张志丽，王力权，王艳君，解立坤，王 茹

(中国电子科技集团公司第五十四研究所， 河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星通信网络作为国家信息网络的重要基础设施，以覆盖范围广、机动灵活、不受地理及气候因素限制等特点，在维护国家安全、保障国计民生以及促进经济发展等方面有着重大的战略意义，是全球范围内的研究热点和各国经济科技竞争的制高点[1-2]。近年来，物联网技术的快速发展，应用场景涵盖了社会生活的方方面面，而卫星通信系统凭借着其覆盖范围广、系统抗毁性强等优势，可以为放置在偏远地区的物联网终端提供接入服务，可在全球范围内实现真正意义上的“万物互联”。2020年，我国物联网设备连接数将超过10亿，有望成为世界上最大的物联网市场。卫星物联网在科技发展中占据着重要的战略地位，我国作为物联网大国，也在大力进行卫星物联网的发展和建设。

卫星物联网系统的出现给物联网应用带来新的机遇，同时也对其通信技术提出了新的挑战。其中，随机接入技术作为地面用户终端与卫星进行交互的第一步，影响着整个通信系统能否正常工作，是卫星物联网系统研究的重点问题之一。目前已有文献对随机接入方案进行了设计，有的研究了地面物联网或WCDMA系统中的随机接入方案[3-4]，有的针对低轨LTE卫星系统对随机接入前导序列进行设计[5]，还有高速场景中的前导序列设计与检测方案[6-7]。然而，现有的随机接入前导序列设计场景并不适用于基于GEO的物联网系统。GEO卫星物联网广覆盖的特征导致系统的通信时延较大，这一特点使得终端在发起随机接入请求时前导(Preamble)序列到达信关站的时间较长，因此需要考虑卫星物联网特有的特点设计随机接入信道。

本文以卫星物联网系统中随机接入关键技术为主要研究内容，基于该系统波束内传输时延较大和波束覆盖范围广的特点，设计适用于卫星物联网系统的随机接入前导序列设计方案，在接收端采用基于二维FFT的到达时间估计(Time-of-Arrival,ToA)算法[8]，检测前导序列，并对所设计参数的TOA估计误差进行仿真评估与研究。仿真结果表明，该设计方案适用于卫星物联网系统，可基本满足大时延下正常的随机接入过程。

1 卫星物联网随机接入信道

1.1 随机接入信道设计原理

卫星物联网的随机接入信道结构需要根据该系统往返时延较大、波束覆盖范围广、终端连接数量大以及系统功耗较低等特有的特点进行设计。为了满足上述要求，卫星物联网采用单载波PRACH方案，即一个符号组在频域上仅占用1个子载波，终端可以将全部功率集中在这个子载波上，从而提供更高的功率谱密度，适合在卫星场景下实现终端接入需求。由于单子载波PRACH的频率带宽非常小，仅为一个子载波间隔，频率上容易受到频率选择性衰落的影响，造成前导检测性能下降。因此，前导发送时需要支持频率跳频，获得理想的频率分集增益，进而抑制频率选择性衰落的影响[9]。

为了提高在信噪比较低时的随机接入性能，跳频在同一子载波上传输若干个符号(即以符号组作为前导序列的基本单位)，相干组合积累信号能量。跳频步长影响时间估计精度，因此设置两种跳频步长：第一种实现粗估计；第二种在确定的时延范围内实现更高精度的定时估计[10]。成对的向上跳频和向下跳频结构可以减轻多普勒频移带来的载波频率偏移(CFO)影响。

前导序列基本单位为4个符号组，且4个符号组通过跳频发送的结构可以获得频率分集增益[11]。该结构的前导序列在每个符号组内发送的信号都相同，因此可以保证频域上配置多条随机接入信道时，随机接入信道之间的正交性，即无需在PRACH信道之间配置保护带宽[12]。

1.2 随机接入信道结构

根据上述设计原理，卫星物联网系统随机接入信道(PRACH)结构如图1所示。

图1 卫星物联网系统随机接入信道结构Fig.1 Channel structure of random access for satellite internet of things system

卫星物联网系统前导序列的基本单位为4个符号组(Symbol Groups)，一个符号组包含一个循环前缀(CP)以及若干个符号，前导序列的所有符号组发送的信号都相同，且该信号为“1”。每个符号组发送时占用的子载波相同，且符号组之间配置2个等级的跳频间隔，1st/2nd符号组之间和3rd/4th符号组之间配置第一等级的跳频间隔，即内层跳频步长；2nd/3rd符号组之间配置第二等级的跳频间隔，即外层跳频步长。所有符号组占用的子载波被限制在一个带宽内。前导序列在系统带宽内重复传输，不同的重复次数支持不同的覆盖级别[11]，每次重复时，会根据跳频规则[13]映射到不同的子载波上。

2 卫星物联网随机接入前导序列设计

2.1 传输时延特性分析

卫星通过波束成形的方式在某一范围内形成若干大小相同的点波束，组成多波束系统。每一个波束的覆盖范围构成一个与蜂窝系统小区功能类似的波束小区，并独立于其他小区与卫星进行通信[14]。对于GEO卫星移动通信系统，波束覆盖半径大约为150～300 km。如图2所示，一个卫星波束覆盖范围内，距离卫星最远的用户与卫星通信时传输路径最长，传输时延最大；距离卫星最近的用户与卫星通信时传输路径最短，传输时延最小。最大传输时延差ΔTmax定义为波束内最大传输时延与最小传输时延的差值。根据文献[15]中的计算模型，在波束范围为200 km情况下，最大往返时延差为ΔTRTD=2ΔTmax=1.923 2 ms。

图2 波束内传输时延差示意图Fig.2 Intra-beam transmission delay difference

2.2 系统参数设计

卫星物联网系统随机接入采用跳频模式发送符号组，2个相邻符号组之间的相位差可以进行到达时间估计(ToA)，符号组跳频步长影响ToA估计精度[16]，精确的ToA对设备定位和上行信号解码非常重要。因此，跳频步长的设计需要考虑系统要求的到达时间估计精度，而跳频步长应满足为子载波间隔的整数倍，即设计PRACH子载波间隔时应考虑到系统的ToA估计精度要求。

该系统中，ToA估计是通过相邻符号组上符号的差分运算实现的，运算结果可以表示为：

s=|H|2ej2πΔfhopτRTT，

(1)

式中，Δfhop为内层跳频步长，H为假设在2个相应子载波上相同的信道频率响应，τRTT是对于给定UE的环路延时(Round-Trip Time，RTT)。

ToA估计由RTT得到，RTT可以估计为：

(2)

因此，τRTT∈{0,1/Δfhop}所支持的小区尺寸越大，τRTT范围越大，Δfhop越小，即波束覆盖范围会影响内层跳频步长。

根据上述设计原理，Δfhop=1/τRTTmax，对于GEO卫星移动通信系统，在波束覆盖范围为200 km情况下，最大传输时延差为TRTD=1.923 2 ms，即τRTTmax=TRTD=1.923 2 ms，因此

Δfhop=1/τRTTmax=1/1.923 2 ms=520 kHz ,

(3)

即对于卫星物联网系统，1st/2nd符号组之间内层跳频步长的上限为520 kHz。考虑到卫星物联网PUSCH子载波间隔Δf=3.75 kHz，为使PRACH子载波和周围上行数据传输子载波间的正交损失最小， PUSCH的子载波间隔Δf应为PRACH子载波间隔ΔfRA的整数倍，即

(4)

式中，TSYM为上行数据传输子载波符号持续时间。因此，前导序列持续时间必须是上行数据传输子载波持续时间的整数倍，即

(5)

由于跳频的最小单位为一个子载波，因此PRACH子载波间隔ΔfRA应为内层跳频步长Δfhop的整数倍，令内层跳频步长为：

(6)

为了满足内层跳频步长达到468.75 Hz，令PRACH子载波间隔为：

(7)

根据上述分析过程，可以得到卫星物联网随机接入系统参数如表1所示。

表1 卫星物联网系统随机接入参数Tab.1 Parameters of random access for satellite internet of things system

2.3 序列持续时间设计

假设终端间的最大往返时延差为TRTD，波束内最大时延扩展为τds，序列持续时间应满足TSEQ>TRTD+τds，即TSEQ>TCP。由于信关站要测定用户到卫星的距离，若TSEQ

在卫星移动通信系统中，CP的作用和地面中CP的作用相同，因此卫星上CP的持续时间须达到最大往返差和最大时延扩展之和，即TCP=TRTD+τds，这就确保了在观察间隔内能够接收到卫星移动终端发送的完整序列。

同地面中的GT作用相同，GT持续时间等于最大往返时延，即TGT=TRTD，这是为了保证随机接入帧的数据不会拖尾至下一子帧，否则会引起符号间干扰，而无法保证随机接入和下一子帧的数据正确接收。

对于GEO卫星移动通信系统，在波束覆盖范围为200 km情况下，最大传输时延差为TRTD=1.923 2 ms。根据上述原理，可以得到以下约束条件：

TCP>1.923 2 ms，

(8)

TGT>1.923 2 ms，

(9)

TSEQ>TCP。

(10)

根据2.2节的系统参数，采样间隔τ=4.17 μs，因此，令

TCP=NCP×τ=462×4.17 μs=1.925 ms，

(11)

TGT>TCP=1.925 ms。

(12)

根据1.2节中随机接入信道结构，卫星物联网系统前导序列的基本单位为4个符号组，一个符号组包含一个CP以及若干个符号。一个符号组由多个符号组成的结构通过相干组合提高接收到的信噪比，可以提高低信噪比下的接入性能。根据表1，当前配置下，一个符号持续时长TOFDM=2.133 ms，一个符号组包含的符号数需要根据不同的系统要求仿真确定。

3 仿真分析

根据第2节的分析，对于GEO卫星移动通信系统，在波束覆盖半径为200 km时，卫星物联网随机接入系统参数如表1所示。符号组包含符号个数，外层跳频步长及前导序列重复传输次数需要根据实际系统要求仿真确定。当前系统参数配置下，采样间隔τ=4.17 μs，即一个采样点的持续时长为4.17 μs，因此目标定时误差应小于τ，即TOA估计误差应在一定概率内小于一个采样点持续时长。

本节通过分析外层跳频步长、符号组包含符号个数以及重复传输次数对TOA估计误差的影响，确定上述参数取值，提出了适用于GEO卫星通信系统，波束覆盖半径200 km的卫星物联网随机接入前导序列设计方案，并在接收端采用基于二维FFT的到达时间估计(TOA)算法[8]，对前导序列进行检测。

3.1 仿真分析过程

3.1.1 PRACH外层跳频步长影响

首先对PRACH外层跳频步长对定时误差的影响进行分析。当前参数配置下，PRACH带宽为180 kHz，带宽内有效子载波个数为384，由于跳频限制在PRACH带宽内，因此PRACH带宽改变，外层跳频步长相应变化，使跳频范围达到PRACH带宽大小。外层跳频步长为PRACH带宽的1/2，另外，PRACH带宽应可以被子载波总数384整除，因此PRACH带宽取值范围为{12，16，24，32，48，64，96，128，192，384}×ΔfRA，外层跳频步长对应为{6，8，12，16，24，32，48，64，96，192}×ΔfRA。根据2.2节的分析过程，一个符号持续时间TOFDM=2.133 ms，CP长度TCP=2.133 ms，GT长度TGT>2.133 ms，符号组长度设计应满足TOA估计误差在一定概率内小于4.17 μs。具体仿真参数设置如表2所示，仿真结果如图3所示。

表2 仿真参数配置Tab.2 Configuration of simulation parameters

图3 外层跳频步长对定时估计精度的影响Fig.3 Effect of outer frequency hopping step size on timing estimation accuracy

从图3可以看出，在2.187 5～90 kHz范围内，随着外层跳频步长的增加，当概率达到100%时，对应的TOA估计误差有所减小，即定时估计精度提高。因此，对于对定时估计精度要求较高的系统，应选择较大的外层跳频步长，即对应较大的PRACH带宽。对于本系统，目标定时误差要求为 4.17 μs，因此外层跳频步长选择45 kHz。

3.1.2 符号组包含符号数影响

根据3.1.1节的仿真结果，在重复传输次数与符号组包含符号数保持不变时，随着外层跳频步长的增大，TOA估计误差可以控制在更小的范围内。本节在此基础上对符号组包含符号个数的影响进行仿真分析，具体仿真参数设置如表3所示，仿真结果如图4所示。

表3 仿真参数配置Tab.3 Configuration of simulation parameters

图4 符号组包含符号数对定时估计精度的影响Tab.4 Effect of the number of symbols in symbol group on timing estimation accuracy

从图4可以看出，在外层跳频步长为45 kHz时，随着符号组包含符号个数的增加，在相同TOA估计误差范围内的概率越大；另一方面，符号组长度越长，意味着占用更多的时域资源，相比于一个符号组包含20个符号，一个符号组包含30个符号对定时估计精度的提升较小，综合考虑系统性能，选择一个符号组包含符号数为20。

3.1.3 重复传输次数影响

根据上述仿真结果，在不考虑重复传输时，当跳频范围达到468.75×96=45 kHz，一个前导码包含20个符号时，TOA估计误差范围在5.556 μs以内的概率大于95%，在4.17 μs以内的概率大于86%。接下来考虑不同信噪比下重复传输次数对TOA估计误差的影响，重复传输次数支持8种配置，取值范围为{1,2,4,8,16,32,64,128}[11]。具体仿真参数设置如表4所示。

表4 仿真参数配置Tab.4 Configuration of simulation parameters

不同信噪比下，不同重复传输次数对TOA估计精度的影响如图5和图6所示。

图5 重复传输次数对定时估计精度的影响 (SNR=5 dB)Fig.5 Effect of the repeated transmission times on timing estimation accuracy when SNR is 5 dB

图6 重复传输次数对定时估计精度的影响(SNR=-5 dB)Fig.6 Effect of the repeated transmission times on timing estimation accuracy when SNR is -5dB

表5为不同信噪比下设定不同重复传输次数时，TOA估计误差在4.17 μs和5.56 μs以内的概率。根据上述仿真结果，在信噪比较低的情况下，重复传输次数的增加可以有效提高TOA估计精度，对于本文设计参数，SNR=5 dB时，重复传输8次可达到系统精度要求；SNR=-5 dB时，重复传输 32次可达到系统精度要求。

表5 不同重复传输次数下定时误差概率Tab.5 Probabilities of timing estimation on different repeated transmission times

3.2 仿真结果

通过3.1节对系统性能的仿真，可以得到如表6所示的PRACH参数配置，在该配置下可以基本满足大往返时延差下正常的随机接入过程。

表6 PRACH参数配置Tab.6 Configuration of PRACH parameters

其中，一个符号组长度为：

CP长度+符号长度×符号组包含符号数=2.133 ms+2.133 ms×20 = 44.793 ms

一个前导码长度为：

符号组长度×前导码包含符号组数+GT长度=44.793×4 + 10.828 ms = 190 ms。

在该参数配置下，TOA估计误差的累积分布CDF如图7所示，仿真结果表明，SNR=5 dB时，TOA估计误差在4.17 μs以内的概率为87.3%，在5.56 μs以内的概率为99.61%，具有较高的置信水平。

图7 仿真结果Fig.7 Simulation results

4 结束语

随机接入是实现卫星物联网系统卫星侧与地面侧通信的第一步，分析GEO卫星通信场景下的随机接入问题对卫星物联网研究具有重要意义。本文针对GEO卫星通信波束内传输时延大和波束覆盖范围大等特点，结合仿真分析，得出了适应GEO卫星的卫星物联网随机接入前导信号格式设计方案。仿真结果表明，该设计方案适用于卫星物联网系统，可基本满足大往返时延差下正常的随机接入过程，为进一步研究卫星物联网系统打下了基础。