關于低軌衛星物聯網多址接入應用研究

朱駿 廖曉談 張秀梅

摘 要：人類目前已有的地面物聯網技術覆蓋范圍相對有限，所以低軌衛星物聯網就應運而生，它是作為傳統中地面物聯網的延伸與補充而存在的，它的覆蓋范圍更廣，同時可在單一波束下承載多用戶數，較完美地解決了地面物聯網覆蓋能力不足這一現實問題。文章主要研究了有關低軌衛星物聯網的多址接入協議性能，并對不同的多址接入協議類型及應用進行了針對性解讀。

關鍵詞：低軌衛星物聯網；多址接入協議；性能分析；協議類型

物聯網的重要本質就在于倡導萬物互聯，在低軌衛星系統中，它就希望一改傳統中系統設備功耗偏大、成本較高的現實問題，利用物聯網走低功耗、遠距離、低成本、大容量連接技術路線，即建立低功耗廣域物聯網類型。

1 關于低軌衛星物聯網

低軌衛星物聯網引入了低功耗廣域網連接技術（Low Power Wide Area Network，LPWAN），它的代表性技術就是LoRa未授權頻譜專網接入技術以及NB-IoT授權頻譜公網接入技術。兩種技術都能實現針對終端電池工作的低功耗（可工作10年）應用、強覆蓋（通信范圍可最高達到20 km）應用和大連接（節點數目百萬級）應用。不過兩種技術都需要建立地面基站，而且對地理條件及建設成本要求較高，像高山山地、沙漠以及海洋等地區都無法建設基站[1]。

從低軌衛星通信系統覆蓋范圍層面看，它的覆蓋范圍廣且不會受到任何地理因素影響，可實現大范圍廣播和多址通信，特別是在低軌衛星通信系統應用方面具有傳輸損耗較小、傳播時延較短、多衛星組合形成星座實現全球無縫銜接覆蓋等優勢特點。所以，從目前已有技術來看，低軌衛星通信系統與物聯網確實是相當優秀的行業應用技術組合。

以低軌衛星物聯網的實際應用情況來看，它就基于應用場景劃分為兩大類：第一類為時延容忍型低軌衛星物聯網應用（Delay-Tolerant low-orbit satellite IoT Application，DTA），像比較常用的水文監測、綜合環境監測等都屬于DTA范疇；而時延敏感型應用（Delay Sensitive Application，DSA）則被充分應用于災區救援以及智能電網建設工作當中。但無論是基于DTA還是DSA技術，它們都需要開啟應用低軌衛星物聯網通信系統中的反向鏈路技術應用，即多址接入協議技術。

2 低軌衛星物聯網的多址接入協議技術類型與實際應用

在低軌衛星物聯網中，基于多址接入協議的技術類型很多，它們都歸屬于網絡協議棧中的鏈路層部分，且許多工作則起始于衛星通信的上行鏈路部分，這一技術應用希望解決區域內多用戶的傳輸介質共享問題，同時有效調整、控制接入用戶的數據包傳輸內容，也包括了對包的重傳技術與碰撞解決技術，圍繞這些技術內容建立低軌衛星物聯網技術應用方案，確保通信業務運行穩定。談到通信業務，其所采用的數據包均為短數據包，其數據包突發性較強，也存在業務量分布不均勻的基本特征，這是因為低軌衛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星帶寬利用率的提升辦法，希望它能夠傳輸更多數據，確保衛星在短時間內過境并傳輸更多數據內容。目前，低軌衛星物聯網還加入了多址接入協議技術，這種技術擁有較小的信令開銷，整體靈活性較高且易于實現，相當適合當前低軌衛星物聯網中的DTA與DSA技術應用場景。下文圍繞隨機多址接入協議技術應用理念，重點探討了3種隨機多址接入協議技術應用類型及其具體的技術應用特色要點。

2.1 基于傳統應用的隨機多址接入協議技術類型及其應用特色要點

基于傳統應用的隨機多址接入協議技術類型就包括了最早的P-ALOHA隨機多址接入協議、具有捕獲效應的（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隨機多址接入協議技術應用類型及應用特色要點展開分析。

SREJ-ALOHA具有選擇拒絕能力，不過它依然是以P-ALOHA形式分組發出，在分組技術應用方面作出了改進，例如細分了有限數量的小分組內容，并對分組中的報頭與前同步碼進行了差錯檢測，保證多個分組能夠相互碰撞和信息正確接收。從這一系列工作內容來看，SREJ-ALOHA是具有較高的吞吐量的，可以根據其吞吐量來劃分不同分組，有效增加額外開銷，且將其吞吐量嚴格控制在30%以內。從功能應用層面來看，可以了解到SREJ-ALOHA中是具備傳統P-ALOHA中的所有系統功能，而且它不需要全網定時，可通過長度分組變化克服傳統P-ALOHA吞吐量較低的缺陷問題。總體來看，該SREJ-ALOHA形式具有最為復雜的功能應用方式和多址協議接入內容，所以它的時延性能也表現良好，伴隨當前低軌衛星物聯網應用業務量和分組碰撞概率的不斷增加，合理利用SERJ-ALOHA的高吞吐量也能實現傳統隨機多址接入協議與TDMA方式的相互融合，進一步改善低軌衛星物聯網系統的內部吞吐量[2]。

2.2 基于TDMA應用的隨機多址接入協議技術類型及其應用特色要點

基于TDMA應用方式的隨機多址接入協議技術類型屬于增強型技術，它的技術應用類型包括時隙S-ALOHA、分集時隙DSA以及競爭解決分集時隙CRDSA。在競爭解決分集時隙CRDSA中，它主要基于DSA協議原有技術基礎作出調整改進，例如，它的終端發送數據分組端就有所凈化，能夠保證每組數據分組可額外添加一個數據指針，并有效對應副本時隙位置，每個數據指針都會對應一個數據分組（不受外界干擾）。CRDSA協議專門采用迭代干擾消除技術，它能夠充分利用發生碰撞數據包信息內容有效提高系統吞吐量，如圖1所示。

從圖1可以看出，CRDSA協議在吞吐量性能表現上更勝一籌，所以目前在低軌衛星物聯網中多會采用到CRDSA協議，而選擇性使用DSA和S-ALOHA。

2.3 基于CDMA應用的增強型隨機多址接入協議技術類型及其應用特色要點

最后是基于CDMA應用的增強型隨機多址接入協議技術類型，其中比較常見的是擴頻ALOHA，即SSA。它的吞吐量性能是要遠遠高于S-ALOHA的（大約可達到S-ALOHA的1.7～2.0倍）。再者，SSA本身也不需要實施全網同步，整體上其抗干擾性與抗多徑衰落性能表現良好，能夠在擴頻技術應用方面簡化工作復雜度，解決傳統中所固有的數據包功率不平衡問題，這極大程度上增加了它的系統吞吐量，如圖2所示。

圖2中的SSA擴頻因子達到256，其中FEC的頻率則在1/3左右，整個SSA正處于數據包功率服從與對數正態分布階段，所以SSA呈現吞吐量、負載二者之間的相互平衡發展關系曲線狀態。當負載逐漸增加，功率趨于平衡，系統的吞吐量會達到最高水平。所以說針對SSA協議本身而言就需要進行嚴格功率控制，確保其實際應用功能有效發揮[3]。

3 結語

總結來說，基于低軌衛星物聯網的多址接入協議技術呈現出了較多類型與應用內容，它們都會調整衛星接收端數據分組功率的分布均勻性。而且它的低成本、小型化、抗同頻干擾設計也非常到位，保證了協議吞吐量性能的有效提升。

[參考文獻]

[1]吳庭薇，謝繼東，張更新.LoRa調制在低軌衛星物聯網下適應性研究[J].電視技術，2018（9）：21-25，36.

[2]張更新，揭曉，曲至誠.低軌衛星物聯網的發展現狀及面臨的挑戰[J].物聯網學報，2017（3）：6-9.

[3]高倩，張更新.低軌衛星物聯網多址接入協議研究[J].通信技術，2018（3）：588-592.