低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)多址接入?yún)f(xié)議研究*

高 倩，張更新

0 引 言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣，不受地理因素的影響，能經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)廣播、多址通信。尤其是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，還具有傳輸損耗小、傳播時延短、多顆衛(wèi)星組成的星座可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋、地面終端設(shè)計可以小型化的特點，因而成為輔助地面網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)萬物互連的最佳選擇之一。

低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景大體分為兩類：（1）時延容忍型應(yīng)用（Delay Tolerant Applications，DTA），如環(huán)境監(jiān)測、水文監(jiān)測等；（2）時延敏感型應(yīng)用（Delay Sensitive Applications，DSA），如智能電網(wǎng)、災(zāi)區(qū)救援等。本文主要討論DTA場景下低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)反向鏈路的多址接入技術(shù)[3]。

1 多址接入?yún)f(xié)議的性能分析

多址接入?yún)f(xié)議屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的鏈路層，工作于衛(wèi)星通信的上行鏈路，主要解決多個用戶如何共享傳輸介質(zhì)的問題，包括調(diào)整和控制各接入用戶數(shù)據(jù)包的傳輸、包的重傳及碰撞解決方案等。它的性能高低直接影響網(wǎng)絡(luò)高層協(xié)議的性能。低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中衛(wèi)星覆蓋范圍大，接入同一顆衛(wèi)星的用戶終端數(shù)較多，通信業(yè)務(wù)以短數(shù)據(jù)包為主，且具有突發(fā)性強(qiáng)、業(yè)務(wù)量分布不均勻的特點。由于衛(wèi)星的帶寬和功率資源都是有限的，如何提高帶寬利用率，以傳輸更多的數(shù)據(jù)，并保證在衛(wèi)星過境的短時間內(nèi)將盡可能多的數(shù)據(jù)傳輸至衛(wèi)星，是多址接入?yún)f(xié)議需要重點解決的問題。研究表明，隨機(jī)多址接入方式具有信令開銷小、靈活性高、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，比較適合應(yīng)用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)DTA應(yīng)用場景。下面將分別闡述傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議[4]及改進(jìn)后的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議，并分析其吞吐量性能。

1.1 傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議

1.1.1 純ALOHA（P-ALOHA）

純ALOHA（P-ALOHA）方式是最早的隨機(jī)多址接入方式，目前仍有廣泛應(yīng)用。此方式中，系統(tǒng)內(nèi)各用戶間無需任何協(xié)調(diào)，每個終端有數(shù)據(jù)分組到達(dá)就可以立即發(fā)送。如果由于碰撞造成分組丟失，則需經(jīng)過隨機(jī)時延后重發(fā)此分組。ALOHA最主要的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，用戶入網(wǎng)無需協(xié)調(diào)，且業(yè)務(wù)量較小時具有很好的時延性能。它的主要缺點在于，由于存在分組碰撞，其吞吐量較低，最高吞吐量只有18.4%，且存在信道的不穩(wěn)定性，即信道業(yè)務(wù)量大到一定程度后，由于發(fā)生分組碰撞的概率大大增加，信道吞吐量不再隨業(yè)務(wù)量增加而增加，而是減小。

1.1.2 具有捕獲效應(yīng)的ALOHA（C-ALOHA）

一般而言，由于各分組的發(fā)射功率基本相當(dāng)，因此發(fā)生碰撞后無法正確收到碰撞的分組。如果兩個碰撞分組的發(fā)射功率不同，則發(fā)生碰撞后功率低的分組無法被正確接收，但功率高的分組仍可能被正確接收。具有捕獲效應(yīng)的ALOHA（C-ALOHA）就是采用這種原理，通過合理設(shè)計各終端的發(fā)射功率，從而改善系統(tǒng)的吞吐量（最高可以達(dá)到P-ALOHA方式的3倍）。

并且該控制系統(tǒng)主要目的是通過控制導(dǎo)軌俯仰角α從而控制小球在導(dǎo)軌上的位置x，故可針對系統(tǒng)狀態(tài)量x和α設(shè)置偏差函數(shù)：

1.1.3 選擇拒絕ALOHA（SREJ-ALOHA）

選 擇 拒 絕ALOHA（SREJ-ALOHA） 仍 以P-ALOHA方式進(jìn)行分組發(fā)送，但它對P-ALOHA方式的改進(jìn)是把每個分組再細(xì)分為有限數(shù)量的小分組。每個小分組也有自己的報頭和前同步碼，可以獨立進(jìn)行差錯檢測。如果兩個分組發(fā)生碰撞，未遭碰撞的小分組仍可被正確接收，只需要重發(fā)發(fā)生碰撞的那部分小分組即可。雖然SREJ-ALOHA方式能得到比P-ALOHA方式高的吞吐量，但實際上需要將每個分組分為若干小分組，增加了額外開銷，IE它的吞吐量只能達(dá)到20%～30%?？梢哉f，SREJ-ALOHA具有P-ALOHA系統(tǒng)無需全網(wǎng)定時、同步及適于可變長度分組的優(yōu)點，又克服了P-ALOHA方式吞吐量低的缺點，但其實現(xiàn)要比P-ALOHA方式復(fù)雜。

傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議在業(yè)務(wù)量較小時具有很好的時延性能，但隨著業(yè)務(wù)量的增加，分組碰撞的概率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量性能并不理想。因此，研究者嘗試通過將傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議與TDMA方式相結(jié)合，以改善系統(tǒng)的吞吐量性能。

1.2 基于TDMA方式的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議

1.2.1 時隙ALOHA（S-ALOHA）

時隙ALOHA（S-ALOHA）[5]的基本方案：在以轉(zhuǎn)發(fā)器入口為參考點的時間軸上，等間隔地分成許多時隙；各終端發(fā)射的分組必須落入某一時隙內(nèi)，且必須要在一個時隙的開始位置才能發(fā)送分組；每個分組的長度不超過時隙長。通過這種改進(jìn)消除了P-ALOHA中存在的首尾碰撞情況，分組要么成功發(fā)送，要么完全碰撞。S-ALOHA的優(yōu)點是吞吐量比P-ALOHA增大1倍，最高吞吐量達(dá)到36.8%。缺點是全網(wǎng)需要定時和同步，每個分組的持續(xù)時間不能大于一個時隙的長度，且仍存在信道不穩(wěn)定性。

1.2.2 分集時隙ALOHA（DSA）

分 集 時 隙 ALOHA（Diversity Slotted Aloha，DSA）[6]在系統(tǒng)負(fù)載較小的情況下，比S-ALOHA的吞吐量高一些，但負(fù)載增加到一定程度后，它的吞吐量甚至要低于S-ALOHA。DSA在S-ALOHA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下改進(jìn)：終端有數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送時，先將這個數(shù)據(jù)分組發(fā)送1次，然后隨機(jī)等待幾個時隙再發(fā)送1次，使得這2次發(fā)送的數(shù)據(jù)分組位于同一幀的不同時隙，即通過增加發(fā)送次數(shù)的方式增加數(shù)據(jù)分組成功接收的概率。由于這種方式增加了系統(tǒng)的負(fù)載，使得分組碰撞概率增加，因此改進(jìn)的效果并不理想。

1.2.3 競爭解決分集時隙ALOHA（CRDSA）

競爭解決分集時隙ALOHA（Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA）[7]在DSA協(xié)議的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)：終端發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，為每個數(shù)據(jù)分組額外添加一個指針，指向該數(shù)據(jù)分組在同一幀里對應(yīng)副本的時隙位置。只要成功接收到一個數(shù)據(jù)分組，就能夠利用該數(shù)據(jù)分組中的時隙位置信息找到其副本分組，從而恢復(fù)被該副本分組干擾的數(shù)據(jù)分組。以此類推，直到不能再恢復(fù)出有效信息為止。CRDSA協(xié)議采用迭代干擾消除（Iterative Interference Cancellation）的方式，可以更加充分地利用發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包中含有的信息，提高了系統(tǒng)的吞吐量。圖1給出了上述三種多址方式的吞吐量與負(fù)載的關(guān)系曲線。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，CRDSA協(xié)議的吞吐量性能相比S-ALOHA、DSA方式有明顯改善。

圖1 SA、DSA和CRDSA的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

1.2.4 CRDSA++協(xié)議

CRDSA++協(xié)議[8]在CRDSA協(xié)議基礎(chǔ)上做了兩大改進(jìn)：一是增加發(fā)送數(shù)據(jù)分組的次數(shù)（CRDSA發(fā)送2次，CRDSA++發(fā)送3～5次），二是利用接收數(shù)據(jù)分組功率分布不平衡的特點，進(jìn)一步提高隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的吞吐量。圖2給出了幾種CRDSA++協(xié)議的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，雖然在同一幀中數(shù)據(jù)分組重發(fā)的次數(shù)增多會導(dǎo)致分組碰撞概率增加，但發(fā)生碰撞時隙分組多元化的增長也能夠更加有效地利用迭代干擾消除技術(shù)恢復(fù)信息。通過仿真計算，當(dāng)數(shù)據(jù)分組重發(fā)次數(shù)為3次時，系統(tǒng)吞吐量性能最好。CRDSA++協(xié)議在吞吐量達(dá)到最高點前，隨著負(fù)載的增加，吞吐量性能明顯優(yōu)于CRDSA，但吞吐量達(dá)到最高點后，隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)吞吐量急劇衰減。因此，使用該協(xié)議時要盡量控制負(fù)載不能超過達(dá)到最大吞吐量時的負(fù)載值[9]。

在實際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，因為各終端有效全向輻射功率（EIRP）的差異（各終端的天線增益和指向角、射頻功率等有差異）和衛(wèi)星接收天線增益在不同指向上的差異，致使到達(dá)衛(wèi)星接收端的數(shù)據(jù)包功率分布很難平衡，所以有必要評估在接收數(shù)據(jù)包功率分布不平衡情況下的系統(tǒng)吞吐量性能。圖3給出了數(shù)據(jù)分組重發(fā)次數(shù)為4次、接收數(shù)據(jù)包功率服從對數(shù)正態(tài)分布時，系統(tǒng)吞吐量隨負(fù)載的變化關(guān)系。仿真中，ES/N0=10 dB，F(xiàn)EC速率為1/2。從圖3可以看到，隨著負(fù)載的增加，接收數(shù)據(jù)包的功率分布波動越大（標(biāo)準(zhǔn)偏差σ越大），系統(tǒng)的吞吐量性能越好。對比功率平衡（σ=0 dB）時的系統(tǒng)吞吐量，CRDSA++協(xié)議在功率不平衡的情況下，系統(tǒng)吞吐量性能有了顯著提高。

圖2 SA、CRDSA和CRDSA++的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

圖3 CRDSA 4的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

基于TDMA方式的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議中，所有終端都要進(jìn)行時隙同步，不可避免地增大了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。同時，每個終端的EIRP通常是由其數(shù)據(jù)速率決定的。通過控制EIRP提高吞吐量，會對終端低成本、小型化設(shè)計帶來困難。為此，研究者們又提出了與CDMA方式結(jié)合的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議。

1.3 基于CDMA方式的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議

1.3.1 擴(kuò)頻ALOHA（SSA）

擴(kuò)頻ALOHA（Spread Spectrum Aloha，SSA）[10]比S-ALOHA具有更好的系統(tǒng)吞吐量性能，其吞吐量約是S-ALOHA的1.7倍。同時，SSA無需全網(wǎng)同步，且具有較好的抗干擾和抗多徑衰落性能，主要的不足是擴(kuò)頻技術(shù)的實現(xiàn)復(fù)雜度及在接收數(shù)據(jù)包功率不平衡時，其系統(tǒng)吞吐量會嚴(yán)重下降。圖4給出了當(dāng)擴(kuò)頻因子（Spreading Factor，SF）為256、FEC速率為1/3、接收數(shù)據(jù)包功率服從對數(shù)正態(tài)分布時，SSA方式吞吐量與負(fù)載之間的關(guān)系曲線。從圖4可以看到，隨著負(fù)載的增加，功率平衡（σ=0 dB）時，系統(tǒng)的吞吐量較高，其最大吞吐量約為功率不平衡（σ=3 dB）時的1.7倍。因此，采用SSA協(xié)議必須要進(jìn)行嚴(yán)格的功率控制[11]。

圖4 SSA的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

1.3.2 增強(qiáng)的擴(kuò)頻ALOHA（ESSA）

增強(qiáng)的擴(kuò)頻ALOHA（Enhanced Spread Spectrum Aloha，ESSA）協(xié)議[12]主要是將循環(huán)滑動窗口連續(xù)干擾消除（Recursive Sliding Window Successive Interference Cancellation，RSIC） 算法[13]與 SSA 相結(jié)合，從而明顯提高了SSA協(xié)議的吞吐量性能，尤其是在接收到的數(shù)據(jù)分組功率不平衡時。圖5是在擴(kuò)頻因子（Spreading Factor，SF）為256、FEC速率為1/3時得出的結(jié)論，給出了ESSA方式吞吐量與負(fù)載之間的關(guān)系曲線。當(dāng)接收數(shù)據(jù)分組功率服從對數(shù)正態(tài)分布、功率平衡（σ=0 dB）時，ESSA方式下的系統(tǒng)最大吞吐量可達(dá)到SSA方式下系統(tǒng)最大吞吐量的2倍；當(dāng)接收數(shù)據(jù)分組功率不平衡時，隨著負(fù)載的增加，σ越大，系統(tǒng)的吞吐量性能也越好。σ=3 dB時的最大吞吐量幾乎是σ=0 dB時的1.7倍。但是，與CRDSA++協(xié)議一樣，當(dāng)系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最高點后，隨著負(fù)載的增加，吞吐量性能也急劇衰減。因此，使用該協(xié)議時也要控制負(fù)載不能超過達(dá)到最大吞吐量的值。

圖5 ESSA的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

2 結(jié) 語

本文分析比較了幾種可應(yīng)用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)時延容忍型應(yīng)用場景下的多址接入?yún)f(xié)議的吞吐量性能。由于低軌衛(wèi)星信道中存在多徑衰落、陰影衰落以及鏈路損耗不均衡等現(xiàn)象，會導(dǎo)致到達(dá)衛(wèi)星接收端的數(shù)據(jù)分組功率分布不平衡。雖然CRDSA++與ESSA都能利用這一特點進(jìn)一步提高系統(tǒng)的吞吐量性能，但ESSA的吞吐量性能要優(yōu)于CRDSA++，且無需全網(wǎng)同步、信令開銷較小，更易于實現(xiàn)終端低成本、小型化設(shè)計，且還具有抗同頻干擾、抗多徑衰落能力較強(qiáng)的優(yōu)點，因而被認(rèn)為是低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中較有應(yīng)用潛力的多址接入?yún)f(xié)議。需要指出的是，ESSA協(xié)議在負(fù)載超過門限值時，其吞吐量性能會嚴(yán)重下降。因此，尚需要研究合適的接入控制策略，即下一步的主要研究工作。

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