低軌衛星物聯網多址接入協議研究*

高 倩，張更新

0 引 言

衛星通信系統覆蓋范圍廣，不受地理因素的影響，能經濟地實現廣播、多址通信。尤其是低軌衛星通信系統，還具有傳輸損耗小、傳播時延短、多顆衛星組成的星座可以實現全球無縫覆蓋、地面終端設計可以小型化的特點，因而成為輔助地面網絡實現萬物互連的最佳選擇之一。

低軌衛星物聯網應用場景大體分為兩類：（1）時延容忍型應用（Delay Tolerant Applications，DTA），如環境監測、水文監測等；（2）時延敏感型應用（Delay Sensitive Applications，DSA），如智能電網、災區救援等。本文主要討論DTA場景下低軌衛星通信系統反向鏈路的多址接入技術[3]。

1 多址接入協議的性能分析

多址接入協議屬于網絡協議棧中的鏈路層，工作于衛星通信的上行鏈路，主要解決多個用戶如何共享傳輸介質的問題，包括調整和控制各接入用戶數據包的傳輸、包的重傳及碰撞解決方案等。它的性能高低直接影響網絡高層協議的性能。低軌衛星物聯網中衛星覆蓋范圍大，接入同一顆衛星的用戶終端數較多，通信業務以短數據包為主，且具有突發性強、業務量分布不均勻的特點。由于衛星的帶寬和功率資源都是有限的，如何提高帶寬利用率，以傳輸更多的數據，并保證在衛星過境的短時間內將盡可能多的數據傳輸至衛星，是多址接入協議需要重點解決的問題。研究表明，隨機多址接入方式具有信令開銷小、靈活性高、易于實現的優點，比較適合應用于低軌衛星物聯網DTA應用場景。下面將分別闡述傳統的隨機多址接入協議[4]及改進后的增強型隨機多址接入協議，并分析其吞吐量性能。

1.1 傳統的隨機多址接入協議

1.1.1 純ALOHA（P-ALOHA）

純ALOHA（P-ALOHA）方式是最早的隨機多址接入方式，目前仍有廣泛應用。此方式中，系統內各用戶間無需任何協調，每個終端有數據分組到達就可以立即發送。如果由于碰撞造成分組丟失，則需經過隨機時延后重發此分組。ALOHA最主要的優點是實現簡單，用戶入網無需協調，且業務量較小時具有很好的時延性能。它的主要缺點在于，由于存在分組碰撞，其吞吐量較低，最高吞吐量只有18.4%，且存在信道的不穩定性，即信道業務量大到一定程度后，由于發生分組碰撞的概率大大增加，信道吞吐量不再隨業務量增加而增加，而是減小。

1.1.2 具有捕獲效應的ALOHA（C-ALOHA）

一般而言，由于各分組的發射功率基本相當，因此發生碰撞后無法正確收到碰撞的分組。如果兩個碰撞分組的發射功率不同，則發生碰撞后功率低的分組無法被正確接收，但功率高的分組仍可能被正確接收。具有捕獲效應的ALOHA（C-ALOHA）就是采用這種原理，通過合理設計各終端的發射功率，從而改善系統的吞吐量（最高可以達到P-ALOHA方式的3倍）。

并且該控制系統主要目的是通過控制導軌俯仰角α從而控制小球在導軌上的位置x，故可針對系統狀態量x和α設置偏差函數：

1.1.3 選擇拒絕ALOHA（SREJ-ALOHA）

選 擇 拒 絕ALOHA（SREJ-ALOHA） 仍 以P-ALOHA方式進行分組發送，但它對P-ALOHA方式的改進是把每個分組再細分為有限數量的小分組。每個小分組也有自己的報頭和前同步碼，可以獨立進行差錯檢測。如果兩個分組發生碰撞，未遭碰撞的小分組仍可被正確接收，只需要重發發生碰撞的那部分小分組即可。雖然SREJ-ALOHA方式能得到比P-ALOHA方式高的吞吐量，但實際上需要將每個分組分為若干小分組，增加了額外開銷，IE它的吞吐量只能達到20%～30%。可以說，SREJ-ALOHA具有P-ALOHA系統無需全網定時、同步及適于可變長度分組的優點，又克服了P-ALOHA方式吞吐量低的缺點，但其實現要比P-ALOHA方式復雜。

傳統的隨機多址接入協議在業務量較小時具有很好的時延性能，但隨著業務量的增加，分組碰撞的概率增加，導致系統的吞吐量性能并不理想。因此，研究者嘗試通過將傳統的隨機多址接入協議與TDMA方式相結合，以改善系統的吞吐量性能。

1.2 基于TDMA方式的增強型隨機多址接入協議

1.2.1 時隙ALOHA（S-ALOHA）

時隙ALOHA（S-ALOHA）[5]的基本方案：在以轉發器入口為參考點的時間軸上，等間隔地分成許多時隙；各終端發射的分組必須落入某一時隙內，且必須要在一個時隙的開始位置才能發送分組；每個分組的長度不超過時隙長。通過這種改進消除了P-ALOHA中存在的首尾碰撞情況，分組要么成功發送，要么完全碰撞。S-ALOHA的優點是吞吐量比P-ALOHA增大1倍，最高吞吐量達到36.8%。缺點是全網需要定時和同步，每個分組的持續時間不能大于一個時隙的長度，且仍存在信道不穩定性。

1.2.2 分集時隙ALOHA（DSA）

分 集 時 隙 ALOHA（Diversity Slotted Aloha，DSA）[6]在系統負載較小的情況下，比S-ALOHA的吞吐量高一些，但負載增加到一定程度后，它的吞吐量甚至要低于S-ALOHA。DSA在S-ALOHA的基礎上進行了以下改進：終端有數據分組需要發送時，先將這個數據分組發送1次，然后隨機等待幾個時隙再發送1次，使得這2次發送的數據分組位于同一幀的不同時隙，即通過增加發送次數的方式增加數據分組成功接收的概率。由于這種方式增加了系統的負載，使得分組碰撞概率增加，因此改進的效果并不理想。

1.2.3 競爭解決分集時隙ALOHA（CRDSA）

競爭解決分集時隙ALOHA（Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA）[7]在DSA協議的基礎上做了改進：終端發送數據分組時，為每個數據分組額外添加一個指針，指向該數據分組在同一幀里對應副本的時隙位置。只要成功接收到一個數據分組，就能夠利用該數據分組中的時隙位置信息找到其副本分組，從而恢復被該副本分組干擾的數據分組。以此類推，直到不能再恢復出有效信息為止。CRDSA協議采用迭代干擾消除（Iterative Interference Cancellation）的方式，可以更加充分地利用發生碰撞的數據包中含有的信息，提高了系統的吞吐量。圖1給出了上述三種多址方式的吞吐量與負載的關系曲線。從圖1可以發現，CRDSA協議的吞吐量性能相比S-ALOHA、DSA方式有明顯改善。

圖1 SA、DSA和CRDSA的吞吐量與歸一化負載的關系曲線

1.2.4 CRDSA++協議

CRDSA++協議[8]在CRDSA協議基礎上做了兩大改進：一是增加發送數據分組的次數（CRDSA發送2次，CRDSA++發送3～5次），二是利用接收數據分組功率分布不平衡的特點，進一步提高隨機接入協議的吞吐量。圖2給出了幾種CRDSA++協議的吞吐量與歸一化負載的關系曲線。從圖2可以看出，雖然在同一幀中數據分組重發的次數增多會導致分組碰撞概率增加，但發生碰撞時隙分組多元化的增長也能夠更加有效地利用迭代干擾消除技術恢復信息。通過仿真計算，當數據分組重發次數為3次時，系統吞吐量性能最好。CRDSA++協議在吞吐量達到最高點前，隨著負載的增加，吞吐量性能明顯優于CRDSA，但吞吐量達到最高點后，隨著負載的增加，系統吞吐量急劇衰減。因此，使用該協議時要盡量控制負載不能超過達到最大吞吐量時的負載值[9]。

在實際的衛星通信系統中，因為各終端有效全向輻射功率（EIRP）的差異（各終端的天線增益和指向角、射頻功率等有差異）和衛星接收天線增益在不同指向上的差異，致使到達衛星接收端的數據包功率分布很難平衡，所以有必要評估在接收數據包功率分布不平衡情況下的系統吞吐量性能。圖3給出了數據分組重發次數為4次、接收數據包功率服從對數正態分布時，系統吞吐量隨負載的變化關系。仿真中，ES/N0=10 dB，FEC速率為1/2。從圖3可以看到，隨著負載的增加，接收數據包的功率分布波動越大（標準偏差σ越大），系統的吞吐量性能越好。對比功率平衡（σ=0 dB）時的系統吞吐量，CRDSA++協議在功率不平衡的情況下，系統吞吐量性能有了顯著提高。

圖2 SA、CRDSA和CRDSA++的吞吐量與歸一化負載的關系曲線

圖3 CRDSA 4的吞吐量與歸一化負載的關系曲線

基于TDMA方式的隨機多址接入協議中，所有終端都要進行時隙同步，不可避免地增大了系統實現的復雜度。同時，每個終端的EIRP通常是由其數據速率決定的。通過控制EIRP提高吞吐量，會對終端低成本、小型化設計帶來困難。為此，研究者們又提出了與CDMA方式結合的隨機多址接入協議。

1.3 基于CDMA方式的增強型隨機多址接入協議

1.3.1 擴頻ALOHA（SSA）

擴頻ALOHA（Spread Spectrum Aloha，SSA）[10]比S-ALOHA具有更好的系統吞吐量性能，其吞吐量約是S-ALOHA的1.7倍。同時，SSA無需全網同步，且具有較好的抗干擾和抗多徑衰落性能，主要的不足是擴頻技術的實現復雜度及在接收數據包功率不平衡時，其系統吞吐量會嚴重下降。圖4給出了當擴頻因子（Spreading Factor，SF）為256、FEC速率為1/3、接收數據包功率服從對數正態分布時，SSA方式吞吐量與負載之間的關系曲線。從圖4可以看到，隨著負載的增加，功率平衡（σ=0 dB）時，系統的吞吐量較高，其最大吞吐量約為功率不平衡（σ=3 dB）時的1.7倍。因此，采用SSA協議必須要進行嚴格的功率控制[11]。

圖4 SSA的吞吐量與歸一化負載的關系曲線

1.3.2 增強的擴頻ALOHA（ESSA）

增強的擴頻ALOHA（Enhanced Spread Spectrum Aloha，ESSA）協議[12]主要是將循環滑動窗口連續干擾消除（Recursive Sliding Window Successive Interference Cancellation，RSIC） 算法[13]與 SSA 相結合，從而明顯提高了SSA協議的吞吐量性能，尤其是在接收到的數據分組功率不平衡時。圖5是在擴頻因子（Spreading Factor，SF）為256、FEC速率為1/3時得出的結論，給出了ESSA方式吞吐量與負載之間的關系曲線。當接收數據分組功率服從對數正態分布、功率平衡（σ=0 dB）時，ESSA方式下的系統最大吞吐量可達到SSA方式下系統最大吞吐量的2倍；當接收數據分組功率不平衡時，隨著負載的增加，σ越大，系統的吞吐量性能也越好。σ=3 dB時的最大吞吐量幾乎是σ=0 dB時的1.7倍。但是，與CRDSA++協議一樣，當系統吞吐量達到最高點后，隨著負載的增加，吞吐量性能也急劇衰減。因此，使用該協議時也要控制負載不能超過達到最大吞吐量的值。

圖5 ESSA的吞吐量與歸一化負載的關系曲線

2 結 語

本文分析比較了幾種可應用于低軌衛星物聯網時延容忍型應用場景下的多址接入協議的吞吐量性能。由于低軌衛星信道中存在多徑衰落、陰影衰落以及鏈路損耗不均衡等現象，會導致到達衛星接收端的數據分組功率分布不平衡。雖然CRDSA++與ESSA都能利用這一特點進一步提高系統的吞吐量性能，但ESSA的吞吐量性能要優于CRDSA++，且無需全網同步、信令開銷較小，更易于實現終端低成本、小型化設計，且還具有抗同頻干擾、抗多徑衰落能力較強的優點，因而被認為是低軌衛星物聯網中較有應用潛力的多址接入協議。需要指出的是，ESSA協議在負載超過門限值時，其吞吐量性能會嚴重下降。因此，尚需要研究合適的接入控制策略，即下一步的主要研究工作。

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