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低轨卫星物联网数据传输流程设计

更新时间：2019-12-12 09:05:15 大小：2M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：低轨卫星物联网数据传输 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

低轨卫星物联网是解决全球物联网无缝覆盖的唯一手段,但由于低轨卫星通信信道的特殊性,尤其是在低轨卫星通信过程中动态的星际链路造成不连续性等问题导致现有地面物联网协议并不能简单地应用到低轨卫星物联网中,必须要对现有地面物联网协议进行修改才能满足低轨卫星物联网的应用环境,因此,提出了基于窄带物联网的分段式低轨卫星物联网数据传输流程.该流程采用分段的方式,将终端与基站之间的数据传输与卫星数据下发信关站进入核心网的数据传输过程作为两段,在信关站中设立数据处理网关模拟终端与基站之间的信令交互,从而减少链路不连续造成的时延大的问题.仿真验证了改进后数据传输流程在低轨卫星物联网坏境下的适用性以及在吞吐量、丢包率和传输时延上的改进.

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计 算 机 技 术 与 发 展  
COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT  
第 29 卷 第 9 期  
2019 年 9 月  
Vol. 29 No. 9  
Sep. 2019  
轨卫星物联网数据传输流程设计  
崔雪伟,张更新,谢继东,屈德新  
(南京邮电大学 通信与网络技术国家工程研究中心,江苏 南京 210003)  
摘
要:低轨卫星物联网是解决全球物联网无缝覆盖的唯一手段,但由于低轨卫星通信信道的特殊性,尤其是在低轨卫星  
通信过程中动态的星际链路造成不连续性等问题导致现有地面物联网协议并不能简单地应用到低轨卫星物联网中,必须  
要对现有地面物联网协议进行修改才能满足低轨卫星物联网的应用环境,因此,提出了基于窄带物联网的分段式低轨卫  
星物联网数据传输流程。 该流程采用分段的方式,将终端与基站之间的数据传输与卫星数据下发信关站进入核心网的数  
据传输过程作为两段,在信关站中设立数据处理网关模拟终端与基站之间的信令交互,从而减少链路不连续造成的时延  
大的问题。 仿真验证了改进后数据传输流程在低轨卫星物联网坏境下的适用性以及在吞吐量、丢包率和传输时延上的  
改进。  
关键词:分段式流程;低轨卫星星座;窄带物联网;低轨卫星物联网;数据传输流程  
中图分类号:TP927  
文献标识码:A  
文章编号:1673-629X(2019)09-0128-07  
doi:10. 3969 / j. issn. 1673-629X. 2019. 09. 025  
Design of Segmented LEO Satellite IoT Data Transmission Process  
CUI Xue-wei,ZHANG Geng-xin,XIE Ji-dong,QU De-xin  
(National Engineering Research Center for Communication and Network Technology,  
Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)  
Abstract:The LEO satellite IoT is the only means to solve the seamless coverage of the global Internet of Things. However,due to the  
particularity of the LEO satellite communication channel,especially discontinuity caused by dynamic interstellar link in the process of the  
LEO satellite communication which has resulted in existing ground IoT protocol cannot be simply applied to the LEO satellite IoT,the  
existing ground IoT protocol must be modified to meet the application environment of LEO satellite IoT. Therefore,the segmental data  
transmission process of LEO satellite IoT is proposed based on NB-IoT. Adopting a segmentation method,the data transmission process  
between the UE and eNodeB,and the data transmission process of the satellite data sending the gateway to the core network are taken as  
two segments,and the data processing gateway is set up in the gateway to simulate the signaling interaction between the UE and the  
eNodeB,thereby reducing the large delay caused by the discontinuity of the link. The simulation verifies the applicability of the improved  
data transmission process in the LEO satellite IoT environment and the improvement in throughput,packet loss rate and transmission delay.  
Key words:segmented process;LEO satellite constellation;narrow band Internet of Things;LEO satellite IoT;data transmission process  
看,LPWAN 可分为两大类:一类是工作在非授权频段  
0
引 言  
短距 离 通 信 的 物 联 网 技 术 如 ZigBee、 Wi - Fi、  
的 LoRa、Sigfox 等技术,另一类是工作在授权频段下  
3GPP(第三代合作伙伴计划,3rd generation partnership  
project)支持的 2 / 3 / 4 G 蜂窝通信技术,如 NB-IoT 等。  
NB-IoT 作为基于蜂窝网络的新一代物联网技术,基  
于 LTE(long term evolution,长期演进)技术,其标准在  
2016 年 6 月份获得 3GPP 认证,具有完备的网络架构、  
Bluetooth、Z-wave 等[1] ,只适应于小范围的智能应用,  
比如智能家居。 专为低带宽、低功耗、远距离、大量连  
接的物联网应用而设计的 LPWAN(低功耗广域网络,  
low power wide area network),更能适应大范围的工业  
环境,比如智能抄表、环境监控等。 从技术解决方案  
收稿日期:2018-11-11  
修回日期:2019-03-14  
网络出版时间:2019-04-24  
基金项目:国家自然科学基金(91738201)  
作者简介:崔雪伟(1994-),女,硕士研究生,研究方向为卫星通信、通信与网络技术;张更新,教授,博导,研究方向为卫星通信、卫星导航、卫星  
测控、通信与网络技术;谢继东,教授,博导,研究方向为卫星通信;屈德新,副教授,硕导,研究方向为微波技术、天线技术和卫星  
通信。  
万方数据  
网络出版地址:http:/ / kns. cnki. net/ kcms/ detail/ 61. 1450. TP. 20190424. 1055. 068. html  
第 9 期  
崔雪伟等:低轨卫星物联网数据传输流程设计  
·129·  
齐全的产业链和成熟的运营模式[2]  
。
度,超低成本,低功耗设备和优化网络体系架构[4] 。 该  
系统基于 LTE 系统,可以支持 LTE 的大多数功能,并  
针对 NB-IoT 的适用场景进行必要的简化及优化操  
作,减少设备复杂度,降低资源开销。  
作为一种 LPWAN,低轨卫星物联网在解决海洋、  
沙漠、森林、山区及其他偏远地区的物联网覆盖方面具  
有得天独厚的优势,近年来得到广泛的关注[3] 。 但由  
于低轨卫星物联网应用环境的特殊性,导致不能简单  
地照搬地面成熟的 LPWAN 技术。 文中试图通过仿真  
研究 NB-IoT 协议对低轨卫星物联网应用场景的适应  
性,并重点研究了 NB-IoT 协议应用于低轨卫星物联  
网后业务传输流程的设计问题。  
现有的 LTE 流程,对于 NB-IoT 而言,发送单位  
数量的数据,终端的能量消耗和网络信令开销都比较  
高,因此对 NB-IoT 做出了相应的改进[5] ,提出了控制  
面数据优化传输方案和用户面数据优化传输方案。 控  
制面数据传输优化的基本原理是 UE 终端在请求 RRC  
(radio resource control,无线资源控制) 连接建立过程  
中,在无线信令上携带 IP 或者非 IP 小数据包,利用控  
制面传输用户数据。 用户面数据优化传输方案的基本  
原理是 引 入 RRC 连 接 挂 起 和 恢 复 流 程, 可 以 减 少  
RRC 重建立带来的更多的信令交互。 为优化整个流  
程,NB -IoT 也在网络架构上做了相应改进,如图 1  
所示。  
1
NB-IoT 的业务流程研究  
1. 1 NB-IoT 概述  
在 3GPP Rel13 中引入的窄带物联网(NB-IoT)技  
术是这样定义的:蜂窝物联网的无线接入,在很大程度  
上基 于 非 后 向 兼 容 的 E - UTRA ( evolved universal  
terrestrial radio access,演进的通用陆地无线电接入),  
增强室内覆盖,支持大量的低吞吐量设备,低延迟敏感  
eNodeB  
NB-IoT  
NB-IoT  
UE  
NB-IoT  
eNodeB  
图 1 NB-IoT 端到端系统架构  
图 1 中各网元实体的功能如下:  
(5)NB-IoT 应用服务:通过 IoT 平台得到的数  
据,根据用户需要提供相应的服务。 可以进行数据分  
(1)UE(终端):作为 NB-IoT 连接万物构成物联  
网的主导设备,终端进行数据传输需要协商 NB-IoT  
的能力[6] ,支持控制面传输方案和用户面传输方案,在  
进行上行数据传输时,可以进行上行功率控制。  
(2)eNodeB(基站):NB-IoT 可共用 LTE 的基站,  
也为 NB- IoT 进行了一系列的性能优化,比如支持  
RRC 连接挂起和恢复,会在 eNodeB 中存储连接上下  
文信息以便更快恢复连接。  
析,比如地质监测、智能电表等服务[8]  
。
1. 2 NB-IoT 数据传输业务流程  
在 NB-IoT 中,使用用户面优化数据传输方案的  
前提是 UE 已经在初始阶段进行网络附着,并在 UE 侧  
建立 AS(access stratum,接入层)承载和存储 AS 安全  
上下文,而且通过 RRC 连接挂起操作将 RRC 连接挂  
起。 当 UE 处 于 空 闲 态, 任 何 NAS ( non - access  
stratum,非接入层)触发的相关操作都可能引起 UE 尝  
(3)NB-IoT 核心网:在实际网络应用中,为减少  
物理网元实体个数,会将部分核心网网元,如 MME  
(mobility management entity,移动管理实体),S-GW  
(serving gateway, 服 务 网 关 ), P - GW ( packet data  
network gateway,分组数据网关) 一起 部 署, 称 之 为  
CIoT 服务网关节点[7] 。 核心网的主要功能是承担与  
终端非接入层的交互功能,NB-IoT 可以与 LTE 共用  
核心网也可以单独组网。  
试进行 RRC 连接恢复操作[9]  
。
UE 在进行 RRC 连接恢复操作前保证 UE 已经存  
储了用于连接恢复的相关信息,具体 RRC 连接恢复操  
作如图 2 所示。  
图 2 中的流程简述如下:  
(1)UE 向 eNodeB 发起 RRC 连接恢复请求,UE  
会将存储的连接恢复标识同 RRC 连接恢复请求一同  
发送给 eNodeB 进行上下文恢复。 该连接恢复标识是  
在 RRC 连接挂起时 eNodeB 生成并同 RRC 连接挂起  
(4)NB-IoT 数据平台:将得到的各种 NB-IoT 的  
万方数据  
数据汇聚在一起,为各种应用服务提供云服务平台。  

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