图6 卫星移动通信网络体系架构
从图可以看出，卫星移动通信网络结构较为复杂，直接将 LTE技术用于整个系统架构并不切合实际，考虑到终端与卫星之间通信的特殊性，本节的研究为图6中红色框图部分。由于卫星通信环境和地面通信环境的差异，将 LTE技术引入到卫星移动通信系统中必须要考虑到新系统的上行接入技术的适应性问题，例如卫星信道的大延迟和各种衰落。
首先，在卫星轨道选择方面，我们主要考虑 GEO 卫星信道，GEO 卫星通信系统具备系统构成简单而且易于建设等优点。其次，考虑到卫星链路传播时延、自由空间损耗、附加衰减等问题，采用 Ka 波段的卫星通信系统，最后结合 LTE系统讨论将LTE 技术引入到卫星通信系统中的适应性：如 GEO 信道的大时延特性、自由空间损耗、附加衰减等，需要对随机接入帧的导频、保护间隔、上行同步技术以及功率控制技术作相应的解决方案。
以上卫星通信的特征是约束卫星通信中引入 LTE技术主要因素，在此基础上参考卫星通信系统中引入 3G 技术所采用的系统模型和 LTE 网络架构，给出本文的基于 LTE的GEO 卫星通信系统的网络系统架构模型，如图 7 所示。
图7 基于LTE 的GEO 卫星移动通信系统网络结构
其中，GeNB 为信关节点 B(GeNB, Gateway-station eNode B)。由图可以看出，该网络
架构主要由核心网和接入网组成。核心网中有较多节点连接，而接入网只有终端一个接入节点。本文研究是基于接入网中的终端和卫星之间的接口，继而对其上行接入技术展开研究。下面讨论卫星信道特性及 LTE系统下的随机接入技术、上行同步技术和功率控制技术的理论基础。
5.2 卫星移动通信信道特性分析
电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，已经成为通过各个路径到达的合成波，即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏很大，称为多径衰落。电波途径建筑物、树林等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对卫星移动通信系统的电波传播影响很大。 5.2.1 信道的传播特性
多普勒效应：在卫星移动通信过程中，当用户终端与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的发射端载频发生频移，即多普勒效应引起的附加频移。如果在数字通信中采用相关解调，此时若发生多普勒频移，则会对通信造成巨大的影响，它可由下式表示：
?fD?fcvcosa
式中，?fD为多普勒频移，a为终端运动方向与入射电波之间的夹角，
fc为载波频率，
v 为移动终端的径向速度。从公式可以看出，多普勒频移?fD与载波频率、终端的径向速度v 成正比。
电离层闪烁：当电波通过电离层时，受电离层结构的不均匀性影响，造成信号振幅、相位等的短周期不规则变化，称作电离层闪烁现象。电离层闪烁效应能导致地空无线电系统的信号幅度、相位的随机起伏。使系统性能下降，严重时可造成通信系统、卫星导航系统、地空目标监测系统信号中断。 恶劣的空间环境将极大影响电子信息系统的工作性能，电离层闪烁是对电子信息系统影响最为严重的一种现象。对卫星通信系统来说，电离层闪烁会导致信号幅度的衰落，使信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。2001 年4 月美侦察机撞毁我战斗机事件后的搜寻飞行员期间，电离层闪烁造成卫星通信部分时间中断。给搜寻工作、形势判断和决策造成很大困难。 5.2.2 接收信号包络分布
卫星接收信号的包络的概率分布模型主要可以分为三种，分别是服从瑞利(Rayleigh)分布、服从莱斯(Rician)分布以及服从对数高斯(Lognormal)分布。主要区别在于各传播路径分量达到接收端的大小。
瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。当接收信号没有直射只有多径分量时，其信号包络服从瑞利分布，相位服从[0，2π]均匀分布。
f(z)?z其中，变量z 表示归一化接收信号幅度取样值，?为接收到的信号的均方根。 莱斯分布是指当在没有遮蔽的情况下，周围环境较为开阔，此时接收信号包括一条直射分量和多径分量，其信号包络服从莱斯分布，相位服从[0，2π]均匀分布，
?2exp(?z2?2),z?0
f(z)?z?2exp[?12?2(z2?A2)]I0(Az?2),z?0
其中，参数 A代表信号主峰的幅度，
I0是修正的0 阶第一类贝塞尔函数。莱斯分布常
用参数 K来描述，K定义为确定信号的功率与多径分量方差之比。
K 称作莱斯分布的莱斯因子，其值的大小决定了莱斯分布情况。在上述公式中，当 A无限趋于0 时，莱斯分布就转变为瑞利分布。
对数高斯分布当用户接收信号r(t)中直射分量被部分遮挡时，其信号幅度服从对数高斯分布，相位服从[0，2π]均匀分布。
r(t)?(u1(t)?u3(t))2?(u2(t)?u4(t))2其中，
u1(t)、u2(t)、u3(t)、u4(t)为互不相关的对数高斯过程。
从频率响应角度看，多径散射现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。如果信号带宽过大，就会引起严重的失真。若用?(t)表示多径时延，用 Bc表示多径信道的相干带宽。通常，相干带宽可按照下式估算得到：
Bc?1/2???(t)
相干带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。也就是说，衰落信号中的两个频率分量，当其频率分量间隔小于相干带宽时，它们是相关的，其衰落具有一致性，当其间隔大于相干带宽时，其衰落就不具有一致性。
5.3 上行接入相关技术分析
在分析了基于 LTE 的 GEO 卫星移动通信系统模型以及其信道特性的基础上，本节对其上行接入相关技术进行研究分析。即对包括LTE系统在内的地面移动通信系统的随机接入技术、上行同步技术和功率控制技术进行理论分析。 5.3.1 上行随机接入
随机接入技术实质上是一种信道共享技术，它规定了用户按照一定的协议来发送数据，使网络内的所有用户均可自由接入网络，但同时不可避免的引入了网络内不同用户的信息碰撞，继而导致信息的丢失和重发，因此碰撞是导致性能下降的主要因素。随机接入过程需要基站和终端的协作下共同完成，基站的主要工作就是接收来自不同终端的前导信息和接入信息，终端的主要工作就是发送前导信息和随机接入信息。终端需要不断的发送前导直到收到基站的确认信息为止，在发送前导的过程中，终端需要定时增加发送功率来提高接入成功的可能性。基站对来自终端的在目标信号干扰比(SIR, Signal to Interference Ratio)门限以上的接收信号发送确认信息给终端。目标 SIR 主要通过系统消息获得。
通常考察随机接入性能的主要指标是吞吐量、时延和接入成功概率。常用的随机接入协议包括：ALOHA、树形多址和预约时隙协议等，LTE 系统的随机接入协议是采用基于资源预留的时隙 ALOHA 协议，下面对LTE系统的随机接入和卫星通信系统的多址接入进行探讨，并分析了LTE 系统的随机接入引入到卫星通信系统中存在的问题及难点。 5.3.1.1 LTE 随机接入策略分析
LTE 是传统 3G 系统的演进系统，LTE 的随机接入继承了传统 3G 系统的部分功能，同时也存在一些区别。LTE 的上行采用的是基于单载波频分多址(SC-FDMA, Single Carrier Frequency Division Multiple Access)的传输技术，下行采用的是基于正交频分多址接入(OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access)的传输技术：而传统的 3G 系统都 是基于码分多址(CDMA, Code Division Multiple Access)的传输技术。在LTE系统中，随机接入是一个基本功能，终端用户只有通过随机接入过程，与系统的上行同步以后，才能够被系统调度来进行上行的传输。具体的功能是实现用户设备(UE, User Equipment)和网络的同步，解决冲突，分配资源和上行通信资源的分配。LTE系统的随机接入协议采用基于资
源预留的时隙 ALOHA方式协议，即用户是先申请后调度接入。ALOHA(Additive Link On-line Hawaii system)是最早提出的随机接入协议，其工作原理如图8 所示。每个站均可以自由地发送数据帧，如果不同站之间的数据帧有部分的重复，则冲突发生，所有冲突的数据需要重新发送。重发的策略是让各站等待一段随机的时间后，再重新发送数据。
ALOHA 的吞吐率和负载的关系为：
S?G?e?2G
如图 8 所示：当负载G?0.5时，可达到理论最大吞吐率S =0.184。当G>0.5时，吞吐率随着网络负载增加而减小，这段区域称为不稳定区域。当用户1 发送帧1 时，其他用户都未发送数据，所以用户 1 的发送必定成功。这里不考虑由信道不良而产生的误码。但随后用户2 和用户 3 发送的帧 2 和帧 3 在时间上重叠了一些，也就是产生了“碰撞”。碰撞的结果是使碰撞的双方（有时也有可能是多方）所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重传。但是发生碰撞的各方不能马上进行重传，因为这样做就必然会继续产生碰撞。
ALOHA 系统采用的差错策略是让各用户等待一段随机的时间，然后再进行重传。如果再发生碰撞，则需要再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。
图8 纯ALOHA 协议原理图
从图中可以看出，一个帧如欲发送成功，必须在该帧发送时刻之前和之后各一段时间（长度为帧的时长）内，没有其他帧的发送，否则就必产生碰撞而导致发送失败。ALOHA的吞吐率和负载的关系为 S=Ge?2G，当负载 G=0.5 时，S=0.5e=0.184。这是吞吐量 S 可能达
?1到的极大值。纯 ALOHA 协议的效率比较低，由于可能发生碰撞的时期为两个帧长，碰撞很容易发生。
为提高 ALOHA 系统的吞吐量，可以将所有用户在时间上都同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙（slot）
T0，同时规定，只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。这样
的 ALOHA 系统叫做时隙 ALOHA 或 S-ALOHA。其工作原理如图 9 所示。
图9 时隙ALOHA 协议原理图
从图9 可以看出，每一个帧在到达后，一般都要在缓存中等待一段时间（这时间小于Tslot），然后才能发送出去。当在一个时隙内有两个或两个以上的帧到达时，则在下一个时隙将产生碰撞。碰撞后重传的策略与纯 ALOHA 的情况相似。时隙 ALOHA的吞吐率和负载的关系为 S=Ge?G，当负载为N=1 时，时隙 ALOHA可以达到理论最大吞吐率 S=0.36。 LTE 随
机接入可分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。LTE 中初始的随机接入过程，
是一种基于竞争的接入过程。
基于竞争的随接入流程可分为 4 个步骤： （1）：前导序列传输 （2）：随机接入响应 （3）：MSG3 发送 （4）：冲突解决消息
所谓 MSG3，其实就是第三条消息，因为在随机接入过程中，这些消息的内容不固定，有时候可能携带的是 RRC 的连接请求，有时候可能会带一些控制信息甚至是业务数据包，因此简称为 MSG3。
基于非竞争的随机接入过程中，UE 发送的前导码与广播消息中用于竞争随机接入的前导码集合不同，并由 eNode B 事先分配好，因此 eNode B接收到此类随机接入前导码时可以唯一确定发送此前导码的 UE，而不会与其他 UE产生冲突。因而非竞争随机接入过程增加了eNode B为 UE指定随机接入前导码的准备步骤，减少了在基于竞争的随机接入过程中为碰撞解决而进行的第三步和第四步。
5.3.1.2 卫星移动通信系统上行随机接入问题分析 1、现有卫星移动通信系统上行随机接入策略
卫星通信较其他传输方式突出的优越之处在于它的大范围覆盖和广播特性。一个卫星转发器可以接通很多地球站/终端，如何将转发器容量按需求分配给各站/各终端，则需要使用不同的随机接入技术。
卫星通信系统随机接入涉及两方面的问题。一是各站发射的信号通过转发器时如何避免相互干扰；二是接收站如何从卫星转发的混合信号中识别出发给本站的信号。传统的卫星通信接入方式有时分多址(TDMA, Time Division Multiple Address)、频分多址（FDMA, Frequence Division Multiple Access）和 CDMA，他们是把卫星转发器的资源按时间分成