關(guān)于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)多址接入應(yīng)用研究

朱駿 廖曉談 張秀梅

摘 要：人類目前已有的地面物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)覆蓋范圍相對(duì)有限，所以低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)就應(yīng)運(yùn)而生，它是作為傳統(tǒng)中地面物聯(lián)網(wǎng)的延伸與補(bǔ)充而存在的，它的覆蓋范圍更廣，同時(shí)可在單一波束下承載多用戶數(shù)，較完美地解決了地面物聯(lián)網(wǎng)覆蓋能力不足這一現(xiàn)實(shí)問題。文章主要研究了有關(guān)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的多址接入?yún)f(xié)議性能，并對(duì)不同的多址接入?yún)f(xié)議類型及應(yīng)用進(jìn)行了針對(duì)性解讀。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)；多址接入?yún)f(xié)議；性能分析；協(xié)議類型

物聯(lián)網(wǎng)的重要本質(zhì)就在于倡導(dǎo)萬物互聯(lián)，在低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中，它就希望一改傳統(tǒng)中系統(tǒng)設(shè)備功耗偏大、成本較高的現(xiàn)實(shí)問題，利用物聯(lián)網(wǎng)走低功耗、遠(yuǎn)距離、低成本、大容量連接技術(shù)路線，即建立低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)類型。

1 關(guān)于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)

低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)引入了低功耗廣域網(wǎng)連接技術(shù)（Low Power Wide Area Network，LPWAN），它的代表性技術(shù)就是LoRa未授權(quán)頻譜專網(wǎng)接入技術(shù)以及NB-IoT授權(quán)頻譜公網(wǎng)接入技術(shù)。兩種技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)針對(duì)終端電池工作的低功耗（可工作10年）應(yīng)用、強(qiáng)覆蓋（通信范圍可最高達(dá)到20 km）應(yīng)用和大連接（節(jié)點(diǎn)數(shù)目百萬級(jí)）應(yīng)用。不過兩種技術(shù)都需要建立地面基站，而且對(duì)地理?xiàng)l件及建設(shè)成本要求較高，像高山山地、沙漠以及海洋等地區(qū)都無法建設(shè)基站[1]。

從低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍層面看，它的覆蓋范圍廣且不會(huì)受到任何地理因素影響，可實(shí)現(xiàn)大范圍廣播和多址通信，特別是在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用方面具有傳輸損耗較小、傳播時(shí)延較短、多衛(wèi)星組合形成星座實(shí)現(xiàn)全球無縫銜接覆蓋等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。所以，從目前已有技術(shù)來看，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)確實(shí)是相當(dāng)優(yōu)秀的行業(yè)應(yīng)用技術(shù)組合。

以低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況來看，它就基于應(yīng)用場(chǎng)景劃分為兩大類：第一類為時(shí)延容忍型低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（Delay-Tolerant low-orbit satellite IoT Application，DTA），像比較常用的水文監(jiān)測(cè)、綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)等都屬于DTA范疇；而時(shí)延敏感型應(yīng)用（Delay Sensitive Application，DSA）則被充分應(yīng)用于災(zāi)區(qū)救援以及智能電網(wǎng)建設(shè)工作當(dāng)中。但無論是基于DTA還是DSA技術(shù)，它們都需要開啟應(yīng)用低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中的反向鏈路技術(shù)應(yīng)用，即多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)。

2 低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)類型與實(shí)際應(yīng)用

在低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中，基于多址接入?yún)f(xié)議的技術(shù)類型很多，它們都?xì)w屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的鏈路層部分，且許多工作則起始于衛(wèi)星通信的上行鏈路部分，這一技術(shù)應(yīng)用希望解決區(qū)域內(nèi)多用戶的傳輸介質(zhì)共享問題，同時(shí)有效調(diào)整、控制接入用戶的數(shù)據(jù)包傳輸內(nèi)容，也包括了對(duì)包的重傳技術(shù)與碰撞解決技術(shù)，圍繞這些技術(shù)內(nèi)容建立低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方案，確保通信業(yè)務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定。談到通信業(yè)務(wù)，其所采用的數(shù)據(jù)包均為短數(shù)據(jù)包，其數(shù)據(jù)包突發(fā)性較強(qiáng)，也存在業(yè)務(wù)量分布不均勻的基本特征，這是因?yàn)榈蛙壭l(wèi)星的帶寬與功率資源都極其有限。為此，人們目前正在研究低軌衛(wèi)星帶寬利用率的提升辦法，希望它能夠傳輸更多數(shù)據(jù)，確保衛(wèi)星在短時(shí)間內(nèi)過境并傳輸更多數(shù)據(jù)內(nèi)容。目前，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)還加入了多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)，這種技術(shù)擁有較小的信令開銷，整體靈活性較高且易于實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)適合當(dāng)前低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中的DTA與DSA技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。下文圍繞隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)應(yīng)用理念，重點(diǎn)探討了3種隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)應(yīng)用類型及其具體的技術(shù)應(yīng)用特色要點(diǎn)。

2.1 基于傳統(tǒng)應(yīng)用的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)類型及其應(yīng)用特色要點(diǎn)

基于傳統(tǒng)應(yīng)用的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)類型就包括了最早的P-ALOHA隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議、具有捕獲效應(yīng)的（C-ALOHA）以及具有選擇拒絕能力的（SREJ-ALOHA）。本文主要圍繞具有選擇拒絕能力的SREJ-ALOHA隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)應(yīng)用類型及應(yīng)用特色要點(diǎn)展開分析。

SREJ-ALOHA具有選擇拒絕能力，不過它依然是以P-ALOHA形式分組發(fā)出，在分組技術(shù)應(yīng)用方面作出了改進(jìn)，例如細(xì)分了有限數(shù)量的小分組內(nèi)容，并對(duì)分組中的報(bào)頭與前同步碼進(jìn)行了差錯(cuò)檢測(cè)，保證多個(gè)分組能夠相互碰撞和信息正確接收。從這一系列工作內(nèi)容來看，SREJ-ALOHA是具有較高的吞吐量的，可以根據(jù)其吞吐量來劃分不同分組，有效增加額外開銷，且將其吞吐量嚴(yán)格控制在30%以內(nèi)。從功能應(yīng)用層面來看，可以了解到SREJ-ALOHA中是具備傳統(tǒng)P-ALOHA中的所有系統(tǒng)功能，而且它不需要全網(wǎng)定時(shí)，可通過長(zhǎng)度分組變化克服傳統(tǒng)P-ALOHA吞吐量較低的缺陷問題?？傮w來看，該SREJ-ALOHA形式具有最為復(fù)雜的功能應(yīng)用方式和多址協(xié)議接入內(nèi)容，所以它的時(shí)延性能也表現(xiàn)良好，伴隨當(dāng)前低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)量和分組碰撞概率的不斷增加，合理利用SERJ-ALOHA的高吞吐量也能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議與TDMA方式的相互融合，進(jìn)一步改善低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)部吞吐量[2]。

2.2 基于TDMA應(yīng)用的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)類型及其應(yīng)用特色要點(diǎn)

基于TDMA應(yīng)用方式的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)類型屬于增強(qiáng)型技術(shù)，它的技術(shù)應(yīng)用類型包括時(shí)隙S-ALOHA、分集時(shí)隙DSA以及競(jìng)爭(zhēng)解決分集時(shí)隙CRDSA。在競(jìng)爭(zhēng)解決分集時(shí)隙CRDSA中，它主要基于DSA協(xié)議原有技術(shù)基礎(chǔ)作出調(diào)整改進(jìn)，例如，它的終端發(fā)送數(shù)據(jù)分組端就有所凈化，能夠保證每組數(shù)據(jù)分組可額外添加一個(gè)數(shù)據(jù)指針，并有效對(duì)應(yīng)副本時(shí)隙位置，每個(gè)數(shù)據(jù)指針都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)分組（不受外界干擾）。CRDSA協(xié)議專門采用迭代干擾消除技術(shù)，它能夠充分利用發(fā)生碰撞數(shù)據(jù)包信息內(nèi)容有效提高系統(tǒng)吞吐量，如圖1所示。

從圖1可以看出，CRDSA協(xié)議在吞吐量性能表現(xiàn)上更勝一籌，所以目前在低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中多會(huì)采用到CRDSA協(xié)議，而選擇性使用DSA和S-ALOHA。

2.3 基于CDMA應(yīng)用的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)類型及其應(yīng)用特色要點(diǎn)

最后是基于CDMA應(yīng)用的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)類型，其中比較常見的是擴(kuò)頻ALOHA，即SSA。它的吞吐量性能是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S-ALOHA的（大約可達(dá)到S-ALOHA的1.7～2.0倍）。再者，SSA本身也不需要實(shí)施全網(wǎng)同步，整體上其抗干擾性與抗多徑衰落性能表現(xiàn)良好，能夠在擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用方面簡(jiǎn)化工作復(fù)雜度，解決傳統(tǒng)中所固有的數(shù)據(jù)包功率不平衡問題，這極大程度上增加了它的系統(tǒng)吞吐量，如圖2所示。

圖2中的SSA擴(kuò)頻因子達(dá)到256，其中FEC的頻率則在1/3左右，整個(gè)SSA正處于數(shù)據(jù)包功率服從與對(duì)數(shù)正態(tài)分布階段，所以SSA呈現(xiàn)吞吐量、負(fù)載二者之間的相互平衡發(fā)展關(guān)系曲線狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載逐漸增加，功率趨于平衡，系統(tǒng)的吞吐量會(huì)達(dá)到最高水平。所以說針對(duì)SSA協(xié)議本身而言就需要進(jìn)行嚴(yán)格功率控制，確保其實(shí)際應(yīng)用功能有效發(fā)揮[3]。

3 結(jié)語

總結(jié)來說，基于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的多址接入?yún)f(xié)議技術(shù)呈現(xiàn)出了較多類型與應(yīng)用內(nèi)容，它們都會(huì)調(diào)整衛(wèi)星接收端數(shù)據(jù)分組功率的分布均勻性。而且它的低成本、小型化、抗同頻干擾設(shè)計(jì)也非常到位，保證了協(xié)議吞吐量性能的有效提升。

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