基于5G的低軌衛星移動通信系統隨機接入技術

王 飛，宋春偉，賀毅鵬

（武警北京總隊，北京 100027）

0 引 言

低軌衛星將衛星通信服務和互聯網業務進行了有機融合，成為衛星通信產業一個新的發展方向。與靜止軌道衛星相比，低軌道衛星具有數據傳輸速度快、數據通量高的優點，更加適用于數據通信領域。在通信網絡系統中，5G和低軌衛星通信系統將充分發揮各自的優勢，以滿足用戶的多種類業務需求。

1 5G與低軌衛星融合架構

將低軌衛星和5G通信網絡進行融合，可以構建無縫覆蓋的通信系統。該系統能夠對全球范圍內除了兩極之外的絕大部分區域進行覆蓋，實現空、天、地一體化通信。低軌衛星和5G融合的架構如圖1所示。

圖1 5G和低軌衛星融合架構

5G和低軌衛星融合系統主要包含內容如表1所示。

表1 5G和低軌衛星融合系統的內容

低軌衛星星座可以劃分為星間鏈路星座和無星間鏈路星座。2種不同的鏈路星座構成了空間衛星網絡。低軌衛星和5G網絡架構融合時，低軌衛星通信系統采用空間衛星網絡，并利用高低頻多波束天線，實現對地面區域的蜂窩狀覆蓋[1,2]。

2 5G隨機接入流程

在5G網絡系統中，用戶終端和基站建立的上行通信鏈路使用隨機接入來實現。根據隨機接入出發場景的不同，隨機接入可分為競爭隨機接入和非競爭隨機接入[3]。競爭隨機接入和非競爭隨機接入最明顯的差別在于分配前導序列占用的時頻資源。本文以競爭隨機接入為例來介紹5G隨機接入的流程，如圖2所示。

圖2 競爭隨機接入流程

3 隨機接入前導序列

針對5G通信系統采用的隨機接入前導，在第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）協議標準中有明確規定，其隨機接入前導具體包含循環前綴（Cyclic Prefix，CP）、預設的外部命令序列（Sequence，SEQ）以及保護隔離（Grand Isolation，GT）3大部分內容。隨機接入前導序列結構如圖3所示。

圖3 隨機接入前導序列結構

該序列結構中，CP為確保系統所發送的子幀信號能夠避免因信號傳輸距離存在差異而導致的干擾，保證信號的完整性[4]。因此，CP持續的時間應大于區域內信號傳輸的最大往返時延差和最大時延擴展之和，公式表示為。為防止相鄰2個子幀之間產生干擾，要求GT所持續的時間應與?TRTD相同。

ZC（Zadoff-Chu）序列具有較好的相關性和對長期演進（Long Term Evolution，LTE)系統的前向兼容功能，因而針對5G系統的隨機接入前導序列信號選擇使用ZC序列。

ZC序列的生成公式為

式中：LRA為ZC序列的長度，具體取值為839或者是139；n為樣點數量；u∈[1,LRA?1]為物理根序列索引值，具體取值需要從TS 38.211協議表中獲取。

在5G通信系統中，LRA的取值分為839和139這2種情況。依據ZC序列長度的不同，LRA使用的頻率范圍不盡相同[5]。LRA取值為839時，它主要應用于FR1（頻率為450～6 000 MHz），子載波間隔為1.25 kHz或者5 kHz；LRA取值為139時，它主要應用于FR1（頻率為450～6 000 MHz）和FR2（24 250～52 600 MHz），子載波間隔為15×2u kHz區間。此外，考慮低軌衛星通信系統的業務鏈路通信頻率通常在1 616～1 626 MHz范圍內的L波段，因而只針對LRA取值為839的情況進行分析。

4 低軌衛星通信隨機接入實現

4.1 生成前導序列

在單波束場景下計算數據傳輸的往返時延差時，采用表2所列的銥星系統中衛星波束覆蓋下的前導持續時間設計參數。設計的前導格式使用具有大載波間隔的磁共振波譜（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS），在滿足衛星場景波束覆蓋要求的基礎上，提高前導檢測的穩定性和抗干擾能力。

表2 銥星系統中衛星波束隨機接入前導持續時間

MRS的生成主要可以劃分為2個步驟，分別為產生基序列和基序列經過變換后產生基帶信號。基序列的產生流程如圖4所示。

圖4 基序列生成流程

LTE標準中規定，每個小區需具備64個可用的前導序列。它由64個基序列生成，統一編號為0～63。設計的MRS是由具有不同根序列號的ZC序列所生成，因此不同ZC根序列號都不相同[6]?；蛄刑柹蛇壿嫗椋?基序列號由Rach根序列（Root Sequence，RS）的ZC根序列負責生成；其他基序列號由其下一個邏輯索引的ZC根序列生成。該序列中的64個不同邏輯索引會生成64個不同的根序列號，邏輯索引共計838個，能夠實現循環利用，編號區間為0～837。

4.2 前導序列檢測

序列接收機首先依據MRS的具體信號格式接收長度為KNDFT+NCP的前導序列。該系統的時鐘以5G基站時空為基準，信號的上行和下行傳輸速度均以1 ms為單位，即一個子幀的大小。在基站檢測到用戶自終端發出的前導序列時，基站會同時接收M個子幀。結合表2所列的設計參數，前導序列的長度為16 ms，故基站需同時接收16個子幀。在系統接收到結構完整的前導序列后，系統的接收端開始進行去CP操作。去CP操作完成后，系統自動將剩余的長前導序列劃分為K個長度相等的子序列，并將子序列轉換為長度為NDFT的離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT），同時對每個子序列進行資源解映射，將所有子序列改變為相對應頻域序列的固定形式Yk(n)，其中0≤k≤k-1，0≤n≤Nzc-1，最后結合本地檢測序列矩陣和接收待檢測序列矩陣得出PDP。

固定門限提取峰值的原理，如圖5所示。得出PDP后，準確提取前導序列的峰值，利用科學、合理的設置檢測閾值精確得到TA估計值。采用FLDCC定時檢測算法計算單一的前導序列峰值，利用其特性，采用固定門限的方法定位前導序列的峰值位置。為能夠消除不同段數ZC序列進行級聯帶來的峰值間差異，先對PDP峰值進行歸一化處理，再結合衛星信道的具體特征經過多次試驗測試得出最優的門限值。經過對門限值的大量反復測試，在綜合考慮漏檢發生概率的前提下，最終選定門限值為0.35。根據PDP得出序列峰值的具體位置后，根據峰值位置和檢測窗口的左邊緣距離計算對應的時延值，并以此確定具體的TA值。

圖5 固定門限提取峰值原理

5 結 論

現階段的5G移動通信技術無法滿足以衛星作為主體場景的通信要求。本文在分析現行5G隨機接入前導信號格式的基礎上，介紹低軌衛星通信系統和5G技術的隨機接入關鍵技術。基于5G的低軌衛星移動通信系統隨機接入技術是一個涉及眾多學科的綜合性技術，仍然處于起步研究階段。為實現5G和低軌衛星通信系統之間的全方位融合，后續還需對其進行更加深入和系統的研究。