高通量衛(wèi)星隨機(jī)接入控制技術(shù)研究

摘 要：為提升高通量衛(wèi)星隨機(jī)接入成功概率，提出了一種高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)下的隨機(jī)接入控制技術(shù)。高通量衛(wèi)星多波束間存在重疊覆蓋區(qū)域，可通過對重疊覆蓋區(qū)域的用戶接入進(jìn)行管控，優(yōu)化各波束的負(fù)載，提升系統(tǒng)吞吐率。通過對串行干擾消除算法的誤包概率進(jìn)行推導(dǎo)分析，得出了不同誤包概率要求下的最大系統(tǒng)負(fù)載，根據(jù)該負(fù)載值，設(shè)計了自適應(yīng)接入控制策略。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載未超過最大負(fù)載時，可通過接入控制策略均衡各波束負(fù)載；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過最大負(fù)載時，可通過限制用戶接入方式控制系統(tǒng)負(fù)載。

關(guān)鍵詞：高通量衛(wèi)星；隨機(jī)接入；接入控制；串行干擾消除

中圖分類號：ＴＮ９２７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０６－１５５３－０７

０ 引言

高通量衛(wèi)星［１－４］是一種新型通信衛(wèi)星，采用了一系列新技術(shù)來增強(qiáng)衛(wèi)星通信的能力，比傳統(tǒng)衛(wèi)星更具有速率、容量上的優(yōu)勢。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息化應(yīng)用的不斷發(fā)展，對于衛(wèi)星通信帶寬的需求也越來越大。高通量衛(wèi)星可以為用戶提供更高速、更穩(wěn)定、更安全的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療、高清視頻和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供高速網(wǎng)絡(luò)接入，改善數(shù)字鴻溝問題；也可以為航空、海事等行業(yè)提供高質(zhì)量的通信服務(wù)，成為衛(wèi)星通信市場的一個重要發(fā)展趨勢。隨著物聯(lián)網(wǎng)［５－６］的快速發(fā)展，高通量衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，主要包括智能城市、智慧醫(yī)療、智能交通、智能農(nóng)業(yè)和智能制造等方面［７］。

本文研究了高通量衛(wèi)星在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下的隨機(jī)接入［８－９］問題。物聯(lián)網(wǎng)時代，用戶的接入量激增，高效的多用戶接入技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的接入技術(shù)是為每個接入用戶分配一個固定的時頻資源塊，然而資源分配需要通過信令進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)接入用戶數(shù)很大且傳輸數(shù)據(jù)較少時，使用調(diào)度方式傳輸信息會導(dǎo)致信令開銷較大，造成頻譜效率的降低。因此可以考慮采用基于競爭機(jī)制的隨機(jī)接入方式完成接入過程，有效降低信令開銷，提升頻譜利用率。純ＡＬＯＨＡ［１０－１１］是最基本的隨機(jī)接入技術(shù)，具有實(shí)現(xiàn)簡單、信令開銷小等特點(diǎn)，用戶向基站發(fā)送數(shù)據(jù)時不會預(yù)先分配時頻資源，而是自由選擇合適的資源塊進(jìn)行傳輸。然而，若有多個用戶選擇了同一資源塊，則意味著數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞，純ＡＬＯＨＡ 的接入性能受到數(shù)據(jù)包碰撞的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致其信道利用率較低。純ＡＬＯＨＡ 的吞吐量僅能達(dá)到０． １８。為了提升傳輸效率，時隙ＡＬＯＨＡ［８，１２－１４］被提出，每一幀被分為多個時隙，用戶的數(shù)據(jù)包僅在每個時隙的起始位置開始傳輸，避免了部分碰撞的情況發(fā)生，也使時隙ＡＬＯＨＡ 的吞吐量達(dá)到了０． ３６。充分利用碰撞包中所含的信息，本文利用了基于串行干擾消除算法的接收技術(shù)［１５－１７］。每個用戶在發(fā)送端生成多個數(shù)據(jù)包的副本，并在幀結(jié)構(gòu)中隨機(jī)選擇多個時隙傳輸數(shù)據(jù)包副本，每個數(shù)據(jù)包副本中都包含了所有副本的位置信息，如果接收端收到一個沒有碰撞的數(shù)據(jù)包副本時，該副本可以被成功譯碼，進(jìn)而利用被譯碼數(shù)據(jù)包所包含的位置信息獲得其他副本所在的時隙位置信息，再通過信號重構(gòu)方式恢復(fù)出該數(shù)據(jù)包并從各時隙中消除其副本。該算法可不斷迭代直至數(shù)據(jù)完全恢復(fù)或無法找到無碰撞的數(shù)據(jù)包副本。

考慮到高通量衛(wèi)星各波束間存在重疊區(qū)域，用戶接入策略會影響接入成功概率。因此，本文在使用串行干擾消除算法的基礎(chǔ)上，通過對成功接入概率的性能分析，得到不同負(fù)載情況下的用戶接入性能，進(jìn)而提出了一種自適應(yīng)的負(fù)載控制技術(shù)，使高通量衛(wèi)星場景下的隨機(jī)接入性能得到優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，通過利用自適應(yīng)負(fù)載接入控制技術(shù)，可以有效保障高通量衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)用戶成功接入概率。

１ 系統(tǒng)模型

高通量衛(wèi)星隨機(jī)接入系統(tǒng)模型如圖１ 所示，高通量衛(wèi)星多點(diǎn)波束間存在重疊區(qū)域，在重疊區(qū)域內(nèi)的用戶終端可通過調(diào)整發(fā)送頻率點(diǎn)的方式選擇從哪個波束接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)情況下，用戶通過監(jiān)測２ 個波束的信號接收強(qiáng)度，并設(shè)置切換門限的方式進(jìn)行波束切換，但在重疊區(qū)域的用戶接收到２ 個波束的信號強(qiáng)度相近，用戶有可能通過任一波束接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)?？紤]到用戶分布的不確定性，該選擇方式可能導(dǎo)致不同波束內(nèi)接入用戶數(shù)差別較大，高負(fù)載波束用戶接入成功率下降，而低負(fù)載波束會產(chǎn)生資源浪費(fèi)。本文通過分析系統(tǒng)的成功接入概率的方法，設(shè)計了一種新的高通量衛(wèi)星隨機(jī)接入控制方式。

對于每個高通量波束，都采用串行干擾消除算法對接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行恢復(fù)，其系統(tǒng)模型可以簡化為圖２。單個波束內(nèi)，各用戶接入方式類似于時隙ＡＬＯＨＡ 方式。高通量衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶總量為Ｍ，所有用戶都將自身的數(shù)據(jù)包通過一條復(fù)用的衛(wèi)星信道發(fā)送至星上轉(zhuǎn)發(fā)器，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼。信道按照時間劃分為時隙，每個時隙長度記為Ｔｓｌｏｔ，且用戶只能在時隙開始時進(jìn)行傳輸。假設(shè)傳輸?shù)膸L記為Ｔｆｒａｍｅ，每幀包含Ｎ ＝Ｔｆｒａｍｅ ／ Ｔｓｌｏｔ 個時隙。用戶的激活概率記為ｐａｃｔ，則系統(tǒng)負(fù)載可以表示為Ｇ ＝ Ｍｐａｃｔ ／ Ｎ，即平均每個時隙需要傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)量。

每個激活用戶在每一幀中只生成一個數(shù)據(jù)包，Ｍ 個用戶的數(shù)據(jù)包可記為ｕ ＝ ［ｕ１ ，ｕ２ ，…，ｕＭ ］。Ｎ 個時隙接收到的數(shù)據(jù)包記為ｓ ＝ ［ｓ１ ，ｓ２ ，…，ｓＮ ］。每個用戶將其數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)制，生成ｄ 個副本，然后從Ｎ 個時隙中隨機(jī)選?。?個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包的副本，記為每各用戶數(shù)據(jù)包的度值。同理，每個時隙被Ｍ 個用戶選中的次數(shù)記為每個時隙的度值，例如圖２ 中用戶２ 生成了２ 個數(shù)據(jù)包的副本并選擇時隙３ 和時隙５ 進(jìn)行發(fā)送，則用戶２ 的度值為ｄ ＝ ２。ｄ 值的選取服從分布：

Λ（ｘ） ＝ Λ１ ｘ ＋ Λ２ ｘ２ ＋ … ＋ ΛＮ ｘＮ ， （１）

式中：Λｄ 為用戶將數(shù)據(jù)包重復(fù)ｄ 次的概率，ΣＮｄ ＝ １ Λｄ ＝１。數(shù)據(jù)包的平均復(fù)制數(shù)量可表示為Λ ＝ΣＮｄ ＝ １ｄΛｄ。

恢復(fù)數(shù)據(jù)包的過程可以用二分圖來描述，如圖３ 所示。二分圖可以用Ｇｒａｐｈ ＝ （ｕ，ｓ，ｅ）表示，ｕ由Ｍ 個用戶節(jié)點(diǎn)組成，ｓ 由Ｎ 個時隙節(jié)點(diǎn)組成，ｅ 表示用戶節(jié)點(diǎn)和時隙節(jié)點(diǎn)之間的邊的集合，即相應(yīng)的用戶在該時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)包的副本。由于每個用戶獨(dú)立地隨機(jī)選擇時隙來傳輸其數(shù)據(jù)包的副本，當(dāng)２ 個或多個用戶在同一時隙中傳輸其數(shù)據(jù)包副本時，會發(fā)生碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法恢復(fù)。在傳統(tǒng)的時隙ＡＬＯＨＡ 系統(tǒng)中，碰撞是無用的，會被直接丟棄，這會顯著降低譯碼性能。

利用串行干擾消除算法可有效提高隨機(jī)接入系統(tǒng)的性能，該算法為數(shù)字信號級的算法，使用的前提是每個數(shù)據(jù)包副本中都包含了所有副本的時隙位置信息。如果接收端收到一個沒有碰撞的數(shù)據(jù)包副本時，通過解調(diào)及譯碼運(yùn)算，該副本可以被成功恢復(fù)，進(jìn)而利用譯碼恢復(fù)的數(shù)據(jù)包所包含的位置信息獲得其他副本所在的時隙位置信息，再通過信道編碼、調(diào)制恢復(fù)出數(shù)據(jù)包的信號，并與其他副本所在時隙的數(shù)據(jù)包信號進(jìn)行相減，從而從各時隙中消除該副本的影響。該算法可不斷迭代直至數(shù)據(jù)完全恢復(fù)或無法找到無碰撞的數(shù)據(jù)包副本。

圖４ 展示了處理用戶數(shù)量為３、時隙數(shù)量為４的高通量衛(wèi)星接入系統(tǒng)譯碼過程，該譯碼過程類似于信道編碼中的置信傳播迭代譯碼。接收端首先找到無碰撞的時隙，即時隙Ｓ１ ，并恢復(fù)出用戶１ 的數(shù)據(jù)包ｕ１ 。通過提取位置信息，可以從時隙Ｓ４ 中刪除ｕ１ 的副本，并得到無碰撞的數(shù)據(jù)包ｕ３ ，進(jìn)而再恢復(fù)數(shù)據(jù)包ｕ２ ，通過迭代譯碼過程，可以恢復(fù)出所有用戶的數(shù)據(jù)包。

２ 性能分析及接入策略

２． １ 度分布分析

通過分析串行干擾消除算法的誤碼底限，得到固定幀長及接入用戶數(shù)情況下的誤包率，進(jìn)而通過設(shè)置接入控制策略，實(shí)現(xiàn)接入成功率的最大化。

每個用戶節(jié)點(diǎn)選取度為ｄ 的邊的概率為Λｄ，則任一邊連接至度為ｄ 的用戶節(jié)點(diǎn)的概率可表示為：

式中：ρｄ 表示任一條邊連接到度值為ｄ 的時隙節(jié)點(diǎn)的概率。對應(yīng)表達(dá)式為：

將Ｇ* 記為可進(jìn)行迭代譯碼門限的最大系統(tǒng)負(fù)載值，通過分析此負(fù)載值，即可推導(dǎo)出單波束下的最大接入用戶比例，由于Ｇ ＝ Ｍｐａｃｔ ／ Ｎ，且Ｍ 與Ｎ 在系統(tǒng)中一般為定值，則最大化系統(tǒng)負(fù)載即最大化用戶激活概率ｐａｃｔ，記為ｐ*ａｃｔ。

２． ２ 有限幀長誤碼率分析

基于串行干擾消除的隨機(jī)接入系統(tǒng)誤碼率分析和ＬＤＰＣ 碼迭代譯碼過程類似，借鑒有限長迭代譯碼的分析方法，推導(dǎo)了其的錯誤概率。

基于文獻(xiàn)［１８］對有限長ＬＤＰＣ 碼誤幀率的推導(dǎo)公式，可以得到本系統(tǒng)的誤幀率（某一幀中出現(xiàn)錯誤時隙的概率），表示為：

式中：ｐ*ａｃｔ，０ 、Λ（ｘ）、β０ 表示當(dāng)Ｍ ＝ Ｎ 時的值，根據(jù)不同的度分布Λ（ｘ）取值不同，具體取值如表１ 所示。

當(dāng)用戶數(shù)量足夠大時，Ｎ ／ Ｍ →０。式（８）可簡化為：

式中：ｑ 為迭代譯碼過程中無法恢復(fù)的用戶數(shù)據(jù)包比例，且當(dāng)用戶量足夠大時，ｑ 的值不隨ｐａｃｔ 進(jìn)行變化。

２． ３ 自適應(yīng)接入控制策略

根據(jù)上文分析，對誤包概率的理論推導(dǎo)及實(shí)際仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖５ 所示。由圖５ 可以看出，誤包概率到達(dá)誤碼底限前，即誤包概率處于陡降區(qū)時，理論分析可以很好地貼合實(shí)際仿真結(jié)果；誤包概率到達(dá)誤碼底限后，理論分析與實(shí)際仿真結(jié)果差別較大。對于不同的度分布，平均度值（每個用戶的數(shù)據(jù)包重復(fù)次數(shù)）越大，在系統(tǒng)負(fù)載較低時，性能越好，這是由于多次重復(fù)減弱了由于偶然碰撞所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包無法恢復(fù)的問題。隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加，過多的重復(fù)次數(shù)會導(dǎo)致大量碰撞，使譯碼性能下降。本文主要通過誤碼概率分析確定用戶激活概率，進(jìn)而對比有無接入控制情況下的系統(tǒng)性能，因此選用ｘ３ 、ｘ４ 、ｘ５ 作為副本重復(fù)數(shù)量的典型值，副本重復(fù)數(shù)量的最優(yōu)解可通過度分布優(yōu)化算法［１９］獲得，不在本文的分析范疇之內(nèi)。

由誤碼率理論分析結(jié)果，可根據(jù)系統(tǒng)所需誤碼概率選取合適的系統(tǒng)負(fù)載。以誤包概率０． １ 為例，根據(jù)仿真分析可知，當(dāng)時隙數(shù)為Ｎ ＝ ２００ 時，不同度分布的最大系統(tǒng)負(fù)載值如表２ 所示。

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載高于Ｇ 時，吞吐量會隨激活概率的增大而急劇下降。因此接入控制算法應(yīng)考慮將最大系統(tǒng)負(fù)載控制在相應(yīng)指標(biāo)之下。因此，當(dāng)某一波束系統(tǒng)負(fù)載過高時，需要通過重疊區(qū)域用戶接入規(guī)劃對用戶接入波束進(jìn)行設(shè)計，從而保證單一波束用戶激活概率維持在ｐ-ａｃｔ。

高通量衛(wèi)星波束覆蓋如圖６ 所示，陰影區(qū)域為衛(wèi)星波束的重疊區(qū)域，當(dāng)某一波束負(fù)載小于最大負(fù)載值時，允許波束內(nèi)用戶接入。其中，非重疊區(qū)域用戶接入對應(yīng)波束，重疊區(qū)域用戶選擇負(fù)載較小的波束接入?？紤]到各波束用戶數(shù)量不一致，當(dāng)某一波束內(nèi)用戶數(shù)量超過最大負(fù)載值時，則通過調(diào)整陰影區(qū)域內(nèi)用戶接入波束，實(shí)現(xiàn)各波束間的負(fù)載均衡。當(dāng)各個波束都已到達(dá)最大負(fù)載時，則通過限制用戶接入方式保證用戶的成功接入概率。

３ 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)對所提出的高通量衛(wèi)星隨機(jī)接入技術(shù)進(jìn)行了性能仿真，每波束每幀時隙數(shù)量設(shè)定為２００，則任意２ 個波束的重疊區(qū)域為波束大小的１ ／ ３－根號下３ ／ ２π≈０． ０５７ ７。每波束內(nèi)與其他波束的重疊區(qū)域所在比例為０． ０５７ ７×６ ＝ ０． ３４６ ２。覆蓋范圍內(nèi)用戶數(shù)量記為１ ４００，用戶在覆蓋區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，當(dāng)所有用戶全部接入時，系統(tǒng)負(fù)載為Ｇ ＝ １。分別對度分布Λ（ｘ）＝ ｘ３ ，Λ（ｘ）＝ ｘ４ 和Λ（ｘ）＝ ｘ５ 進(jìn)行仿真，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行１ ０００ 幀仿真。在本文中，僅考慮由于碰撞所帶來的丟包問題，沒有考慮信道丟包，在實(shí)際系統(tǒng)中，信道丟包可直接通過比例計算進(jìn)行推導(dǎo)。

圖７ ～ 圖９ 分別對比了在度分布為Λ（ｘ）＝ ｘ３ 、Λ（ｘ）＝ ｘ４ 和Λ（ｘ）＝ ｘ５ 時，使用本文所提出的接入控制算法以及不使用接入控制算法情況下的吞吐率對比?？梢钥闯觯诓皇褂媒尤肟刂扑惴ǖ那闆r下，系統(tǒng)吞吐率首先隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加而增加，當(dāng)超過分析得到的最大負(fù)載Ｇ* 后，由于碰撞增多導(dǎo)致接入性能下降，吞吐率也隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加而降低。

本文所提出的接入控制算法，隨著系統(tǒng)負(fù)載的上升，當(dāng)某一波束內(nèi)負(fù)載超過最大負(fù)載Ｇ*時，可通過接入控制策略將重疊區(qū)域的用戶調(diào)整至相鄰為超過負(fù)載的波束內(nèi)，從而保障各波束接入負(fù)載保持在最大負(fù)載之內(nèi)，進(jìn)而保證了每個波束都有較高的吞吐率。當(dāng)所有波束都已到達(dá)最大負(fù)載Ｇ* 時，若繼續(xù)增加系統(tǒng)負(fù)載，則沒有資源可用于支撐額外的用戶，此時通過接入控制策略限制用戶繼續(xù)接入，從而使系統(tǒng)負(fù)載維持在最大負(fù)載Ｇ ，以保證系統(tǒng)吞吐量維持在一個較高水平。

為體現(xiàn)度值對系統(tǒng)性能的影響，對ｘ１ 和ｘ２ 的性能進(jìn)行了進(jìn)一步分析。不同度分布負(fù)載如表３所示。圖１０、圖１１ 分別對比了在度分布為Λ（ｘ）＝ ｘ１ ，Λ（ｘ）＝ ｘ２ 時，使用本文所提出的接入控制算法以及不適用接入控制算法情況下的吞吐率對比。由于ｘ１ 情況下少量碰撞即可導(dǎo)致誤碼概率超過０． １，因此分析出的Ｇ* 參數(shù)過低，接入控制在此情況下無實(shí)際意義。因此，ｘ１ 的情況僅進(jìn)行吞吐量仿真，不對比有無接入控制。通過仿真結(jié)果可以看出，隨著度分布的增加，系統(tǒng)吞吐量出現(xiàn)先增后減的狀態(tài)，具體優(yōu)化結(jié)果可通過度分布優(yōu)化算法［１３］獲得。

４ 結(jié)束語

為提升高通量衛(wèi)星用戶吞吐率，本文研究了高通量衛(wèi)星多波束間覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶接入控制方式，提出了一種基于串行干擾消除算法的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)隨機(jī)接入控制技術(shù)，通過對該算法的誤包概率進(jìn)行推導(dǎo)分析，得出了不同誤包概率要求下的最大系統(tǒng)負(fù)載。該接入控制技術(shù)在系統(tǒng)負(fù)載未超過最大負(fù)載時，可通過接入控制策略優(yōu)化各波束的負(fù)載，使各波束負(fù)載均衡，保障了用戶的成功接入概率，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載超過最大負(fù)載時，可通過限制用戶接入方式控制系統(tǒng)負(fù)載，使系統(tǒng)吞吐量維持在一個較高水平。

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作者簡介

白建東 男，（１９８３—），碩士，助理研究員。主要研究方向：衛(wèi)星通信。

賈 岱 男，（１９９０—），博士，高級工程師。

盧 山 女，（１９８２—），博士，高級工程師。

王 宇 男，（１９８５—），碩士，助理研究員。主要研究方向：衛(wèi)星通信。