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。通過對(duì)用戶上行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)減少用戶重發(fā)概率，解決了星地隨機(jī)接入速度與容量的問題；通過引入雙根前導(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

中圖分類號(hào)：ＴＮ９２７． ２３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(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程，其過程發(fā)生在用戶開機(jī)時(shí)刻或與原基站斷開連接轉(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和覆蓋區(qū)域的增大，四步隨機(jī)接入策略會(huì)帶來較大的信令開銷與接入延時(shí)，影響用戶的接入速度。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)接入帶來高多普勒頻移、大容量用戶沖突等困難［２］。開展基于衛(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)，一旦用戶終端存在通信需求，則立即向基站發(fā)起接入，無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)重影響用戶接入速度。近年來，一些改進(jìn)ＳＡ 協(xié)議通過利用碰撞信號(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；接收端通過求解非競(jìng)爭(zhēng)用戶并利用連續(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)。基站對(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題，這對(duì)基于ＩＲＳＡ 策略的隨機(jī)接入設(shè)計(jì)帶來了挑戰(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)，能夠降低信令開銷、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

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，基站與用戶終端完成接入需要經(jīng)過４ 次信令交互，分別是用戶上行發(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)延開銷更?。郏保埃荨?/p>

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，無需通過基站檢測(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 均是用戶共享且一一映射，因此選擇同一前導(dǎo)碼的不同用戶數(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 滿足０≤ｍ≤Ｎｚｃ －１。通過檢測(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 接入策略僅能提供３６． ８％ 的峰值吞吐量［１４］，星地接入大容量背景下將帶來巨大的重發(fā)時(shí)延開銷。通過引入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法滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)要求［１５］。通過引入雙根前導(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)過程為以下兩步：

① 用戶終端內(nèi)用戶隨機(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，且用戶時(shí)隙的選擇與前導(dǎo)碼的選擇沒有關(guān)聯(lián)。用戶復(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)成功用戶選擇的時(shí)隙指針及其ＴＡ，對(duì)該用戶在其他時(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，則跳過該時(shí)隙。進(jìn)行多次上述過程，數(shù)據(jù)仍無法解調(diào)的用戶，視為接入失敗。

② 基站／ 衛(wèi)星端對(duì)于成功接入的用戶，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有經(jīng)過循環(huán)移位。在實(shí)際發(fā)射過程中，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 次用戶占總用戶的比例為λｎ，整體用戶重復(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１ 和用戶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３ 的干擾；第３ 個(gè)時(shí)隙僅含有用戶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２ 的干擾；因?yàn)橛脩簦?、?的數(shù)據(jù)干擾均已經(jīng)消除，此時(shí)用戶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，接入時(shí)間段包含時(shí)隙數(shù)為ｎＴ，定義歸一化用戶負(fù)載Ｇ 為用戶數(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，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)的用戶分布完全隨機(jī)，因此用戶時(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，不考慮用戶的移動(dòng)。由于接入過程耗時(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負(fù)載持平，而基線方案在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方案提升約７７％ ，在較大的一段用戶負(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人數(shù)（反映接入速度）方面進(jìn)行對(duì)比?；€方案的平均信令交互次數(shù)隨用戶負(fù)載呈線性增長，因?yàn)殡S著用戶數(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。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，隨著歸一化用戶負(fù)載的升高，本文所提方案和基線方案平均每輪次接入人數(shù)均呈增長趨勢(shì)，但本文所提方案速度更快，前期增長和趨勢(shì)更加明顯，峰值接入速度相比基線方案提升約６６％ 。

４ 結(jié)束語

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，減少用戶與衛(wèi)星之間的信令交互次數(shù)，提升接入速度。

參考文獻(xiàn)

［１］ 閆復(fù)利． ５Ｇ＋衛(wèi)星融合通信應(yīng)用研究［Ｊ］． 長江信息通信，２０２１，３４（６）：２２－２４．

［２］ ３ＧＰＰ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎｅｗ Ｒａｄｉｏ （ＮＲ）ｔｏ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｎｏｎｔｅｒｒｅｓ-ｔｒｉａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：ＴＲ ３８． ８１１ （Ｖ１５． ４． ０）［Ｓ］． ［Ｓ． ｌ． ］：３ＧＰＰ，２０２０．

［３］ ＣＡＳＩＮＩ Ｅ，ＤＥ ＧＡＵＤＥＮＺＩ Ｒ，ＨＥＲＲＥＲＯ Ｏ Ｄ Ｒ． Ｃｏｎｔ-ｅｎｔｉｏｎ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｌｏｔｔｅｄ ＡＬＯＨＡ （ＣＲＤＳＡ）：Ａｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ａｃｃｅｓｓ"Ｐａｃｋｅｔ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍ-ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，６（４）：１４０８－１４１９．

［４］ ＬＩＶＡ Ｇ． Ｇｒａｐｈｂａｓｅｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｔ-ｅｎｔｉｏｎ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｌｏｔｔｅｄ ＡＬＯＨＡ ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１０，５９（２）：４７７－４８７．

［５］ ＰＡＯＬＩＮＩ Ｅ，ＬＩＶＡ Ｇ，ＣＨＩＡＮＩ Ｍ． Ｃｏｄｅｄ Ｓｌｏｔｔｅｄ ＡＬＯＨＡ：Ａ Ｇｒａｐｈｂａｓｅｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｕｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ"［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，２０１５，６１（１２）：６８１５－６８３２．

［６］ ＳＥＳＩＡ Ｓ，ＴＯＵＦＩＫ Ｉ，ＢＡＫＥＲ Ｍ． ＬＴＥＴｈｅ ＵＭＴＳ Ｌｏｎｇ"Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：Ｆｒｏｍ Ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ Ｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｍ］． Ｈｏｂｏｋｅｎ：Ｗｉｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２００９．

［７］ ３ＧＰＰ ＴＳＧ ＲＡＮ． Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，Ｔｉｍｉｎｇ Ａｄｖａｎｃｅ ａｎｄ ＲＡＣＨ ｆｏｒ ＮＴＮ［Ｒ］． Ｒｅｎｏ：Ｈｕａｗｅｉ，２０１９．

［８］ ３ＧＰＰ ＴＳＧ ＲＡＮ． Ｔｉｍｉｎｇ Ａｄｖａｎｃｅ ａｎｄ ＰＲＡＣＨ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ"ＮＴＮ［Ｒ］． Ｒｅｎｏ：Ｐａｎａｓｏｎｉｃ，２０１９．

［９］ 李蛟． 基于５Ｇ 的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)隨機(jī)接入關(guān)鍵技術(shù)研究［Ｄ］． 西安：西安電子科技大學(xué)，２０２０．

［１０］魏浩，張夢(mèng)潔，楊立． 兩步隨機(jī)接入機(jī)制的深度解析和未來增強(qiáng)［Ｊ］． 移動(dòng)通信，２０２２，４６（１）：８４－９０．

［１１］聶玉卿，崔高峰，王衛(wèi)東． 衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩步隨機(jī)接入技術(shù)研究［Ｊ］． 電訊技術(shù)，２０２１，６１（１１）：１３５７－１３６４．

［１２］韓欣洋． ５Ｇ 衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩步隨機(jī)接入信道資源配置研究［Ｄ］． 北京：中國科學(xué)院大學(xué)，２０２３．

［１３］甄立． 低軌ＬＴＥ 衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)上行同步關(guān)鍵技術(shù)研究［Ｄ］． 西安：西安電子科技大學(xué)，２０１８．

［１４］石文孝． 通信網(wǎng)理論與應(yīng)用［Ｍ］． 北京：北京大學(xué)出版社，２００９．

［１５］３ＧＰＰ． Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｎｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＴＳ ３８． ２１１（Ｖ１５． １． ０）［Ｓ］． ［Ｓ． ｌ． ］：３ＧＰＰ，２０１８．

［１６］ＣＨＯ Ｙ Ｓ，ＫＩＭ Ｊ，ＹＡＮＧ Ｗ Ｙ，ｅｔ ａｌ． ＭＩＭＯＯＦＤＭ Ｗｉｒｅ-ｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｍａｔｌａｂ［Ｍ］． Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ"Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２０１３．

［１７］ＨＵＡ Ｍ，ＷＡＮＧ Ｍ，ＹＡＮＧ Ｗ，ｅｔ ａｌ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｒｅ-ｑｕｅｎｃｙ Ｏｆｆｓｅｔ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｉｇｎａｌｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ"Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１３，６１（１１）：４７２８－４７４０．

［１８］３ＧＰＰ ＴＳＧ ＲＡＮ． Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ２Ｒｏｏｔｅｄ ＰＲＡＣＨ Ｐｒｅａｍ-ｂｌｅ［Ｒ］． Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ：Ｑｕａｌｃｏｍｍ，２０１９．

［１９］３ＧＰＰ ＴＳＧ ＲＡＮ． ＲＡＣＨ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ａｎｄ ＵＬ Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ"ｆｏｒ ＮＴＮ［Ｒ］． Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ：Ｑｕａｌｃｏｍｍ，２０１９．

作者簡(jiǎn)介：

賴禹新 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：無線通信／ 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。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：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（２０２２ＹＦＢ２９０２６０４）；深圳市科技計(jì)劃（ＫＪＺＤ２０２３０９２８１１２７５９００２）；國家自然科學(xué)基金（６２３７１０２０）；北京市自然科學(xué)基金（Ｌ２３２０４４）