天基信息網(wǎng)中飛行器集群分集接入技術(shù)*

閆朝星，王先朋，羅 翔，付林罡

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天基信息網(wǎng)中飛行器集群分集接入技術(shù)*

閆朝星，王先朋，羅 翔，付林罡

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

針對(duì)天基信息網(wǎng)中飛行器集群高效接入問(wèn)題，首先介紹國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與典型飛行器自組網(wǎng)系統(tǒng)，然后在比較分析載波偵聽(tīng)與時(shí)隙ALOHA兩類隨機(jī)接入技術(shù)特性的基礎(chǔ)上，提出一種基于多頻時(shí)分多址體制的集群飛行器分集時(shí)隙接入方法，并考查該接入技術(shù)的系統(tǒng)吞吐量性能。結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)集群節(jié)點(diǎn)發(fā)送2個(gè)復(fù)制包，中心站連續(xù)干擾消除的迭代次數(shù)為7次時(shí)，系統(tǒng)吞吐量性能可獲大幅提升。

天基信息網(wǎng)；飛行器集群；隨機(jī)接入；分集時(shí)隙接入；連續(xù)干擾消除

引 言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)向著寬帶化和全I(xiàn)P化方向不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)正試圖與航空通信系統(tǒng)、地面通信系統(tǒng)融合，形成天地一體化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提供高質(zhì)量的通信服務(wù)[1]。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)將是多種衛(wèi)星信息系統(tǒng)的綜合，包括高軌GEO與低軌LEO星座移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)、對(duì)地觀測(cè)專用高分辨率遙感衛(wèi)星系統(tǒng)以及衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等[2]，為天基、空基、陸基和?；雀黝愑脩籼峁┬畔⒈Ｕ?。國(guó)外天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目主要包括NASA的空間通信與導(dǎo)航計(jì)劃（SCaN）、美軍的轉(zhuǎn)型通信架構(gòu)（TCA）、歐洲全球通信一體化空間架構(gòu)（ISICOM）和國(guó)際海事衛(wèi)星（INMARSAT）的BGAN SB-SAT等[3]。隨著天基信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和技術(shù)的逐新發(fā)展成熟，地面5G移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)入商用階段，可將天基與地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于天空地海物聯(lián)網(wǎng)中，突破飛行器集群接入到天地一體化信息網(wǎng)的傳輸延遲與吞吐量技術(shù)瓶頸。

隨著運(yùn)載、導(dǎo)彈、臨近空間飛行器和無(wú)人機(jī)測(cè)控通信任務(wù)的不斷增多，測(cè)控通信基礎(chǔ)設(shè)施的日益完善，以及空間互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，把航天器導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)測(cè)控監(jiān)視、臨近空間飛行器測(cè)控通信、無(wú)人機(jī)測(cè)控通信綜合成一個(gè)空天地一體化組網(wǎng)測(cè)控通信系統(tǒng)，將能更充分地利用測(cè)控通信資源，全面掌握飛行器態(tài)勢(shì)，解決空間組網(wǎng)的延遲和移動(dòng)性管理問(wèn)題，為最終實(shí)現(xiàn)空間物聯(lián)網(wǎng)提供技術(shù)支持。它也將為我國(guó)航空航天、國(guó)家安全、應(yīng)急救災(zāi)等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供必要的保障，具有良好的應(yīng)用前景，在軍民領(lǐng)域都能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。飛行自組網(wǎng)（FANET）是執(zhí)行飛行器集群任務(wù)的使能技術(shù)，如DARPA小精靈項(xiàng)目、進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)（OFFSET）項(xiàng)目、美國(guó)海軍低成本無(wú)人機(jī)集群技術(shù)（LOCUST）項(xiàng)目等[4]。FANET具有高移動(dòng)性、頻繁拓?fù)渥兓⒌脱舆t與高可靠性要求等特點(diǎn)。在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境中，移動(dòng)終端基于頻譜感知的隨遇/隨機(jī)接入（Random Access）技術(shù)可有效解決戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中通信不可靠、網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷、拓?fù)渥兓瘎×?、?dòng)態(tài)入網(wǎng)退網(wǎng)等問(wèn)題[5,6]。

針對(duì)FANET路由協(xié)議[7]、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]及網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)[9]國(guó)內(nèi)外已有多篇研究文獻(xiàn)，而涉及隨機(jī)接入的關(guān)鍵技術(shù)與飛行器如何接入天基信息網(wǎng)絡(luò)的文獻(xiàn)較少。本文首先介紹天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中典型的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與飛行自組網(wǎng)技術(shù)，然后在分析兩類隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的基礎(chǔ)上提出一種飛行器集群分集時(shí)隙接入方法，最后考查該隨機(jī)接入方法的系統(tǒng)吞吐量性能。

1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1.1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

歐美衛(wèi)星通信公司已經(jīng)取得了成功的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)Hughes、Viasat、Comtech、Advantech、iDirect以及以色列Gilat等公司的產(chǎn)品都可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星通信設(shè)備的監(jiān)視、控制和資源管理等功能，而低軌銥星NEXT星座于2019年1月完成75顆衛(wèi)星的部署，提供機(jī)到機(jī)物聯(lián)網(wǎng)、地面移動(dòng)通信、航海與航空以及政府服務(wù)等幾方面服務(wù)。代表國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的中星16號(hào)高通量點(diǎn)波束衛(wèi)星采用了數(shù)字視頻廣播衛(wèi)星回傳信道（DVB-RCS）協(xié)議，天通通信衛(wèi)星采用了混合頻分多址/時(shí)分多址（FDMA/TDMA）體制，兩者都采用了垂直一體化的封閉式運(yùn)營(yíng)模式。垂直一體化模式不同于傳統(tǒng)Ku頻段通信衛(wèi)星開(kāi)放模式的轉(zhuǎn)發(fā)器租賃方式，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商通過(guò)運(yùn)營(yíng)衛(wèi)星或租賃衛(wèi)星容量、管理和運(yùn)營(yíng)地面網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，直接面向終端用戶提供服務(wù)并收取費(fèi)用。國(guó)內(nèi)的“虹云”與“鴻雁”低軌星座也在2018年12月底發(fā)射首顆試驗(yàn)星，計(jì)劃建成后提供移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航增強(qiáng)、航空服務(wù)等應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，高校與科研院所從網(wǎng)絡(luò)資源管理與信號(hào)格式等方面展開(kāi)了廣泛的技術(shù)研究[10-13]，筆者研究了基于DVB-RCS的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的時(shí)頻規(guī)劃方案與終端網(wǎng)絡(luò)信令流程[14]，以及身份認(rèn)證與密鑰交換等安全機(jī)制[15]。典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)包含中心站和若干個(gè)固定站、便攜站或車載/船載終端站，如由北京遙測(cè)技術(shù)研究所研制的SCPC/DAMA（Single Channel per Carrier/Demand Assigned Multiple Access）體制ASAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1所示。中心站包含TDM（Time Division Multiplexing）信道機(jī)、ALOHA信道機(jī)和業(yè)務(wù)信道機(jī)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起者和維護(hù)者；外圍站包含網(wǎng)管信道機(jī)和業(yè)務(wù)信道機(jī)。外圍站要加入網(wǎng)絡(luò)需先在中心站注冊(cè)登記。在配置部署完畢后，該衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作流程如下：

①終端站開(kāi)機(jī)首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，搜索到中心站的TDM載波后，向中心站發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)；

②中心站審核終端站的入網(wǎng)條件，并根據(jù)條件符合情況向終端站發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)應(yīng)答；

③終端站成功加入網(wǎng)絡(luò)后，作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，接受衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)控制中心的統(tǒng)一監(jiān)控，并可以申請(qǐng)和網(wǎng)內(nèi)的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)通信。

該衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)及混合組網(wǎng)，可變業(yè)務(wù)速率為64kb/s~8Mb/s。系統(tǒng)采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，支持文件傳輸、VoIP（Voice over IP）語(yǔ)音、IP音視頻等應(yīng)用。終端采用L頻段中頻接口，僅需更改室外單元配置，就能夠支持S、C、Ku、Ka等不同頻段的通信需求。中心站通過(guò)VoIP語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)接入PSTN（Public Switched Telephone Network）語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)與地面電話網(wǎng)的互聯(lián)互通。中心站通過(guò)交換機(jī)接入地面IP網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)與地面IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通[16]。

由于衛(wèi)星信道傳輸延時(shí)大，難以采用高效隨機(jī)接入方式。傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入只用于初始登陸或者低效報(bào)文傳輸，競(jìng)爭(zhēng)信道的隨機(jī)接入只是衛(wèi)星通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)中很少一部分。隨著面向分組傳輸業(yè)務(wù)以及設(shè)備間物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于衛(wèi)星的天基物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入技術(shù)需要高頻率效率、能量效率和功率效率，同時(shí)還要求低信令與網(wǎng)絡(luò)同步開(kāi)銷。

圖1 ASAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

1.2 飛行自組網(wǎng)FANET技術(shù)

國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)技術(shù)研究尚處于起步階段，正快速發(fā)展，大規(guī)模無(wú)人機(jī)組網(wǎng)通信主要還是以編隊(duì)控制形式出現(xiàn)。北京遙測(cè)技術(shù)研究所在超近程無(wú)人機(jī)組網(wǎng)通信領(lǐng)域的核心技術(shù)已具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)?；诳苟鄰剿ヂ淠芰Φ腃OFDM（編碼正交頻分復(fù)用）技術(shù)與TDD-TDMA體制，實(shí)現(xiàn)了L頻段空地低仰角鏈路下非對(duì)稱寬帶傳輸、多架飛行器機(jī)間超近程中繼通信，如圖2所示，數(shù)傳速率在0.1Mb/s~10Mb/s?；贑OFDM技術(shù)開(kāi)發(fā)的FDD-TDMA體制移動(dòng)終端分簇組網(wǎng)通信系統(tǒng)，簇內(nèi)可承載10個(gè)1Mb/s速率節(jié)點(diǎn)且簇間可在線切換子網(wǎng)。聯(lián)合COFDM與CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的L/U雙頻段臨近空間飛行器短程寬帶數(shù)據(jù)鏈如圖3所示。

圖2 超近程無(wú)人機(jī)飛行自組網(wǎng)系統(tǒng)

圖3 中程飛行器組網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)

此外，采用單脈沖定向平板陣列天線，通過(guò)COFDM信號(hào)單脈沖測(cè)角技術(shù)與時(shí)頻測(cè)距技術(shù)[17]實(shí)現(xiàn)了飛行器自動(dòng)跟蹤。在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中，定向天線可以集中發(fā)射能量從而增大空間復(fù)用與作用距離，但定向MAC協(xié)議波束形成帶來(lái)的挑戰(zhàn)是聾問(wèn)題和定向隱終端問(wèn)題[18]。采用全向和定向天線的美軍戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TTNT）系統(tǒng)可基于統(tǒng)計(jì)優(yōu)先多址（SPMA）技術(shù)將端到端時(shí)延控制在2ms內(nèi)[19,20]。

2 自組網(wǎng)隨機(jī)接入技術(shù)

移動(dòng)自組網(wǎng)中的分布式TDMA協(xié)議的時(shí)隙分配策略可以分為兩種，一種是固定分配類TDMA協(xié)議，另一種是動(dòng)態(tài)分配類TDMA協(xié)議。固定分配TDMA協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量安排所有節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間，時(shí)延抖動(dòng)小，性能比較穩(wěn)定，擴(kuò)展性比較差，適合實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)。當(dāng)負(fù)載較低時(shí)，空閑的信道難以被利用，固定分配TDMA協(xié)議的信道利用率比較低。動(dòng)態(tài)分配TDMA協(xié)議與固定時(shí)隙分配相結(jié)合，對(duì)于混合業(yè)務(wù)流、突發(fā)業(yè)務(wù)流都有很好的適應(yīng)性，同時(shí)也可以支持QoS的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。由于移動(dòng)自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、TDMA協(xié)議時(shí)隙復(fù)用等特點(diǎn)，移動(dòng)自組網(wǎng)中的TDMA協(xié)議不可避免地存在時(shí)隙沖突的問(wèn)題。

隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議可以劃分為ALOHA協(xié)議、CSMA協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議等。ALOHA協(xié)議、時(shí)隙ALOHA[21]、分集時(shí)隙ALOHA（DSA）[22]不受傳輸延時(shí)影響，但是沖突概率較高，沖突解決分集時(shí)隙ALOHA（CRDSA）可降低沖突概率但復(fù)雜度相對(duì)較高[23-25]。載波偵聽(tīng)多址接入/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）、退避機(jī)制存在隱終端問(wèn)題，更適用于有線傳輸；無(wú)線傳輸沖突避免方式CSMA/CA在信道空閑時(shí)退避后再競(jìng)爭(zhēng)，應(yīng)用在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)分布式協(xié)調(diào)功能（DCF），也存在隱終端問(wèn)題。近距離通信系統(tǒng)中，這類協(xié)議在分組包傳輸所需時(shí)間大于傳播時(shí)延時(shí)有較好的信道利用率、穩(wěn)定性以及低延時(shí)特性[23]。

2.1 CSMA/CA協(xié)議

基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA協(xié)議中默認(rèn)的MAC幀在空中傳播時(shí)間為1μs，即CSMA/CA協(xié)議默認(rèn)的最大傳輸距離為300m。源站欲發(fā)送MAC幀時(shí)，先檢測(cè)信道，若信道空閑，則等待一段分布式協(xié)調(diào)功能的幀間間隔（DIFS）時(shí)間，信道依舊空閑則發(fā)送MAC幀。目的站若正確收到此幀，經(jīng)過(guò)短幀幀間間隔（SIFS）時(shí)間后，向源站發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀ACK。若源站在超時(shí)時(shí)間ACKtimeout內(nèi)沒(méi)有收到確認(rèn)幀ACK，則認(rèn)為該MAC幀丟失，就必須經(jīng)過(guò)若干次的重傳，當(dāng)重傳到達(dá)重傳限制后放棄發(fā)送[26]。

當(dāng)傳輸距離增加至2km~3km時(shí)，數(shù)據(jù)包在空中傳播的時(shí)間從默認(rèn)的1μs增加到7μs~9μs。由于采用確認(rèn)機(jī)制，源站的重傳計(jì)時(shí)器依然按照1μs的空中傳播時(shí)間計(jì)時(shí)，這樣導(dǎo)致源站發(fā)送的MAC幀雖被目的站正確收到，但由于在ACKtimeout內(nèi)源站沒(méi)有收到來(lái)自目的站的ACK確認(rèn)幀，源站認(rèn)為該幀在傳輸過(guò)程中丟失，重傳此幀。因此即便在信噪比和信號(hào)強(qiáng)度較好的情況下，依然不能完成通信。并且重傳的數(shù)據(jù)包將會(huì)與正在路上的ACK發(fā)生碰撞，此時(shí)接入控制變?yōu)槊ΓM(jìn)入?yún)f(xié)議的退避機(jī)制，吞吐量將降低。如果ACKtimeout時(shí)間設(shè)定的太長(zhǎng)，源站發(fā)送在重傳丟失的包之前會(huì)非必要地等待一段時(shí)間，也降低了吞吐量。合理地設(shè)定ACKtimeout是使用 CSMA/CA 協(xié)議進(jìn)行飛行器間遠(yuǎn)距離通信時(shí)必須要考慮的問(wèn)題。

2.2 ALOHA類技術(shù)

ALOHA算法又可分為純ALOHA算法、時(shí)隙ALOHA算法（Slotted ALOHA）、幀時(shí)隙ALOHA算法（Framed Slotted ALOHA）[21]以及分集時(shí)隙ALOHA算法（Diversity Slotted ALOHA）[27]等。時(shí)隙ALOHA協(xié)議廣泛應(yīng)用于手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)、WiFi、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）以及衛(wèi)星甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDES）中。

假設(shè)用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間為泊松過(guò)程，信道的平均負(fù)載為包/秒，如果每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸持續(xù)時(shí)間為秒，可以定義歸一化的信道負(fù)載=。如果在一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間內(nèi)沒(méi)有其他數(shù)據(jù)包到達(dá)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)包發(fā)送成功。純ALOHA算法系統(tǒng)吞吐量為=e–2G。當(dāng)0.5時(shí)，0.5e-1?0.184，這是吞吐量可能達(dá)到的極大值。時(shí)隙ALOHA傳輸數(shù)據(jù)的平均吞吐量為=e。當(dāng)=1時(shí)，達(dá)極大值max= (1-1/)-1，max值隨站點(diǎn)數(shù)增大迅速下降，最后趨于e-1?0.368，當(dāng)超過(guò)=20個(gè)站時(shí)，就可以利用無(wú)窮多站的模型得出結(jié)論。對(duì)于時(shí)隙ALOHA，不穩(wěn)定區(qū)域位于>1的部分，如圖4所示。時(shí)隙ALOHA算法的最大系統(tǒng)吞吐量是純ALOHA算法的兩倍[28]。分集時(shí)隙ALOHA機(jī)制是時(shí)隙ALOHA 協(xié)議的一種變型。用戶每次發(fā)送分組時(shí)首先將待發(fā)送的分組復(fù)制多份，將這些分組在不同時(shí)隙發(fā)送，接收端則對(duì)同一個(gè)用戶的分組加以區(qū)分[29]。

圖4 時(shí)隙ALOHA與純ALOHA的吞吐量曲線

3 飛行器集群隨機(jī)接入技術(shù)

3.1 分集時(shí)隙隨機(jī)接入

針對(duì)天基信息網(wǎng)絡(luò)的集群自組網(wǎng)接入問(wèn)題，設(shè)計(jì)MF-TDMA系統(tǒng)的分集接入ALOHA時(shí)隙，如圖5所示。系統(tǒng)時(shí)隙由超幀、幀與時(shí)隙組成，TRF表示業(yè)務(wù)時(shí)隙，A與B表示互為復(fù)制包的接入時(shí)隙。超幀時(shí)長(zhǎng)sf，由f個(gè)時(shí)長(zhǎng)為f的幀組成，幀由個(gè)頻點(diǎn)上的s個(gè)時(shí)長(zhǎng)s的時(shí)隙組成，每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包的時(shí)隙長(zhǎng)度相等，滿足：

sf=ff，f=ss（1）

超幀與幀內(nèi)的所有個(gè)頻點(diǎn)之間頻帶保護(hù)間隔為G，個(gè)頻點(diǎn)可不等寬，在不同頻點(diǎn)的帶寬為F，0≤≤1，可提供不同傳輸速率，系統(tǒng)總帶寬為

超幀與幀內(nèi)的所有等長(zhǎng)時(shí)隙之間的時(shí)間保護(hù)間隔為g，有s=2g+p+d，其中p為前導(dǎo)長(zhǎng)度，d為信令載荷長(zhǎng)度。超幀內(nèi)第=0頻點(diǎn)及其帶寬0為缺省初始入網(wǎng)載波，對(duì)應(yīng)第幀的首時(shí)隙0,i為缺省初始入網(wǎng)時(shí)隙，0≤≤f–1，0,i時(shí)隙作為初始入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入的時(shí)隙；超幀內(nèi)所有其他頻點(diǎn)的首時(shí)隙T,i作為組網(wǎng)時(shí)隨機(jī)控制信令時(shí)隙，不用于隨機(jī)接入的入網(wǎng)過(guò)程。除隨機(jī)接入時(shí)隙與信令時(shí)隙，其他時(shí)隙為業(yè)務(wù)時(shí)隙（TRF），由主節(jié)點(diǎn)按需分配給各集群節(jié)點(diǎn)。所有首時(shí)隙T,i的前導(dǎo)段為相同的獨(dú)特字，系統(tǒng)接收端已知。

若飛行器在T,i時(shí)隙隨機(jī)接入天基信息系統(tǒng)，則T,i時(shí)隙的信令段包含T,i復(fù)制包T,i'時(shí)隙在超幀中的位置'值，復(fù)制包的信令段包含T,i時(shí)隙在超幀中的位置信息。飛行器采用多個(gè)復(fù)制包作為隨機(jī)接入時(shí)隙時(shí)，復(fù)制包個(gè)數(shù)記為N，每個(gè)復(fù)制包的信令段都包含其他時(shí)隙在超幀中的位置，一般限制為1≤N≤4。在中心站接收端針對(duì)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)采用連續(xù)干擾消除方法，解調(diào)出某個(gè)無(wú)沖突時(shí)隙的信息數(shù)據(jù)后，獲得其復(fù)制包時(shí)隙位置并作為干擾信號(hào)進(jìn)行消除，通過(guò)如此迭代來(lái)解調(diào)出所有隨機(jī)接入節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。下面分析該方法的性能。

3.2 隨機(jī)接入性能分析

在MF-TDMA通信系統(tǒng)超幀內(nèi)的個(gè)接入時(shí)隙中，某個(gè)時(shí)隙T上有數(shù)據(jù)包p的概率為

在同一時(shí)隙T上有個(gè)沖突數(shù)據(jù)包的概率為個(gè)數(shù)據(jù)包在同一時(shí)隙T且剩余–1–個(gè)數(shù)據(jù)包不在時(shí)隙T上，即

所以時(shí)隙T上只有數(shù)據(jù)包p沒(méi)有沖突的概率為

其中，–1表示一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的最多沖突數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。因此

下面舉例分析飛行器集群組網(wǎng)中采用2復(fù)制包的分集隨機(jī)接入時(shí)隙，如圖6所示。設(shè)超幀內(nèi)有10個(gè)入網(wǎng)時(shí)隙，期間有8個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)接入，中心站接收機(jī)在時(shí)隙1~時(shí)隙10分別接收到的接入信號(hào)為終端1與終端2疊加（記為U1+U2）、U4+U5、U1、U2+U8、U7+U8、U4、U6+U7、U3+U6、U3、U5。在迭代解調(diào)時(shí)，首先可直接解出U1、U3、U4、U5，第二次迭代可解出U2、U6，第三次迭代可解出U7、U8，至此所有8個(gè)用戶可完全解出，一般設(shè)迭代次數(shù)最大為c=7。

圖6 采用2復(fù)制包的分集時(shí)隙接入方法接收信號(hào)構(gòu)成圖

圖7為飛行器集群組網(wǎng)中分集接入方法的迭代檢測(cè)與系統(tǒng)吞吐量性能關(guān)系，在不同迭代次數(shù)下，系統(tǒng)吞吐量性能提升存在平臺(tái)，在迭代次數(shù)為7次時(shí)一般達(dá)到性能平臺(tái)。在不同業(yè)務(wù)負(fù)載范圍內(nèi)，= 0.6可達(dá)到系統(tǒng)最大吞吐量=0.53，該分集隨機(jī)接入方法吞吐量比圖4所示的傳統(tǒng)純ALOHA算法與時(shí)隙ALOHA算法大幅提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

軍民融合戰(zhàn)略背景下的天基信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為國(guó)家重大戰(zhàn)略工程，飛行器集群需要高效地接入到衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在分析飛行器集群組網(wǎng)接入到天基衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的隨機(jī)/隨遇接入問(wèn)題后，本文比較了基于CSMA/CA與ALOHA技術(shù)的兩類自組網(wǎng)隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入技術(shù)，然后設(shè)計(jì)集群飛行器在采用MF-TDMA體制時(shí)的分集時(shí)隙接入方法，最后考查了系統(tǒng)吞吐量性能。結(jié)果表明，集群飛行器接入天基信息網(wǎng)時(shí)發(fā)送2個(gè)復(fù)制包可提升吞吐量性能。

圖7 分集接入方法系統(tǒng)吞吐量性能

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Diversity slotted random access techniques for aircraft clusters in space-based information network

YAN Chaoxing, WANG Xianpeng, LUO Xiang, FU Lingang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

For the aircraft clusters networking random access issues in the space-based information network, we firstly introduce the state-of-the-arts and development of satellite communication networking techniques and the typical airborne networking system. Then based on the characteristic comparison of the CSMA and slotted ALOHA random access techniques, we propose a diversity slotted ALOHA access scheme for the aircraft clusters using MF-TDMA. Finally we investigate the throughput of the proposed diversity random access method. Results show that it can achieve great improvement of system throughput in ad hoc networking clustered aircraft systems with 2 copies sent at transmitter and 7 iterations of successive interference cancellation at network controlling centers.

Space-based information network; Aircraft clusters; Random access; Diversity slotted access; Successive interference cancellation

TN929.5

A

CN11-1780(2019)02-0001-08

基金項(xiàng)目：科技部重點(diǎn)專項(xiàng)（2017YFC1405200，2018YFC1407201）

2019-01-29

2019-02-15

閆朝星 1985年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈組網(wǎng)與衛(wèi)星通信。

王先朋 1981年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖c通信網(wǎng)絡(luò)。

羅 翔 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控通信與數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)。

付林罡 1982年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控通信系統(tǒng)。