卫星物联网系统中多址接入技术研究

发布时间：2020-11-08 12:53

　　 卫星通信网络作为国家信息网络的重要基础设施,以其覆盖范围广、不受地理、气候因素限制等特点,在维护国家安全、促进经济发展等方面有着巨大的战略意义,是全球范围内的研究热点和各国经济、科技竞争的制高点。随着第五代移动通信系统(5G)即将投入商用,卫星通信与地面5G的融合成为人们关注的热点。其中,物联网应用作为5G系统中一个典型的应用场景,其业务规模逐年增长,具有广泛应用前景。但由于空间、环境等因素限制使得传统基于地面通信系统的物联网应用在森林地区灾害监测、远海监测、野生动物跟踪监测等领域出现了服务能力与需求失配的现象。而卫星通信系统凭借着其覆盖范围广、系统抗毁性强等优势,可以为放置在偏远地区的物联网终端提供接入服务,可在全球范围内实现真正意义上的“万物互联”。卫星物联网系统的出现给物联网应用带来新的机遇,但同时也对其通信技术提出了新的挑战。如何在卫星多维通信资源受限情况下,满足海量用户接入需求,并且保证用户的服务质量(Quality of Service,QoS)是亟待解决的问题。多址接入技术旨在从不同维度切割并分配系统资源粒度,在提升系统资源利用率、降低终端接入时延、节省终端功耗等方面起着至关重要的作用。本文针对卫星物联网系统中的多址接入技术进行了研究,主要创新性工作及成果如下:(1)针对多星协作通信场景中,上行异步随机接入设计问题,提出了一种基于空天异构时延的多星协同异步随机接入(Asynchronous Cooperative ALOHA,ACA)方案。该方案利用未来卫星物联网系统中卫星节点数量多的优势,采用空间分集的思想,每个数据包只需要发送一次,可被多颗卫星同时接收。在信关站处利用用户数据到达不同卫星时间上的差异性,采用滑动相关技术确定数据包位置,通过跨节点迭代干扰消除实现多用户数据检测。基于此,作者通过建立理论分析模型,分析了该方案的性能。结果表明,ACA方案可在终端不增加额外信令、功率开销的前提下,获得较高的系统吞吐量。(2)针对上行免调度稀疏码分多址接入过程中,相同码本冲突解决问题,提出了基于反转分集的上行免调度异步稀疏码分多址接入方案(Asynchronous Flipped Grant-Free SCMA,AF-SCMA)。通过分析相同SCMA码本冲突对系统性能的影响,利用反转分集的思想,构造了新型数据包发送结构,即每个数据包和其反转副本分别采用不同SCMA码本进行编码,并同时发射。在接收端采用滑动窗口对多用户数据进行检测,利用迭代干扰消除技术,以Zigzag的方式解决数据包冲突问题。基于此,作者建立了理论分析模型,分析了该方案的性能,并提出一种可行的前导序列设计思路。结果表明,该方案可以有效缓解免调度异步SCMA系统中相同码本冲突引入的负面影响,并在终端可接受功耗范围内,提升频谱利用率。(3)针对卫星物联网系统中具有能量捕获能力的物联网终端分布式随机接入策略优化问题,提出了基于博弈理论的能量捕获终端分布式随机接入策略优化(Energy Harvested Satellite Terminal Distributed Random Access Optimal Policy,EH-ST-DRAOP)算法。首先将分布式随机接入策略优化问题建立为最大化系统长期吞吐量问题,并利用博弈论思想,对优化问题进行求解。由于每个终端都采用相同接入策略,作者通过分析对称纳什均衡的满足条件,证明了对称纳什均衡点的存在性和唯一性,并利用策略迭代算法和二分法对其求解,并证明了该对称纳什均衡点即为原始优化问题的最优解。该策略有效地管理了卫星物联网系统中具备能量捕获能力终端的能量,并可限制丢包率不超过门限值的同时,获得优异的吞吐量性能,且可在能量捕获速率较高时,取得较高的数据发送概率和较低的接入时延。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.44;TN927.2
【部分图文】：

卫星物联网系统是以卫星通信网络为核心和基础，融合了天基导航、遥感等??服务，为物品与物品、人与物品、人与人提供无障碍交互的综合信息系统［１］。卫??星物联网系统由空间段和地面段两部分组成，系统架构如图２－１所示。其中，空??间段主要由高、中、低轨通信卫星系统以及导航定位系统和卫星遥感探测系统组??成，是终端与信关站的空中接口，可视为系统的接入网。地面段由各类感知节点??以及卫星地面站组成。其中感知节点可视为物联网终端，主要由各种类型传感器??组成，它们被放置在监测区域，用于采集获取位置、温度、湿度、ｐＨ等信息，??并将其通过用户链路上传给空间段接入节点［２］。物联网终端由于自身能量有限，??其计算、存储等方面能力也收到不同程度的限制。但近年来，随着能量捕获??（Ｅｎｅｒｇｙ?Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ，ＥＨ）技术的不断成熟，传感器终端数上也都配备了?ＥＨ装??置，使得传感器可以从周围的环境中获取能量（如：太阳能、风能等）来补充自??１６??

确认（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ，?Ａｃｋ）机制通知每个终端的数据是否被成功接收。如??果数据发送失败，为避免数据重复碰撞，终端会随机选取一段时间之后重新发送??该数据包。ＡＬＯＨＡ通信原理示意图如图２－２所示。??终端１??—Ｉ?？?？时间??终端２?］?］???歌传?？???Ｈ?＇?！??！??１?！?ｒ．??？时间??终端３?Ｉ?！?！?Ｉ?！??＾重传—！￣???－?—Ｉ?＇?＇??ｊ?ｊ—！?！?？时间??接收机?????????????■?１?１＿Ｉ?１?１?１—Ｉ?１?？时间??成功接收?冲突?成功接收?成功接收??图２－２?ＡＬＯＨＡ通信原理示意图??由于数据包冲突的影响，导致ＡＬＯＨＡ系统的频谱利用率非常低。假设终端??数据包到达概率在一个数据包持续时间／内服从参数为；Ｉ的泊松分布。则在一个??数据包持续时间／范围内，有Ａ个数据包同时到达的概率可表示为公式（２－１）：??Ｕｔ）ｋ?．??尸＝?（２＿１）??若数据包能被成功接收，需要在２？时间段内没有其他数据包到达，因此数据包??成功接收的概率为：??Ａ＝＾－＾｜，＝〇＝＾?（２－２）??定义系统负载为Ｇ?＝?因此ＡＬＯＨＡ系统吞吐量为：??２０??

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本文编号：2874811