CN105915315B - 天地一体化系统面向随机接入的lte帧结构改进方法 - Google Patents

Abstract

天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法及获得的LTE帧结构，涉及卫星通信及地面通信技术领域，是为了解决将地面LTE系统随机接入方式直接运用于天地一体化系统的卫星移动通信时，由于卫星系统时延大、波束覆盖范围广、用户随机分布等特点而带来的卫星对终端用户的检测性能较差和用户频繁重新接入导致接入功率攀升影响系统性能的问题提出的。本发明的核心思想是针对卫星通信固有的长往返时延、大覆盖范围、卫星信道慢衰落等特点，根据静止轨道卫星系统的评估参数，将LTE系统的帧结构，包括循环前缀CP、前导序列Preamble和保护间隔GT进行改进设计以应用于卫星通信网络。本发明适用于天地一体化系统中。

Description

天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法

技术领域

本发明涉及卫星通信及地面通信技术领域。

背景技术

随着第三代、第四代移动通信技术(3G、4G)在全球范围普及商用，LTE及其演进版本LTE-Advanced，被普遍认为是未来通信最具竞争力的演进之路。2012年1月国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union)批准LTE-Advanced技术规范为国际移动通信(IMT-Advanced,International Mobile Telecommunications-Advanced)国际标准之一，LTE及LTE-Advanced技术将极大促进世界移动通信的发展。

而为了真正实现来自任何人、任何时候、任何地点的任何类型的通信，卫星通信系统是必不可少的。1965年4月6日，世界上第一颗商用通信卫星“晨鸟”发射升空，自此卫星移动通信登上了通信历史的舞台。之后，卫星通信不论是在军事还是民用领域，都得到了非常广泛的应用；并在上世纪70到80年代到达了鼎盛时期。90年代以后，随着地面蜂窝移动通信以及光纤通信的快速崛起，卫星通信失去了传统的陆地通信等业务。进入新世纪以来，卫星通信作为地面通信的重要补充部分，扬长避短，与地面通信系统形成了相互竞争、互为补充的格局。在军事应用中，卫星通信仍然是其他手段所不能取代的通信方式，而现代战争对卫星通信提出更高的要求，需要卫星信息可以直接战术应用；在政治、经济和文化领域中，卫星通信弥补了其他通信方式的不足之处，在抢险、救灾和处理突发事件的应急通信中扮演了及其重要的角色。

目前，在天地一体化系统中，绝大多数通信卫星是GEO卫星，这是由于其通信距离远，费用与通信距离无关；覆盖面积大；通信质量较高；系统能够以最少的卫星实现全球覆盖，GEO卫星系统相对来说比较简单。在这样的优势下，在GEO卫星移动通信系统中引入LTE技术，提高了卫星通信能力。

发明内容

本发明是为了解决将地面LTE系统随机接入方式直接运用于天地一体化系统中的GEO卫星移动通信时，由于卫星系统时延大、波束覆盖范围广、用户随机分布的特点而带来的卫星对终端用户的检测性能较差和用户频繁重新接入导致接入功率攀升影响系统性能的问题，从而提供一种天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法。

天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法，它包括以下步骤：

步骤一、选定保护间隔GT的步骤，具体为：

设卫星的波束半径为R_beam，波束内最小仰角为θ_min，地心、波束最远端点、卫星组成的角度为θ_far，卫星到波束最远端点A的距离为L_far以及卫星到波束最近端点B的距离为L_near；

首先根据公式：

θ_far＝θ_min+90°

计算可得卫星到波束最远端点A的距离L_far；式中：R_earth是地球半径，H_s是卫星到其赤道投影点的距离；

同理，计算可得卫星到波束最近端点B的距离L_near；

根据波束内最大传输距离RTD_max和最近传输距离RTD_min的差值，可得波束内的最大传输时延差ΔT为：

ΔT＝RTD_max-RTD_min＝(L_far-L_near)/C

其中，C是光的传播速度；

则保护间隔GT的长度T_GT为：

T_GT＝ΔT；

步骤二、选定循环前缀CP的步骤，具体为：

根据公式：

T_CP＝T_GT

选定循环前缀CP的长度T_CP；

步骤三、选定接入前导Preamble的步骤，具体为：

所述接入前导Preamble由具有零相关区的根ZC序列产生，第u个根ZC序列定义为：

u为正整数；N_ZC为根ZC序列的总数，n为根ZC序列的个数；

基于第u个根ZC序列，具有长度为N_CS-1的零相关区的随机接入前导，按照下述方式进行循环移位获得，即：

x_u,v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC)

其中：

变量d_u是幅度为1/T_SEQ的多普勒偏移对应的循环移位值，且：

其中：循环移位受限集合的参数取决于变量d_u；

当N_CS≤d_u<N_ZC/3时，参数如下：

当N_ZC/3≤d_u≤(N_ZC-N_CS)/2时，参数如下：

对于其他d_u的取值，在限制集合中没有循环移位；

步骤四、选定接入时隙长度的步骤；

采用前导信号时长可采用重复6次的方式确定接入时隙长度；

步骤五、根据步骤一至步骤四选定的参数，根据公式：

T_frame＝T_CP+T_GT+T_SEQ

获得LTE帧的长度；完成应用于卫星系统的LTE帧结构改进。

本发明获得的有益效果：设定一个卫星波束内用户均匀分布，同时发起随机接入的用户数较少，采用常规的最大似然检测准则即可检测用户前导的正确接收概率。在同时接入用户数不同的情况下，帧结构改进后相比于改进前，前导的正确接收概率得到显著增加，从而卫星对终端用户的检测性能得到显著提升。

本发明针对天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法展开研究，针对性地给出了适用于GEO卫星环境下关键技术的改进方案，提高了无线资源利用率及服务质量，确保了高速、可靠和大容量的通信需求，具有较高的理论研究价值和现实意义。

附图说明

图1是LTE系统随机接入前导的四种格式；

图2是本发明进行接入前导改进设计计算波束内最大时延差时的示意图；

其中，地球地心O为圆心，卫星在赤道上的投影点记为S₀，卫星波束最远端点为A，最近端点为B，卫星的波束半径为R_beam，波束内最小仰角为θ_min，卫星到波束最远端点A的距离为L_far以及卫星到波束最近端B的距离为L_near；

图3是本发明的针对LTE帧结构改进后的适用于天地一体化系统GEO卫星部分的随机接入帧结构示意图；

其中，随机接入时隙时长为9ms，即保护间隔GT时长2.1ms，前导序列Preamble时长4.8ms，循环前缀CP时长2.1ms；

图4是在同时接入用户数不同的情况下，帧结构改进前后，接入前导正确接收概率性能的对比仿真示意图；

其中，曲线41是帧结构改进前的前导正确接收概率曲线；曲线42是帧结构改进后的前导正确接收概率曲线；

具体实施方式

具体实施方式一、天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法，它包括以下步骤：

步骤一、保护间隔GT、循环前缀CP的改进设计：

卫星通信系统所能够支持接入的最大小区半径由保护间隔的时长决定，保护间隔T_GT与一个波束内的最大往返时延RTD相关。GT长度的选取存在特定的原则，即保护间隔的长度：

T_GT＝RTD_max-RTD_min

假设卫星的波束半径为R_beam，波束内最小仰角为θ_min，地心、波束最远端点、卫星组成的角度为θ_far，卫星到波束最远端点A的距离为L_far以及卫星到波束最近端点B的距离为L_near。

首先计算L_far：

θ_far＝θ_min+90°

同理：可以计算出L_near，根据波束内最大传输距离和最近传输距离的差值，可以得出波束内的最大传输时延差ΔT为：

ΔT＝RTD_max-RTD_min＝(L_far-L_near)/C

其中，参数C代表光的传播速度。在GEO卫星波束覆盖方面，采用相关文献中的参数设计，即波束覆盖半径R_beam为450千米，最小仰角θ_min为33°，带入公式，可得到一个卫星波束下的最大时延差将达到：

ΔT＝2.1ms

那么所需的保护间隔的时长为：

T_GT＝ΔT＝2.1ms

循环前缀CP的长度决定了所能支持的接入半径，在设计时，需要满足CP长度大于卫星无线信道最大时延差的要求，CP值的设置往往与GT相同，即：

T_CP＝T_GT＝2.1ms。

步骤二、接入前导Preamble的改进设计：

在LTE系统中，随机接入前导由具有零相关区的ZC序列产生。每个小区具有64个可用的接入前导(前导用来代表用户的身份信息)，这64个前导序列通过一个根ZC序列的循环移位产生，当这64个前导不能通过单一的根ZC序列产生时，额外的前导序列通过后续的多个根序列获得，直到其数目达到64个。

第u个根ZC序列定义为：

基于第u个根ZC序列，具有长度为N_CS-1的零相关区的随机接入前导，按照下述方式进行循环移位获得，即：

x_u,v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC)

其中：

变量d_u是幅度为1/T_SEQ的多普勒偏移对应的循环移位值，由下面的公式给出：

循环移位受限集合的参数取决于d_u。当N_CS≤d_u<N_ZC/3时，参数如下：

当N_ZC/3≤d_u≤(N_ZC-N_CS)/2时，参数如下：

对于其他d_u的取值，在限制集合中没有循环移位。

用户通过循环移位的计算，可以得到不同的前导码，LTE系统中根据该ZC序列可得到64个不同的前导码，其时长为0.8ms。为了适用于卫星通信系统，通过采用重复前导序列Preamble的方式可以增加卫星对终端用户前导序列的检测性能。

步骤三、接入时隙长度的确定：

参考LTE系统的设计思想，为了适应于卫星通信系统，对CP、GT以及Preamble进行了改进设计。为了满足GEO卫星的波束范围，经上述理论推导，保护间隔时长为2.1ms，循环前缀时长为2.1ms，而随机接入时隙也要满足一定的时长，根据S-UMTS版本ver3.1.1中关于随机接入帧时长的设定，则前导信号时长可采用重复6次的方式，即T_SEQ＝4.8ms，则此时帧长为T_frame＝T_CP+T_GT+T_SEQ＝9ms。

名词解释：

GEO：Geosynchronous Earth Orbit，静止轨道；

LTE：Long Term Evolution，长期演进；

CP：Cyclic Prefix，循环前缀；

GT：Guard Time，保护间隔；

RTD：Round-Trip Delay，卫星系统大的往返时延；

具体实施方式二、天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法，它由以下步骤实现：

步骤一、在对保护间隔GT进行改进设计时，进行理论推导所所述方法如图2所示：

卫星通信系统所能够支持接入的最大小区半径由保护间隔的时长决定，保护间隔T_GT与一个波束内的最大往返时延RTD相关。GT长度的选取存在特定的原则，即保护间隔的长度：

T_GT＝RTD_max-RTD_min (1)

图2中，卫星的波束半径为R_beam，波束内最小仰角为θ_min，地心、波束远端点、卫星组成的角度为θ_far，卫星到波束最远端点A的距离为L_far以及卫星到波束最近端B的距离为L_near。

首先是对L_far计算：

从图2中可以看出，L_far线段AS位于ΔOAS中，设∠OAS为θ_far，则θ_far可表示为：

θ_far＝θ_min+90° (2)

根据三角函数余弦定理可以得到：

(R_earth+H_s)²＝R_earth ²+L_far ²-2R_earthL_farcosθ_far (3)

进一步的化简可得到：

L_far ²-2R_earthcosθ_farL_far-H_s ²-2R_earthH_s＝0 (4)

对上述方程求解可得：

代入公式(3)可得：

考虑到实际情况，L_far只能为正数，故公式进一步转化为：

同理可以计算出L_near，根据波束内最大传输距离和最近传输距离的差值，可以得出波束内的最大传输时延差ΔT为：

ΔT＝RTD_max-RTD_min＝(L_far-L_near)/C (8)

其中，参数C代表光的传播速度。在GEO卫星波束覆盖方面，采用相关文献中的参数设计，即波束半径R_beam为450千米，最小仰角θ_min为33°，带入公式(7)和公式(8)，可得到一个波束下的最大时延差将达到：

ΔT＝2.16ms (9)

那么需要保护间隔时间：

T_GT＝ΔT＝2.16ms (10)

即65560个T_S，其中T_S为LTE系统采样间隔，其值为1/(15000*2048)秒。

OFDM技术能有效克服频域上的干扰问题，但是无法克服由于多径时延造成的符号间干扰和子载波正交性破坏问题。多径时延表现为信号经过无线信道后发生的较大时延及幅度衰减。对此，在每个OFDM符号之前加入循环前缀CP。只要各径的多径时延与定时误差之和不超过CP长度，就能保证接收机积分区间内包含的各子载波在各径下的整数波形，从而消除多径带来的符号间干扰和子载波间的干扰(ICI)。

循环前缀CP的长度决定了所能支持的接入半径，在设计时，需要满足CP长度大于信道最大时延差的要求，CP值的设置往往与GT相同，即：

T_CP＝T_GT＝2.1ms (11)

步骤二、对接入前导Preamble的改进设计：

通过保护间隔和循环前缀的修改设计可以满足波束内的时延差，为了进一步提高卫星接收用户信号的质量，需要增加接入前导Preamble的长度。

在LTE系统中，随机接入前导由具有零相关区的ZC(Zadoff-Chu)序列产生，它由一个或者多个根ZC序列产生。网络配置终端允许使用的前导序列集合。在每个小区中有64个可用的前导。一个小区中这64个前导序列的集合由一个根ZC序列的所有循环移位组成，其根ZC序列对应的逻辑序号RACH_ROOT_SEQUENCE由系统广播，这些前导序列按照循环移位的增序进行排列。在64个前导不能通过一个单一的根ZC序列产生时，额外的前导序列通过后续的多个根序列获得，直到其数目达到64个。逻辑根序列的顺序是从0～837循环的。第u个根ZC序列定义为：

其中根ZC序列的长度N_ZC在格式0～3的情况下取值为839，格式4是为139。根据卫星通信系统中的波束覆盖情况，选取839。基于第u个根ZC序列，具有长度为N_CS-1零相关区的随机接入前导，按照下述方式进行循环移位获得，即：

x_u,v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC) (13)

其中：

其中N_CS分别由格式0～3得到。变量d_u是幅度为1/T_SEQ的多普勒偏移对应的循环移位值，由下式给出，即：

循环移位受限集合的参数取决于d_u。当N_CS≤d_u<N_ZC/3时，参数如下：

当N_ZC/3≤d_u≤(N_ZC-N_CS)/2时，参数如下：

对于其他d_u的取值，在限制集合中没有循环移位。

用户通过循环移位的计算，可以得到不同的前导码，LTE系统中采用该ZC序列可计算出共有64个不同的前导码，其时长为0.8ms。通过重复Preamble可以增加卫星对终端前导序列的检测性能。

步骤三、接入时隙长度的确定：

参考LTE系统的设计思想，为了适应于天地一体化下的卫星通信系统，对CP和GT以及Preamble进行了改进设计。为了满足GEO卫星的波束范围，保护间隔GT的时长为2.1ms，循环前缀CP时长为2.1ms，而随机接入时隙也要满足一定的时长，根据S-UMTS版本ver3.1.1中关于随机接入帧时长的设定，则前导信号时长可采用重复6次的方式，即T_SEQ＝4.8ms，则此时帧长为T_frame＝T_CP+T_GT+T_SEQ＝9ms，设计后的适应于卫星系统的帧格式如图3所示。

本发明的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，提高了接入前导的正确接收概率，从而提高了卫星终端用户的随机接入概率性能。

以下以具体仿真试验验证本发明的效果：

在MATLAB环境中对上述改进方案进行仿真，从图4中可以很清晰地看到，帧结构改进前，也就是将LTE系统的帧结构直接应用于天地一体化背景下的GEO卫星系统，终端用户的正确接收概率很低，当用户数超过5时，其正确接收概率已降至0.1左右，严重影响系统性能，此时卫星已无法正常接收。根据GEO卫星系统的特点，进行帧结构的改进后，用户的正确接收概率得到显著增加。并且，从图4中可以看出，随着同时接入用户个数的增加其接入前导正确接收概率随之降低，这是由于随着同时接入用户个数增加，发生碰撞的概率则越大，导致接入前导的正确接收概率降低。

具体实施方式三、基于具体实施方式一或二所述的天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法获得的LTE帧结构。

本发明的优点：

1、本发明中研究了用户终端对卫星系统进行上行随机接入过程中帧结构的组成。

2、本发明的应用背景是天地一体化系统的GEO卫星，其具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、通信质量较高、系统能够以最少的卫星实现全球覆盖等优势，而目前绝大多数通信卫星是GEO卫星，因此本发明有着一定的普适性。

3、本发明可以在不增加接收窗口大小的情况下使用常规检测方法即可达到检测需求。

4、本发明最大化了卫星通信系统与地面通信系统空中接口的通用性，这对卫星通信系统来说，是一种高性价比的配置。

5、本发明能够有效提高用户接入前导正确接收概率性能。

6、本发明降低了卫星通信系统成本的同时保证了与地面蜂窝网络的互操作性。

7、本发明针对基于LTE的运用于天地一体化GEO卫星通信系统的上行随机接入技术展开研究，针对性的给出适用于该环境下关键技术的改进方案，提高了无线资源利用率及服务质量，确保了高速、可靠和大容量的通信需求，具有较高的理论研究价值和现实意义。

Claims (4)

1.天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤一、选定保护间隔GT的步骤，具体为：

设卫星的波束半径为R_beam，波束内最小仰角为θ_min，地心、波束最远端点、卫星组成的角度为θ_far，卫星到波束最远端点A的距离为L_far以及卫星到波束最近端点B的距离为L_near；

首先根据公式：

θ_far＝θ_min+90°

计算可得卫星到波束最远端点A的距离L_far；式中：R_earth是地球半径，H_s是卫星到其赤道投影点的距离；

同理，计算可得卫星到波束最近端点B的距离L_near；

根据波束内最大传输距离RTD_max和最近传输距离RTD_min的差值，可得波束内的最大传输时延差ΔT为：

ΔT＝RTD_max-RTD_min＝(L_far-L_near)/C

其中，C是光的传播速度；

则保护间隔GT的长度T_GT为：

T_GT＝ΔT；

步骤二、选定循环前缀CP的步骤，具体为：

根据公式：

T_CP＝T_GT

选定循环前缀CP的长度T_CP；

步骤三、选定接入前导Preamble的步骤，具体为：

所述接入前导Preamble由具有零相关区的根ZC序列产生，第u个根ZC序列定义为：

u为正整数；N_ZC为根ZC序列的总数，n为根ZC序列的个数；

基于第u个根ZC序列，具有长度为N_CS-1的零相关区的随机接入前导，按照下述方式进行循环移位获得，即：

x_u,v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC)

其中：

变量d_u是幅度为1/T_SEQ的多普勒偏移对应的循环移位值，其中T_SEQ为前导信号时长，且：

其中：循环移位受限集合的参数取决于变量d_u；

当N_CS≤d_u<N_ZC/3时_，参数如下：

当N_ZC/3≤d_u≤(N_ZC-N_CS)/2时，参数如下：

对于其他d_u的取值，在限制集合中没有循环移位；

步骤四、选定接入时隙长度的步骤；

采用前导信号时长可采用重复6次的方式确定接入时隙长度；

步骤五、根据步骤一至步骤四选定的参数，根据公式：

T_frame＝T_CP+T_GT+T_SEQ

获得LTE帧的长度；完成应用于卫星系统的LTE帧结构改进。

2.根据权利要求1所述的天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法，其特征在于步骤一中，选定保护间隔GT的步骤中，波束半径R_beam为450千米，最小仰角θ_min为33°，则波束内的最大传输时延差ΔT为：

ΔT＝2.1ms。

3.根据权利要求2所述的天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法，其特征在于保护间隔T_GT的时长为：

T_GT＝ΔT＝2.1ms。

4.根据权利要求2所述的天地一体化系统面向随机接入的LTE帧结构改进方法，其特征在于前导信号时长：

T_SEQ＝4.8ms。