基于5G的低轨卫星移动通信系统随机接入技术

王 飞，宋春伟，贺毅鹏

（武警北京总队，北京 100027）

0 引 言

低轨卫星将卫星通信服务和互联网业务进行了有机融合，成为卫星通信产业一个新的发展方向。与静止轨道卫星相比，低轨道卫星具有数据传输速度快、数据通量高的优点，更加适用于数据通信领域。在通信网络系统中，5G和低轨卫星通信系统将充分发挥各自的优势，以满足用户的多种类业务需求。

1 5G与低轨卫星融合架构

将低轨卫星和5G通信网络进行融合，可以构建无缝覆盖的通信系统。该系统能够对全球范围内除了两极之外的绝大部分区域进行覆盖，实现空、天、地一体化通信。低轨卫星和5G融合的架构如图1所示。

图1 5G和低轨卫星融合架构

5G和低轨卫星融合系统主要包含内容如表1所示。

表1 5G和低轨卫星融合系统的内容

低轨卫星星座可以划分为星间链路星座和无星间链路星座。2种不同的链路星座构成了空间卫星网络。低轨卫星和5G网络架构融合时，低轨卫星通信系统采用空间卫星网络，并利用高低频多波束天线，实现对地面区域的蜂窝状覆盖[1,2]。

2 5G随机接入流程

在5G网络系统中，用户终端和基站建立的上行通信链路使用随机接入来实现。根据随机接入出发场景的不同，随机接入可分为竞争随机接入和非竞争随机接入[3]。竞争随机接入和非竞争随机接入最明显的差别在于分配前导序列占用的时频资源。本文以竞争随机接入为例来介绍5G随机接入的流程，如图2所示。

图2 竞争随机接入流程

3 随机接入前导序列

针对5G通信系统采用的随机接入前导，在第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）协议标准中有明确规定，其随机接入前导具体包含循环前缀（Cyclic Prefix，CP）、预设的外部命令序列（Sequence，SEQ）以及保护隔离（Grand Isolation，GT）3大部分内容。随机接入前导序列结构如图3所示。

图3 随机接入前导序列结构

该序列结构中，CP为确保系统所发送的子帧信号能够避免因信号传输距离存在差异而导致的干扰，保证信号的完整性[4]。因此，CP持续的时间应大于区域内信号传输的最大往返时延差和最大时延扩展之和，公式表示为。为防止相邻2个子帧之间产生干扰，要求GT所持续的时间应与∆TRTD相同。

ZC（Zadoff-Chu）序列具有较好的相关性和对长期演进（Long Term Evolution，LTE)系统的前向兼容功能，因而针对5G系统的随机接入前导序列信号选择使用ZC序列。

ZC序列的生成公式为

式中：LRA为ZC序列的长度，具体取值为839或者是139；n为样点数量；u∈[1,LRA−1]为物理根序列索引值，具体取值需要从TS 38.211协议表中获取。

在5G通信系统中，LRA的取值分为839和139这2种情况。依据ZC序列长度的不同，LRA使用的频率范围不尽相同[5]。LRA取值为839时，它主要应用于FR1（频率为450～6 000 MHz），子载波间隔为1.25 kHz或者5 kHz；LRA取值为139时，它主要应用于FR1（频率为450～6 000 MHz）和FR2（24 250～52 600 MHz），子载波间隔为15×2u kHz区间。此外，考虑低轨卫星通信系统的业务链路通信频率通常在1 616～1 626 MHz范围内的L波段，因而只针对LRA取值为839的情况进行分析。

4 低轨卫星通信随机接入实现

4.1 生成前导序列

在单波束场景下计算数据传输的往返时延差时，采用表2所列的铱星系统中卫星波束覆盖下的前导持续时间设计参数。设计的前导格式使用具有大载波间隔的磁共振波谱（Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS），在满足卫星场景波束覆盖要求的基础上，提高前导检测的稳定性和抗干扰能力。

表2 铱星系统中卫星波束随机接入前导持续时间

MRS的生成主要可以划分为2个步骤，分别为产生基序列和基序列经过变换后产生基带信号。基序列的产生流程如图4所示。

图4 基序列生成流程

LTE标准中规定，每个小区需具备64个可用的前导序列。它由64个基序列生成，统一编号为0～63。设计的MRS是由具有不同根序列号的ZC序列所生成，因此不同ZC根序列号都不相同[6]。基序列号生成逻辑为：0基序列号由Rach根序列（Root Sequence，RS）的ZC根序列负责生成；其他基序列号由其下一个逻辑索引的ZC根序列生成。该序列中的64个不同逻辑索引会生成64个不同的根序列号，逻辑索引共计838个，能够实现循环利用，编号区间为0～837。

4.2 前导序列检测

序列接收机首先依据MRS的具体信号格式接收长度为KNDFT+NCP的前导序列。该系统的时钟以5G基站时空为基准，信号的上行和下行传输速度均以1 ms为单位，即一个子帧的大小。在基站检测到用户自终端发出的前导序列时，基站会同时接收M个子帧。结合表2所列的设计参数，前导序列的长度为16 ms，故基站需同时接收16个子帧。在系统接收到结构完整的前导序列后，系统的接收端开始进行去CP操作。去CP操作完成后，系统自动将剩余的长前导序列划分为K个长度相等的子序列，并将子序列转换为长度为NDFT的离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT），同时对每个子序列进行资源解映射，将所有子序列改变为相对应频域序列的固定形式Yk(n)，其中0≤k≤k-1，0≤n≤Nzc-1，最后结合本地检测序列矩阵和接收待检测序列矩阵得出PDP。

固定门限提取峰值的原理，如图5所示。得出PDP后，准确提取前导序列的峰值，利用科学、合理的设置检测阈值精确得到TA估计值。采用FLDCC定时检测算法计算单一的前导序列峰值，利用其特性，采用固定门限的方法定位前导序列的峰值位置。为能够消除不同段数ZC序列进行级联带来的峰值间差异，先对PDP峰值进行归一化处理，再结合卫星信道的具体特征经过多次试验测试得出最优的门限值。经过对门限值的大量反复测试，在综合考虑漏检发生概率的前提下，最终选定门限值为0.35。根据PDP得出序列峰值的具体位置后，根据峰值位置和检测窗口的左边缘距离计算对应的时延值，并以此确定具体的TA值。

图5 固定门限提取峰值原理

5 结 论

现阶段的5G移动通信技术无法满足以卫星作为主体场景的通信要求。本文在分析现行5G随机接入前导信号格式的基础上，介绍低轨卫星通信系统和5G技术的随机接入关键技术。基于5G的低轨卫星移动通信系统随机接入技术是一个涉及众多学科的综合性技术，仍然处于起步研究阶段。为实现5G和低轨卫星通信系统之间的全方位融合，后续还需对其进行更加深入和系统的研究。