基于SG-TDOA分區方案衛星隨機接入能力分析

2019-06-27 00:22:30 移動通信2019年5期

姜垚先 秦浩

【摘? 要】針對GEO衛星通信系統隨機接入碰撞概率高、往返時延大等問題,提出了一種基于SG-TDOA分區的方案,通過等時延差線對地面波束覆蓋小區進行分區,利用覆蓋用戶的兩顆衛星協同定位,獲取用戶終端的分區位置信息并對往返時延進行補償,增大隨機接入前導集,增強隨機接入能力。仿真結果表明:與傳統衛星隨機接入方案相比,所提出的方案在隨機接入能力方面有很大的改進,同時可以降低隨機接入的碰撞概率。

【關鍵詞】空間分區;隨機接入;衛星通信;碰撞概率

中圖分類號:TN927

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2019)05-0009-05

1? ?引言

空天地海一體化通信網是國民經濟和國家安全的重要基礎設施,有力地帶動了我國新興產業的發展,形成具有巨大潛力的核心競爭力和民族創造力,是我國信息網絡實現全球化覆蓋及萬物互聯的必由之路。空天地海一體化通信網由空間層和地面層組成,兩者通過星地間的鏈路實現全球覆蓋[1]。目前,我國空天地海一體化空間層骨干網絡架構主要有GEO單層骨干網絡和GEO(Geostationary Earth Orbit,地球靜止軌道)+LEO(Low Earth Orbit,低軌道)雙層網絡兩種方案[2],但與傳統陸地通信相比,GEO衛星波束小區具有更廣的覆蓋范圍和較高的傳輸時延。

針對GEO衛星波束覆蓋范圍廣的特點,現有的傳統衛星移動通信標準主要參考地面移動通信系統標準[3]中LTE的隨機接入過程,在波束內海量MTC業務與HTC業務共存情況下,標準LTE隨機接入會面臨接入資源明顯不足的問題,從而會造成較高的碰撞概率和網絡過載,會降低一體化通信網的吞吐量。因此,需要有效的隨機接入方法減輕碰撞概率較高的問題。Taehoon Kim在文獻[4]中提出了一種基于空間分組的隨機接入SGRA序列集合,通過將小區覆蓋空間劃分成多個分組區域并減小隨機接入前導序列的循環移位間隔來增加前導碼的數量,在一定程度上降低終端用戶的碰撞概率,證明了空間分組應用于衛星通信隨機接入過程有一定的研究價值。但是,該方案的前提是終端可以通過GPS、北斗等定位系統獲取自身位置信息[5]。

考慮到衛星通信傳輸時延較高的特點,SGRA方案不能直接應用于衛星通信。利用定位系統獲取終端用戶的位置信息,進而基于時延預補償方案,通過對往返時延差預補償的方式來消除隨機接入時間的不確定性,從而減小循環前綴的長度,進一步減小前導序列的長度,該方案可以滿足基本的通信要求[6]。

本文提出一種兩星到達時間差的分區(SG-TDOA, Spatial Group Based on Two-Satellite Time Difference of Arrival)方案。針對一體化通信網中多顆衛星協同通信的場景,利用終端用戶與通信網中兩顆衛星時延差特性對地面波束小區進行定位分區,將地面波束覆蓋小區劃分成不同的子區。一方面通過終端用戶與兩星時延差特征進行位置分區定位,對子區用戶終端的往返時延差進行預補償,在一定程度上降低子區用戶隨機接入到達時間的不確定性。另一方面,對地面波束覆蓋小區進行分區,增加可用前導總數,提升用戶終端的接入資源數量,減小前導沖突碰撞概率。仿真結果表明,與傳統衛星隨機接入方案相比,所提出的方案能夠有效地提高衛星通信隨機接入能力,同時可以降低隨機接入的碰撞概率。

2? ?系統介紹

2.1? 空間分組SGRA方案簡介

本文基于傳統地面SGRA方案提出的SG-TDOA分區方案,首先對文獻[7]中的SGRA方案進行簡單介紹。

LTE系統采用具有良好的自相關和零互相關特性的ZC(ZC, Zadoff-Chu)序列作為隨機接入前導序列,其定義為:

其中,NZC表示序列長度, u{1,…,NZC-1}為物理根序列號。在LTE系統中,可以通過ZC序列的不同循環移位NCS得到多個隨機接入前導序列。其中,循環移位NCS(d)=[(20d/3+τds)NZC/TSEQ],d表示小區半徑,τds表示小區的最大多徑時延擴展,NZC和TSEQ分別表示ZC序列的序列長度和序列持續時間。進而可以計算可用前導數NPAroot(d)=NZC/TCS(d),由此可以看出,可用前導數隨著小區半徑d的減少而增加。

圖1為小區空間分組SGRA(Spatial Group Based Random Access)方案模型示意圖,在該模型中,半徑為d的小區覆蓋區域被分成K個空間分組。第一個分組是半徑為d1的圓形覆蓋區域,其他分組分別是寬度為d2,d3,…,dK的環形區域。這K個分組循環移位偏移值NCS(dk)和可用前導數目NPAroot(dk)與dk有關,表示為:

從上述公式可以發現,由于每個分組的覆蓋距離dk小于小區半徑d,那么NCS(dk)NPAroot(d)。也就是說,對于小區內每個可用的根序列而言,基于空間分組生成的可用前導數大于不分組情況下的,從而增加了可用前導總數,進而提升了用戶終端的接入資源數量,降低了前導沖突碰撞概率。

但是,此SGRA方案終端用戶需要依靠導航定位系統進行輔助定位,終端通過定位信息確定自己所在的分區,解碼衛星廣播信號得到所在分組的邏輯跟序列號和循環移位值,生成隨機接入前導序列并發起隨機接入申請。此方案對于不借助輔助定位系統的單一衛星通信網和沒有配置GPS模塊的終端用戶并不適用。

2.2? SG-TDOA方案介紹

在空天地海一體化通信網場景下,終端用戶可以不依靠GPS、北斗等定位系統,利用兩顆衛星協同定位的方式來大致確定終端分區位置,為簡化通信過程、降低通信成本提供可能,由此提出SG-TDOA分區方案。

對SG-TDOA分區方案建模,首先介紹該模型所用到的三維空間直角坐標系。空間直角坐標系又稱為地固坐標系,坐標系原點在地球中心,各坐標軸與地球固定連接,Z軸與地球自轉軸重合指向北極,X、Y軸互相垂直并固定在赤道平面上,X軸由地心向外指向格林威治子午圈與赤道的交點,Y軸按右手系與X軸呈90°夾角。已知終端用戶的經緯度坐標U(α, β),將終端經緯度的地理坐標轉化為空間直角坐標U(x,y,z),轉換滿足式(4)關系,其中R代表地球半徑。

如圖2所示,已知衛星1星下點坐標(α1, β1)和衛星2星下點坐標(α2, β2),則兩衛星信號到達其共同覆蓋波束區域內某個用戶終端U(α, β)的時延差τi滿足方程:

其中,r1表示終端與衛星1之間的距離;r2表示終端與衛星2之間的距離;c代表光速3×108 m/s;H表示衛星高度與地球半徑之和。

假定兩衛星通過系統信息周期性同步廣播隨機接入相關的配置信息,由于兩顆衛星對應的星地距離不同,兩路廣播信號到達地面小區用戶的時間不同,存在時延差,將兩衛星共同覆蓋波束范圍內傳播時延差相等的地面位置連成曲線,定義為等時延差線。隨著τ的不同,等時延差線可以將兩衛星波束共同覆蓋的小區劃分成不同的子區。如圖3所示,對兩衛星波束共同覆蓋的小區設定等時延差間隔,K-1條等時延差線將小區劃分成{G1,G2,…,GK}共K個子區。

此處假設兩衛星位于GEO軌道,位置關于格林威治子午線對稱,則衛星1星下點的位置可以表示為(α1, 0),衛星2星下點的位置表示為(-α1, 0),將兩衛星位置坐標代入式(5)方程組展開化簡得:

式(2)到式(6)表示了終端用戶位置U(α, β)與兩星傳播時延差τ之間的關系,所以知道時延差τ即可對用戶位置U(α, β)信息進行粗略估計,確定終端用戶所在的分區位置,解碼SIB2信號得到所在子區的邏輯根序列號和循環移位值,生成隨機接入前導序列發起隨機接入申請。同時,終端用戶通過定位自己所在的分區位置,可以計算出用戶與衛星往返傳播時延的范圍,對用戶往返傳播時延進行補償。處于兩星波束共同覆蓋區域的某個終端用戶U(α, β)與衛星i的往返傳播時延可以表示為式(7):

由式(2)到式(7)則可以計算出兩星波束共同覆蓋區域的終端用戶信號到達衛星i的往返傳播時延的最大值和最小值,其差值表示最大往返傳播時延差△RTDi。對于SG-TDOA分區方案,同理可以計算出第k個子區Gk內終端用戶U(α, β)信號到達衛星i的最大往返傳播時延差△RTDi(k)。

針對傳統衛星通信系統覆蓋范圍廣、碰撞概率高的問題,基于SGRA分組方案提出SG-TDOA分區方案,通過分區對每個子區的前導序列重新設計,使得小區總的前導數量大于不分區情況下小區的前導數目,增加小區可用前導總數,降低前導沖突碰撞概率。針對衛星通信系統傳播時延大、終端用戶需要依靠導航定位系統輔助定位的特點,利用覆蓋用戶的多顆衛星協同定位獲取用戶終端的分區位置信息,加入往返時延補償方案,對波束覆蓋區域內終端的最小往返傳播時延進行補償,通過補償后的隨機接入前導序列CP持續時間只需克服最大往返時延差△RTDi帶來的時間不確定性。對基于SG-TDOA分區方案來說,利用終端用戶與兩顆衛星時延差特性進行協同定位獲取終端用戶所在的子區位置信息,各子區需對子區內終端最小往返時延進行補償,補償后各子區前導序列CP持續時間只需克服各自子區最大往返時延差△RTDi(k)帶來的時間不確定性。

2.3? 碰撞概率分析

如果同一小區中的多個終端在相同的RA時隙上發送相同的前導序列,則它們將收到相同的RA響應消息,進而接收到相同的上行鏈路授權和TA信息。然后,它們在相同的上行鏈路資源上發送它們所需的消息,這在第三步中引起碰撞。如果發生碰撞,衛星在第四步中不發送反饋消息。因此,終端識別出碰撞并推遲后續的RA。

設p表示碰撞概率,整個小區碰撞概率表示為[8]:

其中W(x)為朗伯W函數;NPA代表小區中前導序列的數量;λ表示終端設備隨機接入到達率(單位sec-1);M表示單個小區中終端設備數;TRACH表示PRACH時隙周期。因此,小區中第k個子區碰撞概率為:

其中NkPA代表第k個子區中前導序列的數量;Mk表示第k個子區中終端設備數目。

3? ?模型評估

3.1? 終端分區定位分析

下面針對所提出的SG-TDOA分區方案終端用戶分區定位效果進行仿真分析,此處仿真所選取衛星的參數如表1所示,其中方位角是衛星波束中心和星下點連線與衛星運行方向的夾角;仰角是衛星波束中心和衛星連線與地平線的夾角。衛星子波束半徑取300 km,分區等時延差間隔取90μs。

兩衛星周期性同步廣播隨機接入相關的配置信息,假設終端用戶測得兩衛星廣播信號時延差為1 300μs,通過SG-TDOA分區方案式(6)的推導對終端分區位置信息進行估計,仿真結果如圖4所示。

如圖4所示,90μs的等時延差線間隔將兩衛星共同覆蓋的小區劃分為5個子區,當終端用戶測得兩衛星廣播信號時延差為1 300μs時,仿真得到終端位置位于時延差范圍為(1 350, 1 260]的子區內,由此可以得出SG-TDOA分區方案可以對終端分區位置信息進行準確的估計。

3.2? 碰撞概率分析

基于表1衛星位置及波束參數和表2小區隨機接入前導序列參數衛進行仿真,證明所提出的基于SG-TDOA分區隨機接入方案前導序列在MAC層的碰撞概率方面性能的改進。

假設M個終端在兩衛星波束覆蓋范圍內服從指數分布訪問網絡。當終端數量M不同時,基于SG-TDOA分區隨機接入方案與傳統隨機接入方案的碰撞概率如圖5所示:

圖5是不同RA方案碰撞概率曲線,從圖中可以看出,當終端數量M=200 000時,所提基于SG-TDOA分區隨機接入方案碰撞概率為5.05%,基于傳統隨機接入方案碰撞概率為11.14%。另一方面,如果設定隨機接入碰撞概率為1%,基于SG-TDOA分區隨機接入方案小區可容納的終端數量為40 401,基于傳統隨機接入方案小區可容納的終端數量為19 001,基于SG-TDOA分區隨機接入方案容納的終端數量為傳統隨機接入方案的2.126 3倍。

4? ?結論

本文針對GEO軌道衛星通信系統提出SG-TDOA分區方案,利用覆蓋用戶的兩顆衛星協同定位獲取用戶終端的分區位置信息對往返時延進行補償,同時通過分區增加了終端可用前導總數,提升了用戶終端的接入資源數量,降低了前導沖突碰撞概率。仿真結果表明,與傳統衛星隨機接入方案相比,基于SG-TDOA分區隨機接入方案在增加用戶容納數量和降低碰撞概率方面性能更加優越,證明SG-TDOA分區方案降低隨機接入碰撞概率的可行性,同理,此方案還可以進一步推廣至IGSO衛星通信系統。

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