基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统设计

韩 芳，郭文明，2，陈晓飞

(1.新疆工程学院 信息工程学院，乌鲁木齐 830023; 2.北京邮电大学 计算机学院，北京 100876)

0 引言

卫星移动通信是近年来通信领域发展最快的技术，目前专业领域的研究人员不断完善低轨卫星移动通信技术的功能设置。在传统研究中，用于卫星通信系统的随机接入技术主要包括基于时间层面的时分多址(TDMA)，基于频率层面的频分多址(FDMA)，基于功率层面的码分多址(CDMA)以及基于空间层面的空分多址(SDMA)[1]。前导序列是有效信号发送之前的一串信号，前导序列的检测能够测试通信是否能够有效接收，因此前导序列检测系统的设计至关重要。相关研究人员为了提高技术的前导检测系统的校验有效度，设计了低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统。现有系统的前导序列设计根据子载波间隔和多段ZC序列重复的特征进行循环移位，得到检测窗口的峰值，但在数据传输时延时较大，影响检测效果；还有在前导序列上进行时隙扩展的研究，减少了随机接入的必要流程，实现快速检测的目的，但是由于步骤的减少同时也降低了束波覆盖要求，误检率不稳定，影响前导检测[2]。

因此，为了解决现有系统设计的不足，降低随机接入前导检测系统的误检率，缩短检测延时，本文突破传统的设计理念，重新设计检测系统硬件区域结构和软件区域结构，完善低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统。最后对检测系统检测延时和误检率性能的测试和测试数据分析，证明了基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统具有意义，达到文章的设计目的。

1 基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统硬件设计

基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统硬件主要由前导格式器、前导序列器、前导信号持续时间计算器和随机信号发送器组成，系统硬件结构如图1所示。

图1 基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统硬件结构

1.1 前导格式器设计

检测系统硬件区域的前导格式器在LTE系列的前导格式器基础上进行创新，自带随机入前导列格式，根据低轨卫星移动通信的实际情况进行自动格式的变更，使系统的检测结果更加准确[3]。主要由3部分组成，分别是循环前缀、前导ZC序列、保护间隔，器件的每个部分对于整个检测系统都具有特殊的意义[4-5]。前导格式器结构如图2所示。

图2 前导格式器结构

根据图2可知，前导格式器的3个组成零件不是同时工作，而是衔接工作，每个序列区域的持续工作时间根据检测系统面对的工作对象具体情况进行决定[6-7]。对于本文设计的基于MRLS的低轨卫星移动通信模式和应用场景的特点，最终设定器件的子载波间隔频率始终保持1.25 kHz，将前导格式器的ZC序列持续时间和保护间隔距离间隔设计为倒数的关系，循环前缀的工作持续时间设定为0.8倍的ZC序列的工作持续时间，共同组成一个新的前导格式器[8-9]。

1.2 前导序列器设计

在新的前导格式器基础上，将器件的运行核心更新为多根长序列MRLS，优化前导序列器的序列结构，更新的意义在于将系统的前导序列内的物理根序号附属的序列类型进行独立限制，使每个序列具有唯一性特点，这样就保证前导序列器在工作过程中接收到的根序列峰值是唯一的，提高了检测系统校验速度，实现提高系统工作效率的目的[10-12]。前端序列器结构如图3所示。

图3 前端序列器结构

具体的器件工作序列调用顺序的确定由下述公式和计算模型完成：

(1)

(2)

式中，μ表示ZC序列的物理根序号；Nzc表示每个ZC序列的长度；ZCk表示第K个短ZC根序列，μk表示所对应的根序列号。

1.3 前导信号持续时间计算器设计

低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统的工作原理是通过识别各个器件之间的信号。为了保证系统的工作效果，根据前导格式器的结构，本文设计了新型前导信号持续时间计算器，该器件是系统硬件区域的核心器件，主要的工作是调控前导器件之间的持续工作时间，从而使系统的检测精度得到保障[13]。前导信号持续时间计算器的计算准则是区域信号持续的时间大于等于区域内通信信号的往返时延差和信号扩展间隔的和，低轨卫星在信号通信过程中，卫星将信号通过基站转发，此时新型计算器就能够包容卫星通信的时延差、信号序列长度、通信消耗等其他变量的能耗和误差。前导信号持续时间计算器的计算精度也十分重要，差之微毫检测系统的误差率就会增大，精度衡量公式如下所示：

(3)

式中，Tmax表示持续时间的规定值；σ表示时间精度系数。

1.4 随机信号发送器设计

随机信号发送器的工作任务是在低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统工作过程中，在出现信号发生不完全的情况下及时的将信号进行补发，本文设计发送器可以减少DFT点数的运算点数、降低系统的检测复杂度并保证系统随机接入的载波间隔在规定范围内波动。随机信号发送器的工作精度可以达到0.01%FS，DC24 V/45 mV电压的输出模式，根据低轨卫星移动通信的特殊性，信号发送器的通信协议采用MODBUS RTC协议，保证信号的通信质量。随机信号发送器结构如图4所示。

图4 随机信号发送器结构

根据图4可知，此信号发生器采用RS232通信无线接口，既可以满足通信信号的校验，又可以保证识别信号的灵敏度，内置存储内存空间为128 G，64组常用数据存储语言，提高信号发送器的工作速度。随机信号发生器的脉冲极值为1 000 MHz，低电平控制为0 V，器件工作分辨率为0.1 MHz[14]。随机信号发生器的工作负载必须超过100 kΩ，保证电阻占空比为50%，因为卫星通信信号的持久性特点，次信号发生器采用双电源工作模式，电池的本质是锂电池供电，不会出现突然黑屏的情况，保证工作效率[15]。

2 基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统软件设计

基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统软件设计，需要根据低轨卫星移动通信波束对通信信息进行序列设定。随机接入流程如图5所示。

图5 随机接入流程

基于随机接入流程，选取一个计算机通信序列作为基准序列，信号序列沿着通信链路发送到对应的卫星接收器中，会受到多方面因素影响，包括通信过程的延时问题、子载波归一化偏频问题、信号通信链路的增益问题等。因此要综合通信过程中的各项因素对信号序列进行分析：

r(n)=ρx(n-τ)εn+w(n)

(4)

式中，r(n)为低轨卫星移动通信随机接收到的信号序列，ρ指该信号序列的子载波偏移频率参数，x(n)表示初始的基准信号序列，τ表示信号序列传输的延时参数，ε为信号传输过程中的信道增益参数，w(n)为均值为0状态下的序列数值。经过综合参数运算得到关于传输路径中的信号序列特性分析，一般情况下还要考虑高斯白噪声的处理问题。

基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统对信号通信的检测受信号子载波影响较大，因此在设计前导检测系统程序时要在前导序列检测算法中加入子载波偏移频率CFO的运算步骤。在对信号进行综合参数分析后，得到根序列ZC，根据MRLS算法，对根序列进行共轭相乘运算，即选取选定根序列相邻的序列依次进行差分检测和相关性检测，检测基本公式为：

(5)

式中，C(n)表示根序列运算得到的共轭序列。对根序列ZC和其相邻序列进行联列检测，前提是待检测的前导序列的序列信道延时和增益参数是相同的，才可以同时进行联级序列检测。由于这一运算过程是针对根序列及相邻序列进行运算的，得到的是某一段序列的共轭序列，因此要将所有运算序列样本分别进行共轭相乘，再将分段的共轭运算结果进行整合，同时加入子载波偏移频率参数进行运算：

(6)

根据上式可以看出，整合的前导序列Cp(n)是对分段的前导序列共轭相乘检测结果进行序列级联运算，再加入了子载波偏频参数ρ的处理，此时的偏频参数为该时刻的信号序列通信偏移频率ZR。经过分段序列差分检验和联合序列运算能够得到该时段低轨卫星随机通信前导序列为：

Tzn=CP(n)(ρ-ZR)kl

(7)

式中，kl为识别偏颇参数阈值，当此时刻基准信号序列cl低于该时刻的信号序列通信时，加入子载波偏移频率参数进行多方面数据归一化处理结果为：

(8)

式中，nt为子载波传输延时参数，增益参数与其相邻序列进行联列检测后，计算得到的子载波偏移情况和信噪比检测结果：

Wrt=(nt-kl)ρ

(9)

(10)

基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统软件设计实现流程图如图6所示。

图6 软件设计实现流程图

3 实验结果与分析

3.1 实验参数及指标设置

为了验证所设计的基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统软件的应用效果，进行实验研究，主要针对前导检测系统对发送信号有效性的检测误检率和延时时长两个方面进行重点研究。误检率是随机接入前导检测的一个检测水平衡量指标，与子载波偏频有直接关系，偏频数值越大，误检率就越高；检测延时时长主要是指信号序列通信过程中产生的延时情况，延时越短越能够及时的与信号通讯相匹配。设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数

基于上述实验参数的设定，对传统系统与本文系统进行系统检测的延时时长和系统误检率的对比分析。运用两种系统进行低轨卫星移动通信随机接入前导检测，得到检测误检率与通信延时实验结果。误检率及通信延时检测指标如下。

误检率：

(11)

通信延时检测：

(12)

3.2 实验步骤和方法

3.2.1 误检率对比

一般情况下，检测的误检率会随着归一化子载波偏频的增大而增大，而级联序列是将序列分成多个序列段分别进行运算，提高了对归一化子载波偏频的对抗能力，减小了偏频问题对前导检测的影响程度，因此提高了检测结果的精准度，降低了误检率。此外，级联序列的误检率能够随着信噪比的增加而减小，说明这种系统具有很强的抗噪能力，极大地降低了高斯白噪声对随机接入前导检测造成的影响，进一步保证了前导检测的准确性、真实性。

经过共轭运算的级联序列进行随机接入前导检测，运用两种系统对低轨卫星随机接入前导检测的发送信号的有效性进行分析，得到误检率的实验结果如图7所示。

图7 误检率实验结果

根据图7的结果表明，两种检测系统的误检率都随着信噪比的增加而减少，但是本文系统减少的幅度更大；传统系统最低误检率为10-3%，本文系统的最低误检率为10-4%，本文系统的误检率与另一系统的检测结果相比较低，说明本文系统在对发送信号进行检测时，具有较强的抗噪能力，误检率小，准确率高，检测结果更加准确，不易受到卫星运行和通信信道的环境的影响，避免了通信过程中受环境因素的干扰，提高了通信过程对发送信号检测的精准度。

3.2.2 通信延时检测对比

选取通信延时参数500 μs/800 μs作为通信延时检测对比的对应值，在信号序列通信过程中产生的延时情况关系着随机接入前导检测系统的发送信号能否及时匹配，延时过长会影响系统信号匹配的效果，降低对发送信号是否有效的准确性。

运用两种系统对低轨卫星随机接入前导检测的通信延时时长进行分析，得到的实验结果如图8所示。

根据图8的结果表明，现有检测系统延时时间一般在0.004 m上下波动，而本文研究的检测系统在检测时的延时时间始终不超过0.002 m，与现有检测系统相比，检测延时的时间较低，加快了信号通讯匹配时间，提高了对发送信号是否有效的判断时间。

图8 延时检测对比实验结果

综上所述，本文研究的基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统和软件应用的算法相较于传统检测系统具有准确率高、延时时间短的性能，在对低轨卫星的移动通信随机接入前导检测中实用性好，可以提高对发送信号的检测效果，起到积极地作用。

4 结束语

本文主要针对低轨卫星的移动通信随机接入前导检测问题，根据低轨卫星的通信系统和信号载波传输范围等特征，提出基于MRLS的低轨卫星移动通信随机接入前导检测系统。具体设计了前导检测系统的硬件设施，然后根据前导序列算法，融入了对信号序列子载波的归一化处理，设计了一种分段式的MRLS级联前导序列检测算法，通过对根序列进行共轭相乘运算和差分相关检验，更加具体地对每段信号序列进行检测，较大程度上降低了子载波偏频和信噪比对检测结果的影响。并通过实验研究验证了检测系统具有良好的实际应用效果，检测系统有很强的抗噪能力，减少了检测的延时时长，降低了误检率，提高了检测的真实性准确性。研究的检测系统能够为低轨卫星移动通信检测领域的相关研究提供一定的技术参考，从而推动我国卫星通信检测技术的发展进步。