑干擾的情況下，功率時延譜中每一個峰值代表一個發起隨機接入的UE。在該方案的隨機接入前導檢測過程中，首先基站記錄每一個搜索窗中的各峰值，搜索窗位置由前導序列根序列決定[3]。

接著，基站對每個搜索窗中的峰值進行檢測，若要使前導序列能夠在一個接入時機中復用，在同一個搜索窗中的UE之間的傳播時延差的兩倍應大于1個TTI，以保證UE發送的MSG3返回基站時不發生沖突，所以網絡設備應判斷每一個峰值兩側正負TTI范圍內是否存在更高的峰值。若存在，則認為該峰值不符合條件，不記錄為結果；若不存在，則記錄該峰值對應發起接入的UEj，并計算UEj傳輸時延為Tj[4]。

最后，基站根據記錄發起接入的UE和它們的傳輸時延進行上行信道資源分配。

3.3 上行信道資源分配

依照上述隨機接入前導檢測方法，可以檢測出多個具有相同前導序列的用戶。對于任意兩個具有相同前導序列的用戶，若他們的傳輸時延差超過1個TTI，在采用相同TA（Time Advance）發送MSG3時，基站會在不同的TTI接收到這兩個用戶的MSG3。因此，基站在合理分配上行傳輸資源的情況下，可以保證兩個用戶根據同樣的MSG2（包含TA和上行資源指示）發送MSG3，在不同的TTI到達基站從而不會發生碰撞，基站能夠接收這兩條MSG3。

為了在對應的時域上接收到這些消息，基站應當分別為這些UE分配用于MSG3傳輸的空閑的上行信道資源。設當前隨機接入時機中使用某種同樣前導序列的用戶有j個，將這些用戶按照傳輸時延從小到大排列，將與鄰近用戶傳輸時延差小于1個TTI的用戶刪除，得到用戶序列為：UE1，UE2，UE3，…UEk。基站為UE1分配的傳輸時隙為Tsend，并設定TA值和在Tsend時隙占用的RB，則使用該前導序列的用戶分配到的傳輸時隙為Tsend，Tsend-T1+T2，Tsend- T1+T3，Tsend- T1+T4，…Tsend- T1+Tk。基站應該避免上述傳輸時隙中相關的RB（Resource Block）被占用。

基站需滿足以上條件進行上行資源調度，這樣使用相同前導序列被檢測出的UE使用相同的空口資源發送MSG3，這些MSG3在不同的傳輸間隔到達基站。這樣，基站可以順利接收到來自多個具有同樣前導序列用戶發送的MSG3達到前導序列復用的目的。

4 仿真結果

本文采用蒙特卡洛方式對系統進行仿真，將5G系統現有方案與本文所提出的隨機接入容量增強方案進行對比。1 000個用戶均勻分布在衛星波束覆蓋范圍內，衛星波束覆蓋半徑為800 km[5]，衛星軌道高度為1 000 km。在理想的信道條件下，接入成功率和隨機接入請求數量關系見圖4。

圖4 接入成功率和隨機接入請求數量關系

圖4 中虛線為傳統隨機接入方案，實線為采用隨機接入容量增強方案。從圖中可以得到，傳統隨機接入方案在隨機接入成功率為99%時，每秒的隨機接入請求約為500個。本文所提出的隨機接入容量增強方案在接入成功率為99%時，每秒的隨機接入請求約為750個。本文所提出的隨機接入容量增強方案，在給定的隨機接入成功率相同的情況下，能夠支持更高數量的隨機接入請求，能夠提升隨機接入的容量。

5 結語

本文首先分析了衛星通信場景下，上行接入存在的問題，接著根據衛星通信場景下用戶差分時延較大的特點，提出了基于時延差檢測的隨機接入容量增強的方案，通過改進前導檢測方式和MSG3中上行資源分配的方式，實現了在一個隨機接入時機內的前導序列復用。最后，對實際場景進行仿真，并與采用傳統隨機接入流程的情況進行對比，證明采用基于時延差的隨機接入前導容量增強方案，能有效提高系統的隨機接入容量。