卫星物联网终端侧MAC层协议研究

发布时间：2020-04-18 09:49

【摘要】：近年来,物联网技术快速发展,应用场景涵盖了社会生活的方方面面。然而,诸如环境监测等物联网场景中,陆地移动通信基站难以在一些人口密度小而地域辽阔的地区,以及海洋、森林、高山等区域搭建,通常无法为这些地区提供物联网服务。卫星通信技术也在不断发展,卫星链路容量有所提升且低轨卫星星座设计研究已有一些成果。因此,使用低轨卫星组网代替地面基站服务于物联网终端将是未来物联网发展的趋势之一。然而,卫星通信和地面移动通信在链路状况、通信距离等方面都不尽相同,并且物联网与地面移动通信的业务类型也存在差异。因此,地面移动蜂窝通信协议不能很好地适应卫星物联网的通信场景,设计一套符合卫星物联网场景的通信协议显得尤为重要。在卫星通信中可以使用Aloha方式进行接入,但Aloha的吞吐量性能较差,所以选取合适的MAC层接入算法是当前亟需解决的问题。本论文首先介绍了卫星物联网通信系统以及研究现状,总结并阐述了卫星通信与物联网系统、MAC层及相关协议层的设计与功能、MAC层接入算法等技术。针对现有MAC层接入算法中随着负载增大网络吞吐量下降的问题,本论文根据卫星物联网系统的场景特点,提出了一种基于终端发送概率的分布式竞争接入方法。方法根据接入星的广播信息得出当前网络的负载情况,进而使用遗传算法计算出每个终端在当前负载下的发送概率,每个终端独立地依据计算出的发送概率发送数据,从而有效地改善网络吞吐量和丢包率等性能。其次,本论文针对终端侧MAC层协议设计了具体的协议模块并搭建了软件平台,用以验证协议的可能性,在软件平台中进行了软件架构、随机接入模块、信道映射模块和信道复用模块的设计和搭建。论文的仿真验证表明基于终端发送概率的分布式接入方案可以有效改善网络吞吐量,同时降低了系统的丢包率。终端侧MAC层协议软件平台也可以验证协议的可行性。
【图文】：

地面站,卫星,通信卫星,基本参数确定

接收广播卫星信号的终端等。移动终端可以在移动中与卫星通信，例如卫星电话逡逑终端。此外，固定终端和移动终端的使用频率也有所不同。卫星物联网的结构示逡逑意图如图２－１所示。逡逑－Ｓ－逡逑中Ｗ中逡逑／通信卫星逦通信卫星丨逡逑／／邋＼逡逑煖球邋＼＼逡逑机载终端逦＼邋＼逡逑固定终端逦＼逡逑麝１幽邋怒逡逑佊终端Ａ邋辅终￥逡逑Ｑ逦信关站逡逑手持终端逡逑图２－１卫星物联网结构示意图逡逑通信卫星链路可由几个基本参数确定，每个地面站都有上行（地面站到卫星）逡逑和下行（卫星到地面站）链路。星上接收上行链路信号，对信号进行放大并有可逡逑能进行处理，随后以新的格式将该信号发送回地面的电子设备称为转发器。逡逑依据卫星轨道高度，可以将卫星分为低轨、中轨、高轨和高地球轨道卫星。逡逑ＧＥＯ卫星处于赤道面的圆轨道，与地球自转运行速度相同，轨道高度为３６０００千逡逑米。ＧＥＯ卫星的地面天线固定不变，不需追踪卫星。ＬＥＯ卫星是比较常用的卫逡逑星之一，距离地球的轨道高度约为１６０千米？２０００千米的圆轨道。ＬＥＯ卫星的时逡逑延较小

卫星,无线链路,终端,协议栈

接收广播卫星信号的终端等。移动终端可以在移动中与卫星通信，例如卫星电话逡逑终端。此外，，固定终端和移动终端的使用频率也有所不同。卫星物联网的结构示逡逑意图如图２－１所示。逡逑－Ｓ－逡逑中Ｗ中逡逑／通信卫星逦通信卫星丨逡逑／／邋＼逡逑煖球邋＼＼逡逑机载终端逦＼邋＼逡逑固定终端逦＼逡逑麝１幽邋怒逡逑佊终端Ａ邋辅终￥逡逑Ｑ逦信关站逡逑手持终端逡逑图２－１卫星物联网结构示意图逡逑通信卫星链路可由几个基本参数确定，每个地面站都有上行（地面站到卫星）逡逑和下行（卫星到地面站）链路。星上接收上行链路信号，对信号进行放大并有可逡逑能进行处理，随后以新的格式将该信号发送回地面的电子设备称为转发器。逡逑依据卫星轨道高度，可以将卫星分为低轨、中轨、高轨和高地球轨道卫星。逡逑ＧＥＯ卫星处于赤道面的圆轨道，与地球自转运行速度相同，轨道高度为３６０００千逡逑米。ＧＥＯ卫星的地面天线固定不变，不需追踪卫星。ＬＥＯ卫星是比较常用的卫逡逑星之一，距离地球的轨道高度约为１６０千米？２０００千米的圆轨道。ＬＥＯ卫星的时逡逑延较小
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.44;TN927.2

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