高動(dòng)態(tài)條件下的星地兩步隨機(jī)接入增強(qiáng)方法設(shè)計(jì)

摘 要：低軌衛(wèi)星具有空間衰減強(qiáng)、移動(dòng)速度快、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。針對(duì)星地隨機(jī)接入速度慢、容量小、受多普勒頻移影響嚴(yán)重的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高動(dòng)態(tài)條件下的星地兩步隨機(jī)接入增強(qiáng)方法。通過(guò)對(duì)用戶(hù)上行ＭｓｇＡ 數(shù)據(jù)進(jìn)行若干次重復(fù)并在接收端引入干擾消除技術(shù)進(jìn)行解調(diào)，從而利用碰撞數(shù)據(jù)減少用戶(hù)重發(fā)概率，解決了星地隨機(jī)接入速度與容量的問(wèn)題；通過(guò)引入雙根前導(dǎo)碼并在接收端進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，解決了高動(dòng)態(tài)下隨機(jī)接入前導(dǎo)檢測(cè)成功率低的問(wèn)題。相比傳統(tǒng)的隨機(jī)接入方案，實(shí)現(xiàn)了更高的接入速度和接入容量。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星通信；隨機(jī)接入；不規(guī)則重復(fù)時(shí)隙ＡＬＯＨＡ；雙根前導(dǎo)碼

中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＮ９２７． ２３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號(hào)：１００３－３１１４（２０２４）０６－１１０１－０９

０ 引言

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)６Ｇ 空天地一體化愿景的重要組成部分。與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信相比，低軌衛(wèi)星具有發(fā)射成本低、傳輸延時(shí)低等優(yōu)勢(shì)。其既能夠?yàn)槌青l(xiāng)結(jié)合部、城市邊緣等地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域提供同頻補(bǔ)充覆蓋，提升通信質(zhì)量，也可以為偏遠(yuǎn)山村、遠(yuǎn)洋極地等地面網(wǎng)絡(luò)難以連續(xù)覆蓋的區(qū)域提供異頻覆蓋服務(wù)，保證覆蓋空洞區(qū)的通信需求［１］。

隨機(jī)接入是用戶(hù)終端與基站完成上下行時(shí)間頻率同步，建立有效通信鏈路的重要過(guò)程，其過(guò)程發(fā)生在用戶(hù)開(kāi)機(jī)時(shí)刻或與原基站斷開(kāi)連接轉(zhuǎn)而搜尋新基站的時(shí)刻。傳統(tǒng)的地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，如４ＧＬＴＥ、５ＧＮＲ，采用了四步隨機(jī)接入策略，可以滿(mǎn)足高密度城市場(chǎng)景的接入需求和低速場(chǎng)景的切換需求。衛(wèi)星通信由于通信距離的延長(zhǎng)和覆蓋區(qū)域的增大，四步隨機(jī)接入策略會(huì)帶來(lái)較大的信令開(kāi)銷(xiāo)與接入延時(shí)，影響用戶(hù)的接入速度。５ＧＮＲ 中提出的兩步隨機(jī)接入策略能夠減少星地間信令交互次數(shù)，但是低軌衛(wèi)星的高移動(dòng)性也給隨機(jī)接入帶來(lái)高多普勒頻移、大容量用戶(hù)沖突等困難［２］。開(kāi)展基于衛(wèi)星通信的隨機(jī)接入研究，對(duì)于拓寬地面隨機(jī)接入業(yè)務(wù)場(chǎng)景，提高星地協(xié)同傳輸能力有重大意義。

目前隨機(jī)接入采用“即時(shí)發(fā)送”策略，即在基站覆蓋范圍內(nèi)，一旦用戶(hù)終端存在通信需求，則立即向基站發(fā)起接入，無(wú)需提前建立鏈路或進(jìn)行時(shí)頻資源分配。接收端如果因數(shù)據(jù)碰撞無(wú)法解調(diào)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Ｈｙｂｒｉｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｒｅｐｅａｔ ｒｅＱｕｅｓｔ，ＨＡＲＱ）機(jī)制進(jìn)行重發(fā)，此即時(shí)隙ＡＬＯＨＡ（Ｓｌｏｔｔｅｄ ＡＬＯＨＡ，ＳＡ）接入策略。ＳＡ 接入策略由于直接舍棄了碰撞數(shù)據(jù)，接入容量較低。在地面環(huán)境中，鏈路時(shí)延較小，用戶(hù)碰撞導(dǎo)致的重發(fā)傳輸時(shí)延可以忽略不計(jì)，因而ＳＡ 接入策略在地面網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛。針對(duì)低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，由于通信傳輸時(shí)延遠(yuǎn)高于地面網(wǎng)絡(luò)，ＳＡ 接入策略引起的頻繁接入重傳將嚴(yán)重影響用戶(hù)接入速度。近年來(lái)，一些改進(jìn)ＳＡ 協(xié)議通過(guò)利用碰撞信號(hào)提升系統(tǒng)接入容量。文獻(xiàn)［３］提出了競(jìng)爭(zhēng)解決的ＳＡ（Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ＤｉｖｅｒｓｉｔｙＳＡ，ＣＲＤＳＡ）接入策略，其主要思想是發(fā)送端對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)制，生成多個(gè)副本數(shù)據(jù)并分配到幀內(nèi)不同時(shí)隙中；接收端通過(guò)求解非競(jìng)爭(zhēng)用戶(hù)并利用連續(xù)干擾消除技術(shù)消除其余副本，逐步將競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙轉(zhuǎn)變?yōu)榉歉?jìng)爭(zhēng)時(shí)隙，最終實(shí)現(xiàn)將峰值吞吐量進(jìn)一步提升至０． ５５。文獻(xiàn)［４］對(duì)ＣＲＤＳＡ 接入策略進(jìn)行了改進(jìn)，提出不規(guī)則ＳＡ（Ｉｒｒｅｇｕｌａｒ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ＳＡ，ＩＲＳＡ）策略。ＩＲＳＡ 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的重復(fù)次數(shù)概率分布對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非規(guī)則次數(shù)復(fù)制，通過(guò)對(duì)概率分布函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)［５］提出碼分ＳＡ（Ｃｏｄｅｄ Ｓｌｏｔｔｅｄ ＡＬＯＨＡ，ＣＳＡ）方案，通過(guò)對(duì)副本進(jìn)行“數(shù)據(jù)包”級(jí)的編碼后傳輸，可以解決ＣＲＤＳＡ、ＩＲＳＡ 編碼速率小于０． ５ 的約束。

為實(shí)現(xiàn)上下行同步，目前隨機(jī)接入中通常采用基于ＺａｄｏｆｆＣｈｕ（ＺＣ）序列的前導(dǎo)碼進(jìn)行接入信號(hào)檢測(cè)和傳播時(shí)延估計(jì)?；緦?duì)接收前導(dǎo)碼的時(shí)域位置進(jìn)行檢測(cè)，估算并反饋時(shí)間提前量（Ｔｉｍｉｎｇ Ａｄｖａｎｃｅ，ＴＡ）。用戶(hù)端利用ＴＡ 信息進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)不同位置用戶(hù)發(fā)送的數(shù)據(jù)在基站端上行同步［６］。對(duì)于衛(wèi)星通信，３ＧＰＰ 針對(duì)較大時(shí)延和多普勒帶來(lái)的檢測(cè)偏差提出了相應(yīng)的前導(dǎo)碼設(shè)計(jì)改進(jìn)建議［７－８］，但并沒(méi)有給出具體可用于衛(wèi)星通信的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與樣例。因此，抗多普勒頻移的前導(dǎo)碼設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)星地兩步隨機(jī)接入的關(guān)鍵步驟之一。

綜上分析，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的隨機(jī)接入，面臨高多普勒頻移、大接入容量等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)ＳＡ 接入策略簡(jiǎn)潔且易于實(shí)現(xiàn)，但缺乏解決用戶(hù)數(shù)據(jù)碰撞的手段，接入容量較低。隨著通信業(yè)務(wù)量的急劇增大，單波束覆蓋區(qū)域內(nèi)同時(shí)接入的用戶(hù)數(shù)目增多，ＳＡ 接入策略導(dǎo)致的碰撞重發(fā)引起的時(shí)延嚴(yán)重影響接入速度?；冢桑遥樱?策略的接入方法能夠提升接入容量，但是在低軌衛(wèi)星接入中還面臨諸多挑戰(zhàn)。對(duì)于一些缺乏全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信終端，隨機(jī)接入還需解決高多普勒頻移背景下的上行同步及其他問(wèn)題，這對(duì)基于ＩＲＳＡ 策略的隨機(jī)接入設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

為提升低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)隨機(jī)接入速度與接入容量，本文基于兩步隨機(jī)接入方法，引用ＩＲＳＡ 接入策略，設(shè)計(jì)了適用于單波束星地隨機(jī)接入的系統(tǒng)，能夠降低信令開(kāi)銷(xiāo)、提升接入容量。同時(shí)，本文引入雙前導(dǎo)序列估計(jì)以及信道估計(jì)方法，能夠獲取上行ＴＡ信息以及信道狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)星地高多普勒頻移下的上行同步與ＩＲＳＡ 高效干擾消除。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)星地隨機(jī)接入技術(shù)，本文方法能提升約７７％ 的峰值接入容量，提升約６６％ 峰值接入速度，同時(shí)對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境具有良好的魯棒性。

１ 隨機(jī)接入技術(shù)

隨機(jī)接入是用戶(hù)與數(shù)據(jù)基站建立聯(lián)系的前提，是一個(gè)精簡(jiǎn)而復(fù)雜的信令交互過(guò)程，終端和基站之間要在極短時(shí)間內(nèi)完成身份信息的識(shí)別與驗(yàn)證，還需完成上下行同步等。

１． １ 隨機(jī)接入技術(shù)分類(lèi)

隨機(jī)接入按信令交互的次數(shù)可以分為四步隨機(jī)接入和兩步隨機(jī)接入，如圖１ 所示?；拘枰A(yù)先周期性地向服務(wù)小區(qū)廣播／ 掃描下行信號(hào)，從而讓接收終端獲取小區(qū)配置信息。隨后，四步隨機(jī)接入中，基站與用戶(hù)終端完成接入需要經(jīng)過(guò)４ 次信令交互，分別是用戶(hù)上行發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)、基站／ 衛(wèi)星下行反饋隨機(jī)接入響應(yīng)、用戶(hù)上行隨機(jī)接入請(qǐng)求、基站／衛(wèi)星下行競(jìng)爭(zhēng)解決，依次用Ｍｓｇ１ ～ Ｍｓｇ４ 表示［９］。

兩步隨機(jī)接入只需要進(jìn)行兩次交互，分別是由Ｍｓｇ１和Ｍｓｇ３ 構(gòu)成的ＭｓｇＡ，以及Ｍｓｇ２ 和Ｍｓｇ４ 構(gòu)成的ＭｓｇＢ。顯然，兩步隨機(jī)接入相比四步隨機(jī)接入的總時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)更?。郏保埃?。

１． ２ 兩步隨機(jī)接入關(guān)鍵技術(shù)。

兩步隨機(jī)接入的ＭｓｇＡ 包括隨機(jī)接入前導(dǎo)和隨機(jī)接入請(qǐng)求。利用隨機(jī)接入前導(dǎo)，接收端可以完成上行時(shí)間提前量ＴＡ 估計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上行同步等。隨機(jī)接入請(qǐng)求中則包含終端唯一的身份驗(yàn)證信息。

１． ２． １ 兩步隨機(jī)接入的幀結(jié)構(gòu)與接入方法

ＭｓｇＡ 信道結(jié)構(gòu)如圖２ 所示［１１］，其中前導(dǎo)部分與數(shù)據(jù)部分分別在物理隨機(jī)接入信道（ＰｈｙｓｉｃａｌＲａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｈａｎｎｅｌ，ＰＲＡＣＨ）和物理上行共享傳輸信道（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｕｐｌｉｎｋ Ｓｈａｒｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ，ＰＵＳＣＨ）傳輸，二者在時(shí)域上時(shí)分復(fù)用且留有一定的保護(hù)間隔。兩步隨機(jī)接入請(qǐng)求是免授權(quán)設(shè)計(jì)，其占用的信道資源由系統(tǒng)預(yù)先分配，無(wú)需通過(guò)基站檢測(cè)前導(dǎo)進(jìn)行分配。前導(dǎo)碼和ＰＵＳＣＨ 資源存在一定的映射關(guān)系［１２］，終端選擇某個(gè)前導(dǎo)序列后，ＰＵＳＣＨ 資源隨即確定。

傳統(tǒng)兩步隨機(jī)接入策略為ＳＡ 策略，由于ＰＲＡＣＨ 和ＰＵＳＣＨ 均是用戶(hù)共享且一一映射，因此選擇同一前導(dǎo)碼的不同用戶(hù)數(shù)據(jù)幀會(huì)發(fā)生碰撞。

１． ２． ２ 兩步隨機(jī)接入中的定時(shí)檢測(cè)

終端由于用戶(hù)的分布位置不同，基站需要測(cè)量終端信令到達(dá)基站接收端的時(shí)延并反饋給終端，進(jìn)而終端進(jìn)行時(shí)序調(diào)整以完成上行時(shí)間同步。在兩步隨機(jī)接入中，Ｍｓｇ１ （對(duì)應(yīng)ＰＲＡＣＨ）和Ｍｓｇ３ （對(duì)應(yīng)ＰＵＳＣＨ）都在ＭｓｇＡ 中，在時(shí)域上連續(xù)且有一定間隔，它們具有相同的ＴＡ 值，如圖３ 所示。接收端通過(guò)檢測(cè)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼可以對(duì)每個(gè)成功接入的前導(dǎo)進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)（ＴＡ 估計(jì)），所得ＴＡ 值一方面可以反饋給用戶(hù)終端用于其時(shí)序調(diào)整，另一方面可以確定ＭｓｇＡ 中ＰＵＳＣＨ 的時(shí)域位置。

隨機(jī)接入前導(dǎo)采用具有良好自相關(guān)與互相關(guān)特性的ＺＣ 序列，是具有恒定幅值的復(fù)數(shù)序列。ＺＣ 序列的一般表達(dá)式為：

式中：Ｎｚｃ 為前導(dǎo)序列的長(zhǎng)度，ｕ 為物理根。

接收端利用本地前導(dǎo)碼對(duì)在ＰＲＡＣＨ 上發(fā)送的前導(dǎo)碼進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算延遲功率譜（ＰｏｗｅｒＤｅｌａｙ Ｐｒｏｆｉｌｅ，ＰＤＰ）獲得ＴＡ。ＰＤＰ 計(jì)算結(jié)果為：

式中：ｙ［ｎ］為所有接收端前導(dǎo)之疊加，ｘ*［ｎ］為ｘ［ｎ］的復(fù)數(shù)共軛，ｍ 滿(mǎn)足０≤ｍ≤Ｎｚｃ －１。通過(guò)檢測(cè)ＰＤＰ譜峰值所在位置和數(shù)量，即可判斷前導(dǎo)是否發(fā)生碰撞，并計(jì)算所對(duì)應(yīng)的ＴＡ 估計(jì)值［１３］。

２ 高動(dòng)態(tài)條件下星地兩步隨機(jī)接入增強(qiáng)方案

由于低軌衛(wèi)星速度快、海拔高、覆蓋區(qū)域遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)小區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)兩步隨機(jī)接入無(wú)法直接適用，可以做出以下幾個(gè)方向的改進(jìn)：① 目前ＳＡ 接入策略?xún)H能提供３６． ８％ 的峰值吞吐量［１４］，星地接入大容量背景下將帶來(lái)巨大的重發(fā)時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)。通過(guò)引入ＩＲＳＡ 接入策略，可減少重發(fā)，進(jìn)而提升接入速度。② 傳統(tǒng)的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼在大多普勒頻移背景下無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求［１５］。通過(guò)引入雙根前導(dǎo)碼，可以在高動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定檢測(cè)。

除此之外，針對(duì)星地隨機(jī)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還需要綜合考慮高動(dòng)態(tài)環(huán)境中數(shù)據(jù)沖突檢測(cè)、信道估計(jì)、時(shí)延和多普勒估計(jì)與補(bǔ)償?shù)取?/p>

２． １ 方案詳述

星地兩步隨機(jī)增強(qiáng)方案在傳統(tǒng)兩步隨機(jī)接入方案基礎(chǔ)上改進(jìn)，本文接入方案如圖４ 所示。一方面改進(jìn)接入方法，通過(guò)引入ＩＲＳＡ 接入策略，在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行重復(fù)，接收端引入干擾消除解調(diào)進(jìn)而提升接入容量；另一方面改進(jìn)接入前導(dǎo)，通過(guò)引入雙根前導(dǎo)，使之在高多普勒頻移下具有較好的魯棒性。

接入方案詳細(xì)過(guò)程為以下兩步：

① 用戶(hù)終端內(nèi)用戶(hù)隨機(jī)選擇前導(dǎo)序列，并添加循環(huán)前綴、保護(hù)間隔等構(gòu)成接入前導(dǎo)碼，同時(shí)用戶(hù)生成接入請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，構(gòu)成ＭｓｇＡ 發(fā)送。其中同一用戶(hù)前導(dǎo)碼（在ＰＲＡＣＨ 信道上）與數(shù)據(jù)包（在ＰＵＳＣＨ信道上）在時(shí)域和頻域上互不干擾，且用戶(hù)時(shí)隙的選擇與前導(dǎo)碼的選擇沒(méi)有關(guān)聯(lián)。用戶(hù)復(fù)制ＭｓｇＡ 并隨機(jī)選擇若干時(shí)隙以正交頻分復(fù)用形式發(fā)送，其中ＭｓｇＡ 包含用戶(hù)所選時(shí)隙的指針。

基站／ 衛(wèi)星端接收并存儲(chǔ)所有時(shí)隙的數(shù)據(jù)后，檢測(cè)每個(gè)時(shí)隙的前導(dǎo)碼。該過(guò)程需判斷時(shí)隙是否發(fā)生碰撞、檢測(cè)成功接入前導(dǎo)的ＩＤ 以及計(jì)算對(duì)應(yīng)的時(shí)延與多普勒頻移。再遍歷所有時(shí)隙，若時(shí)隙未發(fā)生碰撞，則在數(shù)據(jù)接收窗中提取對(duì)應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。若成功解碼，則根據(jù)成功用戶(hù)選擇的時(shí)隙指針及其ＴＡ，對(duì)該用戶(hù)在其他時(shí)隙發(fā)送的數(shù)據(jù)和前導(dǎo)進(jìn)行干擾消除；若時(shí)隙發(fā)生碰撞，則跳過(guò)該時(shí)隙。進(jìn)行多次上述過(guò)程，數(shù)據(jù)仍無(wú)法解調(diào)的用戶(hù)，視為接入失敗。

② 基站／ 衛(wèi)星端對(duì)于成功接入的用戶(hù)，在對(duì)應(yīng)的物理下行共享信道資源上發(fā)送ＭｓｇＢ，包含成功接入前導(dǎo)的信息及其ＴＡ。

用戶(hù)終端檢測(cè)是否成功接入，若未能成功接入，重新發(fā)起隨機(jī)接入；若成功接入，則可利用ＴＡ 進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。

２． ２ 高動(dòng)態(tài)下的前導(dǎo)檢測(cè)與多普勒估計(jì)

星地通信鏈路存在較大的多普勒頻移，其中小數(shù)多普勒頻移將導(dǎo)致多峰的出現(xiàn)，造成誤檢；整數(shù)多普勒頻移將導(dǎo)致ＰＤＰ 峰值移位，造成錯(cuò)檢［１６－１７］。為提升大多普勒頻移背景下的前導(dǎo)檢測(cè)成功率，采用雙前導(dǎo)序列作為接入前導(dǎo)［１８］，兩個(gè)前導(dǎo)序列具有不同的物理根，即兩個(gè)ＺＣ 序列均是根序列而沒(méi)有經(jīng)過(guò)循環(huán)移位。在實(shí)際發(fā)射過(guò)程中，兩個(gè)前導(dǎo)序列既可以在不同時(shí)間、相同頻率上發(fā)送（即模式Ａ），也可以在相同時(shí)間、相同頻率上發(fā)送（即模式Ｂ），如圖５ 所示。

本文利用多項(xiàng)式表示各用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)副本進(jìn)行不同次數(shù)復(fù)制的情況，假設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)副本重復(fù)ｎ 次用戶(hù)占總用戶(hù)的比例為λｎ，整體用戶(hù)重復(fù)情況可用多項(xiàng)式Λ（ｘ）表示為：

圖６ 右側(cè)的二部圖可以用Λ（ｘ）＝ ０． ６７ｘ２ ＋０． ３３ｘ３表示，其中用戶(hù)１ 和用戶(hù)２ 在當(dāng)前傳輸中數(shù)據(jù)幀復(fù)制了兩次，分別選擇了時(shí)隙２、４ 與時(shí)隙２、３；用戶(hù)３ 數(shù)據(jù)幀復(fù)制了３ 次，選擇了時(shí)隙１、２、４，因此時(shí)隙１ 和時(shí)隙３ 中只傳輸了一個(gè)數(shù)據(jù)幀，未發(fā)生碰撞，而時(shí)隙２、４ 則分別堆疊了３ 個(gè)數(shù)據(jù)幀和兩個(gè)數(shù)據(jù)幀。

第一個(gè)時(shí)隙僅含有用戶(hù)３ 的數(shù)據(jù)幀，對(duì)該時(shí)隙進(jìn)行解調(diào)譯碼后，利用譯碼數(shù)據(jù)包含的時(shí)隙指針信息可以同時(shí)消去時(shí)隙１、２、４ 中用戶(hù)３ 的干擾；第３ 個(gè)時(shí)隙僅含有用戶(hù)２ 的數(shù)據(jù)幀，對(duì)該時(shí)隙進(jìn)行解調(diào)譯碼后，可以同時(shí)消去時(shí)隙２、３ 中用戶(hù)２ 的干擾；因?yàn)橛脩?hù)２、３ 的數(shù)據(jù)干擾均已經(jīng)消除，此時(shí)用戶(hù)１的數(shù)據(jù)在時(shí)隙２、４ 都是“易于解調(diào)”的，因此也可以進(jìn)行解調(diào)譯碼。至此，所有用戶(hù)都完成了譯碼。

研究表明［４］，在理想情況下解調(diào)，若分割的時(shí)隙數(shù)趨于無(wú)窮大，對(duì)于任何二次及以上多項(xiàng)式Λ（ｘ），都存在一個(gè)負(fù)載閾值Ｇ，當(dāng)Ｇ＜Ｇ 時(shí)，接收端可以通過(guò)干擾消除的方法解調(diào)所有到達(dá)的數(shù)據(jù)包，吞吐量和歸一化用戶(hù)負(fù)載處于平衡狀態(tài)，即Ｔ＝Ｇ；當(dāng)Ｇ ＝Ｇ，則吞吐量達(dá)到峰值Ｔｍａｘ ＝ Ｇ。Λ（ｘ）與Ｇ 的關(guān)系如表１ 所示。

在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于不同的用戶(hù)負(fù)載，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)副本的重復(fù)次數(shù)以達(dá)到最優(yōu)接入效果，從而在多次重復(fù)接入中最大程度提升接入速度。

３ 仿真結(jié)果

考慮一個(gè)單波束低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，波束存在ｍ 個(gè)用戶(hù)，接入時(shí)間段包含時(shí)隙數(shù)為ｎＴ，定義歸一化用戶(hù)負(fù)載Ｇ 為用戶(hù)數(shù)與時(shí)隙數(shù)之比：

Ｇ＝ ｍ/ｎＴ。（１５）

在一次接入中，成功接入人數(shù)為ｑ，定義接入吞吐量Ｔ 為成功接入人數(shù)與時(shí)隙數(shù)之比：

Ｔ＝ ｑ/ｎＴ。（１６）

假設(shè)這ｍ 個(gè)用戶(hù)都完成接入需要Ｋ 輪兩步隨機(jī)接入，接入速度Ｖ 定義為平均每輪次接入人數(shù)：

Ｖ＝ｍ/Ｋ。（１７）

仿真參數(shù)如表２ 所示，考慮信噪比為６． ５ ｄＢ，萊斯因子為１０ ｄＢ，采用碼率為０． ５ 的低密度奇偶校驗(yàn)碼的場(chǎng)景，前導(dǎo)碼采用對(duì)多普勒頻移具有魯棒性的雙根前導(dǎo)序列，發(fā)射模式采用模式Ｂ，其物理根模逆元［１９］為：

ｕ－１１ ＝（３，５，７，…，６５，Ｎｚｃ －６４，Ｎｚｃ －６２，…，Ｎｚｃ －２），ｕ－１２ ＝ｕ－１１ －１，（１８）

式中：前導(dǎo)子載波間隔為１． ２５ ｋＨｚ，數(shù)據(jù)子載波間隔為３０ ｋＨｚ。前導(dǎo)碼池中含有６４ 個(gè)不同的前導(dǎo)，發(fā)送時(shí)間段分為等長(zhǎng)的６４ 個(gè)時(shí)隙。

３． １ 前導(dǎo)檢測(cè)性能

在不同程度多普勒頻移下對(duì)比兩種前導(dǎo)碼接入成功率，歸一化多普勒頻移ε 定義為多普勒頻移ｆｄ與子載波間隔Δｆ 之比：

ε＝ ｆｄ/Δｆ。（１９）

當(dāng)信噪比為６． ５ ｄＢ，ＰＲＡＣＨ 上存在４ 個(gè)前導(dǎo)碼時(shí)，前導(dǎo)接入成功率如圖７ 所示，可以看出在歸一化多普勒頻移低于０． ５ 時(shí)，無(wú)論是增強(qiáng)前導(dǎo)還是普通前導(dǎo)，接入成功率都接近１００％ ，而當(dāng)歸一化多普勒頻移高于０． ５ 時(shí)，普通前導(dǎo)接入成功率迅速降低，歸一化多普勒頻移為１ 時(shí)成功率幾乎為０。由此可見(jiàn)，普通前導(dǎo)在高動(dòng)態(tài)條件下，尤其是在多普勒頻移高于子載波間隔的一半時(shí)，無(wú)法可靠接入，這是由于檢測(cè)譜中的峰值因多普勒效應(yīng)發(fā)生移位，進(jìn)而導(dǎo)致錯(cuò)檢。

３． ２ 接入吞吐量與接入速度

單個(gè)波束覆蓋范圍內(nèi)的用戶(hù)分布完全隨機(jī)，因此用戶(hù)時(shí)延和多普勒頻移在一定區(qū)間內(nèi)隨機(jī)分布。相對(duì)于高速移動(dòng)的低軌衛(wèi)星，地面終端的移動(dòng)速度較小，因此在仿真系統(tǒng)中，不考慮用戶(hù)的移動(dòng)。由于接入過(guò)程耗時(shí)較短，因此在接入時(shí)，不考慮多普勒頻移和延遲的變化。當(dāng)用戶(hù)一次接入失敗，則繼續(xù)進(jìn)行下一輪接入，直到該負(fù)載下所有用戶(hù)都完成接入。

圖８ 對(duì)比了本文所提方案與目前已有的基線(xiàn)方案在首次接入吞吐量方面的差異。在達(dá)到峰值容量之前，本文所提方案的吞吐量基本與用戶(hù)負(fù)載持平，而基線(xiàn)方案在Ｇ＝１ 時(shí)達(dá)到峰值吞吐量的３６． ７８％ ，接近ＳＡ 的理論峰值。當(dāng)０＜Ｇ≤０． ８ 時(shí)，對(duì)應(yīng)的重復(fù)多項(xiàng)式選用Λ（ｘ）＝ ０． ５１ｘ２ ＋０． ４９ｘ４；當(dāng)０． ８ ＜Ｇ≤１時(shí)，選用的重復(fù)多項(xiàng)式為Λ（ｘ）＝ ０． ５０ｘ＋０． ５０ｘ４；當(dāng)１＜Ｇ≤１． ２ 時(shí)，采用的重復(fù)多項(xiàng)式為Λ（ｘ）＝ ｘ，等同于ＳＡ，吞吐量一致。本文所提方案峰值吞吐量相比基線(xiàn)方案提升約７７％ ，在較大的一段用戶(hù)負(fù)載區(qū)間內(nèi)具有顯著的容量性能提升。

為比較本文所提方案在接入速度上的性能，圖９ 和圖１０ 在完成整個(gè)接入過(guò)程人均信令交互次數(shù)（反映接入時(shí)延）和平均每輪次接入用戶(hù)人數(shù)（反映接入速度）方面進(jìn)行對(duì)比?；€(xiàn)方案的平均信令交互次數(shù)隨用戶(hù)負(fù)載呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，因?yàn)殡S著用戶(hù)數(shù)量增多，碰撞重發(fā)概率增大，需要進(jìn)行多次接入，因此平均信令交互次數(shù)隨之增長(zhǎng)。相比之下，在Ｇ＜０． ６ 時(shí)，本文所提方案基本維持相同的信令交互次數(shù)，因?yàn)榇藚^(qū)間ＩＲＳＡ 吞吐量基本與用戶(hù)負(fù)載持平，進(jìn)行一次兩步隨機(jī)接入即可，在Ｇ＞０． ６ 時(shí)，ＩＲＳＡ 吞吐量低于用戶(hù)負(fù)載，信令交互次數(shù)增多。

本文利用平均每輪次接入人數(shù)衡量接入速度，隨著歸一化用戶(hù)負(fù)載的升高，本文所提方案和基線(xiàn)方案平均每輪次接入人數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但本文所提方案速度更快，前期增長(zhǎng)和趨勢(shì)更加明顯，峰值接入速度相比基線(xiàn)方案提升約６６％ 。

４ 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)星地隨機(jī)接入場(chǎng)景，本文基于兩步隨機(jī)接入方法，引用ＩＲＳＡ 接入策略，設(shè)計(jì)出一套適用于單波束星地隨機(jī)接入系統(tǒng)，通過(guò)在星地鏈路發(fā)射端對(duì)待發(fā)射ＭｓｇＡ 數(shù)據(jù)進(jìn)行若干次重復(fù)，在接收端引入干擾消除技術(shù)，減少用戶(hù)重發(fā)次數(shù)，進(jìn)而提升接入的容量和速度。此外，本方案引入雙根前導(dǎo)序列，能夠提高前導(dǎo)碼在高多普勒頻移信道下的檢測(cè)成功率，并基于時(shí)頻補(bǔ)償?shù)恼粚?dǎo)頻實(shí)現(xiàn)多時(shí)隙的信道估計(jì)，保證每次干擾消除和解調(diào)的準(zhǔn)確率，進(jìn)而保證接入性能。仿真結(jié)果表明本文方案可以顯著提高星地兩步隨機(jī)接入成功率，減少用戶(hù)與衛(wèi)星之間的信令交互次數(shù)，提升接入速度。

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作者簡(jiǎn)介：

賴(lài)禹新 男，（２００１—），碩士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星通信。

李 序 男，（１９９９—），博士研究生。主要研究方向：無(wú)線(xiàn)通信／ 衛(wèi)星通信。

（-通信作者）楊 濤 男，（１９８１—），博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向：６Ｇ 移動(dòng)通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、信息論與編碼網(wǎng)絡(luò)信息論及基于格碼的多點(diǎn)通信技術(shù)等。

劉榮科 男，（１９７３—），博士，教授，深圳北航新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長(zhǎng)。主要研究方向：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、編譯碼技術(shù)、通感一體化等。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（２０２２ＹＦＢ２９０２６０４）；深圳市科技計(jì)劃（ＫＪＺＤ２０２３０９２８１１２７５９００２）；國(guó)家自然科學(xué)基金（６２３７１０２０）；北京市自然科學(xué)基金（Ｌ２３２０４４）