孙仲义

（东南大学 江苏 南京 210096）

1 引言

3GPP在R-16中讨论了5G系统与非地面网络相融合的技术方案，卫星通信作为一种覆盖范围广、通信容量大的通信方式[1]，可以弥补5G系统在偏远地区覆盖困难的问题，但同时也面临着诸多挑战。在卫星为广域用户提供服务的同时，用户间较大时延差会对随机接入的容量产生影响，难以为覆盖范围内的用户提供足够的随机接入机会，难以满足系统通信的需要。因此，提高系统随机接入容量成为了卫星通信系统中亟待解决的问题。

2 问题分析

在卫星通信系统中，波束的覆盖范围与地面通信系统相比较大，这将使得小区内的用户最大差分时延变大。由于两个随机接入时机之间的时间间隔，需要大于小区中最大差分时延的两倍，这就导致相对于地面系统，卫星系统在单位时间内可用的随机接入时机数量小于地面通信系统。上述问题将导致系统的随机接入容量降低。在采用现有随机接入步骤的情况下，系统的单位时间内支持的接入数量M可以由式（1）得：

根据式（2），系统可支持的单位时间内的接入数量越大，系统支持的UE密度越大，对于式（1）在系统参数不变的情况下，F、 Pconfigured和ρ都将固定。要使得卫星系统的单位时间内支持的接入数量增大，可以考虑改变随机接入流程，使得前导序列在同一个PRACH机会中可以复用，这样在系统可配置前导的数量一定的情况下，达到增加接入数量的目的。

3 基于时延差的随机接入前导容量增强方案

基于时延差的随机接入前导容量增强方案，通过改变随机前导检测和上行资源分配的方式，使得有着不同时延差的用户在同一随机接入机会中，可以使用同一个前导序列完成接入，达到增加系统随机接入容量的目的。

3.1 总体方案设计

随机接入过程见图1。

图1 随机接入流程图

随机接入流程分为4步、用户向基站发送MSG1；基站进行前导序列检测；发现用户随机接入请求后，为用户进一步发送MSG3分配上行资源，并将分配资源通过MSG2发送给用户；用户根据分配到的上行信道资源发送MSG3，基站接收到MSG3后向用户发送MSG4，随机接入完成。

在目前随机接入过程的基础上，本方案通过对卫星（基站）侧随机前导检测过程进行修改，以使得卫星能在同一个PRACH时机中，检测到使用同一个前导序列但传播时延差较大的多个用户。随后，卫星根据用户通信时延的差别，分别为用户进行MSG3的上行资源的分配，最终使得多个通信时延较大的用户，可以在用一个PRACH时机中使用一样的前导序列完成随机接入过程，达到前导序列复用的目的，从而增加系统随机接入容量。

3.2 随机接入前导检测

通过将前导序列检测中搜索窗内检测出的每一个峰值以传输时延进行区分，能够使卫星在一个搜索窗的范围中找到其中每一个传输时延差大于1TTI的用户，为后续随机接入步骤的定时提前调整和上行资源分配提供支持。改进后的随机前导检测流程见图2。

图2 改进后的随机前导检测流程图

上述流程中搜索窗在功率时延谱的关系见图3。

图3 搜索窗与功率时延谱关系示意图

不考虑噪声和频偏、多径干扰的情况下，功率时延谱中每一个峰值代表一个发起随机接入的UE。在该方案的随机接入前导检测过程中，首先基站记录每一个搜索窗中的各峰值，搜索窗位置由前导序列根序列决定[3]。

接着，基站对每个搜索窗中的峰值进行检测，若要使前导序列能够在一个接入时机中复用，在同一个搜索窗中的UE之间的传播时延差的两倍应大于1个TTI，以保证UE发送的MSG3返回基站时不发生冲突，所以网络设备应判断每一个峰值两侧正负TTI范围内是否存在更高的峰值。若存在，则认为该峰值不符合条件，不记录为结果；若不存在，则记录该峰值对应发起接入的UEj，并计算UEj传输时延为Tj[4]。

最后，基站根据记录发起接入的UE和它们的传输时延进行上行信道资源分配。

3.3 上行信道资源分配

依照上述随机接入前导检测方法，可以检测出多个具有相同前导序列的用户。对于任意两个具有相同前导序列的用户，若他们的传输时延差超过1个TTI，在采用相同TA（Time Advance）发送MSG3时，基站会在不同的TTI接收到这两个用户的MSG3。因此，基站在合理分配上行传输资源的情况下，可以保证两个用户根据同样的MSG2（包含TA和上行资源指示）发送MSG3，在不同的TTI到达基站从而不会发生碰撞，基站能够接收这两条MSG3。

为了在对应的时域上接收到这些消息，基站应当分别为这些UE分配用于MSG3传输的空闲的上行信道资源。设当前随机接入时机中使用某种同样前导序列的用户有j个，将这些用户按照传输时延从小到大排列，将与邻近用户传输时延差小于1个TTI的用户删除，得到用户序列为：UE1，UE2，UE3，…UEk。基站为UE1分配的传输时隙为Tsend，并设定TA值和在Tsend时隙占用的RB，则使用该前导序列的用户分配到的传输时隙为Tsend，Tsend-T1+T2，Tsend- T1+T3，Tsend- T1+T4，…Tsend- T1+Tk。基站应该避免上述传输时隙中相关的RB（Resource Block）被占用。

基站需满足以上条件进行上行资源调度，这样使用相同前导序列被检测出的UE使用相同的空口资源发送MSG3，这些MSG3在不同的传输间隔到达基站。这样，基站可以顺利接收到来自多个具有同样前导序列用户发送的MSG3达到前导序列复用的目的。

4 仿真结果

本文采用蒙特卡洛方式对系统进行仿真，将5G系统现有方案与本文所提出的随机接入容量增强方案进行对比。1 000个用户均匀分布在卫星波束覆盖范围内，卫星波束覆盖半径为800 km[5]，卫星轨道高度为1 000 km。在理想的信道条件下，接入成功率和随机接入请求数量关系见图4。

图4 接入成功率和随机接入请求数量关系

图4 中虚线为传统随机接入方案，实线为采用随机接入容量增强方案。从图中可以得到，传统随机接入方案在随机接入成功率为99%时，每秒的随机接入请求约为500个。本文所提出的随机接入容量增强方案在接入成功率为99%时，每秒的随机接入请求约为750个。本文所提出的随机接入容量增强方案，在给定的随机接入成功率相同的情况下，能够支持更高数量的随机接入请求，能够提升随机接入的容量。

5 结语

本文首先分析了卫星通信场景下，上行接入存在的问题，接着根据卫星通信场景下用户差分时延较大的特点，提出了基于时延差检测的随机接入容量增强的方案，通过改进前导检测方式和MSG3中上行资源分配的方式，实现了在一个随机接入时机内的前导序列复用。最后，对实际场景进行仿真，并与采用传统随机接入流程的情况进行对比，证明采用基于时延差的随机接入前导容量增强方案，能有效提高系统的随机接入容量。