【摘要】    针对超大范围的覆盖场景下，不同终端达到基站的时间差较大等特点，分析了影响跳频体制下的随机接入问题，通过对上行接入和同步、收发保护进行专用设计实现远端用户和近端用户的高效随机接入。

【关键词】    广域覆盖   跳频    随机接入    远端用户

引言：

对于高空通信系统，由于空中传播的时延较大，且载波之间存在同步偏差，导致不同距离的终端同时接入和上行同步困难，终端侧时隙收发冲突风险增加，影响系统正常工作。因此，随机接入技术作为终端和基站交互的第一步，是该系统研究的首要问题。

在基站大区域覆盖范围内，终端随机接入信号到达基站有快有慢，以基站升空20km、覆盖半径350km、跳速1000为例，最大延时1.17ms超过一个突发跳时间，最远距离的终端接入时双向延时达到2.35ms。由于是跳频通信，在2.35ms的延时下终端信号传送到基站时，基站侧已经切换为下两个频点了，将导致终端发送的接入信令基站侧始终无法接收到。因此，需要开辟多跳的接收窗口实现上行初始接入。上行初始接入完成后，上行信号必须在规定的时隙范围内到达接收方，否则存在信号之间的互扰。跳频通信还要求信号在规定的频点上到达，否则会导致数据遗漏，不同距离的终端信号到达基站时延变化大，如果终端仅根据自身的TDMA时刻按时发射信号，那么由于传播时延的原因，该信号将无法按时到达基站，当距离超过0.5个跳频周期所对应的电波路程时，由于到达时基站的频点已切换，信号将全部遗失。为解决大区域覆盖范围下的不同距离终端接入问题，同时避免终端侧时隙冲突，因此需要对上行接入和同步、收发保护进行专用设计。

一、上行接入和同步设计

广域范围内不同终端上行信号到达基站时间随机，上行信号需要根据距离的远近进行相应的提前发射处理，以确保按时到达基站。为了计算提前发送时间量，必须对终端与基站之间的距离进行测算。在随后的通信中，基站還需要根据业务信号的时延情况对提前量进行微调，并设置合适的后保护长度以容纳测距偏差及机动平台距离的变化。

1.1测距过程

基站t1时刻通过广播信道发送测距信息，终端收到后，在随机接入信道发送相同测距信息，基站收到时刻为t2，时隙长度为L，则发送提前量∆t=（t2-t1-NL）/2，其中N为经过的时隙。基站完成测距后，将测距结果反馈给终端，终端根据提前量调整发送时间。

步骤1，未入网的终端首先搜索TOD同步信号，实现TDMA时隙同步。该时隙与基站存在一个时延差D，其值取决于两者之间的距离，是未知量，如图1所示。

步骤2，在各自的测距时隙起点，终端以频点Fn发出包含测距信息的PRACH信号，基站以频点Fn搜索、等待该信号。在基站侧看来，PRACH经过2D往返时延后开始到达，再经过时长L以后结束，因此基站搜索窗口的长度S应该符合以下条件：

s≥2x+L

其中，Dmax是最大传输距离所对应的时延，L为PRACH信号长度。以跳速1000，TDMA时隙8ms为例，PRACH突发信号长度设计为1ms，若S取0.5个TDMA时隙4ms，则Dmax最大为1.5ms，可支撑最大传输距离为449km。考虑跳频抗干扰能力，可将基站侧随机接入时隙前4跳使用该时隙第0跳频点，后4跳使用该时隙第4跳频点，即基站侧随机接入时隙前4ms和后4ms使用分别使用相同的频点能保证终端设备远近接入时基站都能有接收频点与其对应。对于终端侧，发送随机接入信令时，将接入信息放在第0和4个突发跳中，从而能保证基站端总能收到这两个突发跳的随机接入信令，如图2所示，不同颜色代表不同频点。

步骤3，基站收到测距信号以后，利用互相关方法估计出信号的时延，其0.5倍即为路径时延Td，并确定是否同意该终端入网并分配资源，是则答复其请求并告知路径时延Td。

步骤4，终端收到同意入网及Td信息以后，以自身的TDMA时刻为准提前2Td时间发射上行业务信号。

1.2时延调整频率

终端初始接入完成后，通过测距提前发送实现不同距离终端和基站的时频同步，由于测距误差和平台机动偏移误差，提前发射可能仍然存在少量上行信号遗失。因此，需要通过设置信号结构内的前、后保护时间弥补正、负测距偏差，并在业务过程中对提前量进行微调。

当基站估计出时延的偏差量不在合理的范围以内时需通知终端调整提前量，实现测距微调。调整的最低频率与移动速度、测距精度、后保护长度都有关系。从本次上行发射到测距、反馈，再到下次上行发射的时长最大为两个TDMA周期。以50ms的TDMA帧周期，5μs的后保护长度取为例，在相对速度240km/h时，100ms路程的电波时延变化0.022μs，那么即使15s调整一次提前量，仍然存在1.7μs的裕量;当相对速度4马赫时，100ms路程的电波时延变化0.45μs，那么提前量的调整周期不宜超过1s，此时仅有0.5μs的裕量。

通过测距提前发送和时延调整实现不同距离终端和基站的时频同步，并采用尾保护设计屏蔽测距和机动偏移误差，如图3所示。

二、收发保护设计

由于远距离覆盖导致下行传输延时及上行提前发送，引起终端侧的时隙收发冲突，终端申请传输资源时，基站将收发转换时相邻的两个收发时隙调度给不同的终端，实现频率和终端错开，避免收发转换时的冲突，如图4所示。

三、仿真结果

以跳速1000跳/秒，PRACH信号突发长度1ms，基站距离终端不小于450km为例，基站搜索窗口的长度和随机接入成功率的仿真结果如图5所示，当窗口的长度设置为4跳时，接入成功率约80%，当窗口的长度设置为8跳时，接入成功率可接近95%，相对于4跳的搜索窗口长度成功率得到明显提高。

四、结束语

本文针对远距离覆盖场景下，由于空中传播的时延较大导致不同距离的终端同时接入和上行同步困难等问题，研究了基于跳频体制的广域范围随机接入技术，对后续支撑战术应用场景的高空通信系统建设具有重要意义。

参  考  文  献

[1]贾铃彭.TD-LTE基站侧随机接入技术研究[D].电子科技大学2010：13-15.

[2]李晓辉.LTE-A超远覆盖中的随机接入前导码设计与性能.西安电子科技大学学报2013：第40卷第5期.

[3]彭迪.基于TD-LTE UE侧随机接入过程的研究与分析.舰船电子工程2018年第3期.

谢小华（1988），男，汉族，湖南永州，硕士，工程师，研究方向：战术通信。