面向LTE的静止轨道卫星通信系统随机接入方式

第11卷第5期太赫兹科学与电子信息学报Vo1．11，No．52013年10月JournalofTerahertzScienceandElectronicInformationTechnologyOct．，2013文章编号：2095-4980(2013)05-0707-05面向LTE的静止轨道卫星通信系统随机接入方式陈坤汕，王大鸣，徐尧(解放军信息工程大学信息系统工程学院，河南郑州450002)摘要：针对长期演进计划(LTE)系统和卫星移动通信系统融合中接入方式存在的问题，提出了一种面向LTE的静止轨道(GEO)卫星移动通信的随机接入方式。该方式参考了卫星通用通信系统(S-UMTS)和长期演进计划系统的随机接入方式设计，对接入前导和接入时隙作适应性修改，并提出了一种新的用户随机接入流程。通过随机接入时隙长度的扩展，将控制信息加入到接入前导中，解决了GEO卫星环境下用户接入时间长和用户之间时延差大的问题；提出的用户随机接入流程，有效改善了用户的接入时间性能。仿真结果表明，提出的随机接入方式适用于面向LTE的GEO卫星通信系统。关键词：长期演进计划；一种随机接入系统；静止轨道；保护间隔；接入前导；接入流程中图分类号：TN925文献标识码：Adoi：10.11805/TKYDA201305.0707RandomaccessmethodforGEOsatellitecommunicationsystem-orientedLTECHENKun-shan，WANGDa-ming，XUYao(InstituteofInformationEngineering，PLAInformationEngineeringUniversity，ZhengzhouHenan450002，China)Abstract：AccordingtoLongTermEvolution(LTE)systemandsatellitemobilecommunicationsystemintegrationofaccessproblems，aRandomAccessMethodispresentedforGeosynchronousOrbit(GEO)SatelliteCommunicationsystem-orientedLTE.BasedontherandomaccessdesigninS-UMTSsystemandLTEsystem,anewstructureofaccesspreambleandslotsisproposedandanewprocedureoftransmittingaccessrequestcorrespondingtothenewstructureissuggested.Inthenewstructure,theproblemssuchaslongaccesstimeanddifferentlongtransmissiondelaysinGEOsatellitecommunicationenvironmentareimprovedbyincreasingthelengthofaccessslotandaddingcontrolinformationtoaccesspreamble.Theproposedaccessprocedureeffectivelyimprovetheperformanceoftheaccesstime.Simulationresultsshowthat,theproposedschemeissuitabletotheGEOsatellitecommunicationsystem-orientedLTE.Keywords：LongTermEvolution；AdditiveLinkOn-lineHawaii(ALOHA)system；GeosynchronousOrbit；guardtime；accesspreamble；accessprocedure近年来卫星移动通信与3G系统的融合正在实践过程中，LTE体制也已经成熟，但是LTE系统与GEO卫星通信的融合[1]还处于起步阶段。卫星通信环境的特殊性，给正交频分复用[2–3](OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)为关键技术的LTE系统在卫星上的应用带来众多技术上的挑战。多址接入作为融合的关键因素，也成为国内外研究的重点。LTE系统采用的随机接入(ALOHA)方式是基于资源预留的时隙方式[4–5]。时隙ALOHA运用于GEO卫星移动通信中，由于卫星通信时延大，波束覆盖范围广(半径往往超过300km)，用户分布随机，需要面对卫星用户接入时间长和用户之间时延差大的问题。而且卫星信道环境下信号传播损耗大，用户频繁重新接入导致接入功率攀升严重，影响系统性能。文献[6]提出了一种扩展接入前缀长度的时隙ALOHA方式，其增加了接入前缀的捕获概率，但对于卫星移动终端的接入时间性能没有带来改善。文献[7]中，提出了一种GEO卫星CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)移动通信系统下的随机接入方式，其提高了在码分多址(CDMA)系统环境下的用户接入时间性能，但其基于码片的帧结构和其接入消息的设置并不适用于基于OFDM的LTE系统。针对以上问题，结合参考第3收稿日期：2012-09-10；修回日期：2012-09-27基金项目：国家科技重大专项基金资助项目(2011ZX03003-003-02；2009ZX03003-008-02)；国家高技术研究发展计划基金资助项目(“863”计划)(2009AA011504)708太赫兹科学与电子信息学报第11卷代CDMA卫星移动通信[8]的接入方式，设计一种适用于面向LTE的GEO卫星移动通信的随机接入方式。1随机接入帧结构和接入过程1.1随机接入帧结构在LTE系统中，随机接入方案设置的小区范围为5km~30km。其随机接入技术主要采用基于资源预留的slottedALOHA，即用户是先申请后调度接入。图1是随机接入前导示意图，随机接入前导信号由循环前缀(CyclicPrefix，CP，长度为TCP)、前导序列Preamble[9](长度为TSEQ)和保护间隔GT(长度为TGT，保护间隔内不进行任何数据发送)组成，和随机接入时隙时长一样都为1ms。不能将上述的随机接入前导结构直接运用于GEO卫星通信系统中，因为GEO卫星的环路延迟(Round-TripDelay，RTD)达到270ms左右，而且一个波束范围为一般几百到上千千米，那么在一个波束范围内的时延差将达到十几毫秒，1ms的接入时长显然不能满足所有可能的时延差。定义用户i和用户j之间的时延差为,ijtΔ，表达式如下：,ijijddtc−Δ=(1)式中：id和jd分别表示用户i和用户j到卫星的距离；c表示光速(3×108m/s)。假设在最大RTD情况下，即用户i和用户j分别表示位于波束中心和波束边缘的用户，GEO卫星高度为36000km，最小仰角为16°，,ijtΔ在不同的波束范围的取值结果如表1所示。表1中，,ijtΔ会大于LTE系统内的一个接入时隙的长度，那么长度为1ms的随机接入时隙不能适应所有可能的,ijtΔ。例如，假设一个波束范围为3000km，其仰角为10°，那么此时的最大时延差将达到20ms左右。故需要对随机接入前导和接入时隙做新设计。1)保护间隔保护间隔时长是用来调整往返传播时延RTD，系统所支持的小区最大半径是由保护间隔时长来决定。针对卫星通信具有时延大和波束覆盖范围广的特点，参考S-UMTS(卫星通用通信系统)协议下的随机接入时隙设计[5]，对保护间隔做新设计。在移动通信过程中，每公里长度需要大约6.67μs的保护间隔时间。在GEO卫星波束覆盖半径为325km的情况下，一个波束下的最大时延差将达到2.16ms，那么需要保护间隔时间为2.16ms，即65560个TS，其中TS为LTE系统采样间隔，其值为1/(15000×2048)s。2)接入时隙长度为满足以上保护间隔时间，需要对接入时隙长度重新设计。通过采用扩展序列的方法，可以支持较大小区。在LTE系统中考虑以下3种可能的序列扩展方法，以满足较大小区的接入问题。a)另外定义一组时域长度等于多个传输时间间隔(TransmissionTimeInterval，TTI)的扩展序列；b)将原序列重复多次，得到时域长度等于多个TTI的序列；c)保持原序列不变，只是采用加长的CP和GT。采用简单的短码重复比设计单独的长度具有更低的复杂度和更好的抗频偏性能，因此没有必要再重新设计单独的码序列。LTE系统设计中为支持更大的小区覆盖范围，采用将加长的CP,GT以及原序列重复2次，但其接入前导可支持的最大小区覆盖半径也仅为100km，小于GEO卫星波束覆盖范围半径(325km)。表1不同卫星点波束范围下的用户i和j之间的RTD差值Table1RTDdifferencebetweenuserianduserjaccordingtosatellitespotbeamsizesspotbeamsize/kmΔtij/ms1000150020006.39.312.4CP(102.6μs)Preamble(800.0μs)GT(97.4μs)Fig.1Randomaccesspreamblesignalformat图1LTE随机接入前导信号格式TCPTSEQTGT第5期陈坤汕等：面向LTE的静止轨道卫星通信系统随机接入方式709参考LTE系统设计思想，采用加长的CP和GT，以及原序列重复2次。但是为满足GEO卫星点波束覆盖半径，不仅需要2.16ms的保护间隔，而且随机接入时隙也要满足一定的时长(假设为10ms)。若只采用重复2次的前导序列，即前导信号时长为1.6ms，而保护间隔是2.16ms，那么循环前缀将达到6.24ms，显然会造成资源的浪费。结合本文提出随机接入流程策略，将控制信息(ControlInformation)加入到接入前导中，既满足了时隙长度的要求，也减少了接入流程的步骤。参考S-UMTS协议下的随机接入时隙设计和文献[6]接入时隙长度设计，设置随机接入时隙为16ms，即保护间隔2.16ms，前导信号时长1.6ms，循环前缀2.24ms，并加入控制信息10ms，如图2所示。随机接入时隙长度的增加，适应了一个波束范围内所有可能的时延差，提高了接入前导和控制信息的正确解码概率，从而提高接入概率性能。同时将控制信息加入到接入前导中，减少了随机接入流程的步骤，降低了平均接入时间，使得GEO卫星通信可以适应LTE系统。1.2随机接入发送策略随机接入过程分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入2种[10]。基于竞争的随机接入可应用于所有需要随机接入的接入场景；非竞争随机接入方式仅在切换和下行数据到达情况下才会采用，而且需要基站事先分配前导码给用户。卫星系统是一个星上资源受限系统，适合采用基于竞争的随机接入。在LTE系统中，基于竞争的随机接入流程主要分为4个步骤，共需2个来回，如图3所示。在GEO卫星通信环境下，一次接入的往返时延高达540ms，若依然采用该接入流程，则其最短的接入时间为2×540ms(接入消息均一次性成功接收)。考虑到卫星通信系统中终端数量较少，同时发起呼叫接入的概率较低，为了缩短终端的平均接入时间，本文提出将接入前导和接入控制信息同时发射出去，这样就缩短了接入流程。LTE系统之所以考虑采用图3的接入流程，是因为用户的接入时隙长度有限，及用户同时发起呼叫的概率较大，存在较大的冲突碰撞风险。图4为本文提出的随机接入流程。用户随机接入过程分为以下3个步骤：1)用户在发起呼叫时根据下行信道测量设定接入前导和接入控制信息的初始发射功率，并在下一个接入时隙的起始位置将随机接入前导和控制信息同时发送出去[11]。控制消息包含了用户的随机接入原因、具体资源请求、消息类型以及用户标识类型。2)系统向用户反馈的上行定时提前量供用户上行的定时同步校正，同时根据用户的需求反馈