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低轨卫星物联网多址接入协议研究

更新时间：2019-12-22 20:51:42 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 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

近年来,物联网技术得到了快速发展,已经在许多领域得到了广泛应用.然而,关于卫星物联网技术的研究还不够充分,很多方面尚处在初级阶段.尤其是物联网大连接、低功耗的特点,对传统卫星通信技术带来了巨大挑战,需要针对卫星物联网的工作特点,研究新型网络架构、组网方式、传输体制和通信协议等内容.因此,针对卫星物联网的多址接入协议开展研究,基于几种可能适用于低轨卫星物联网应用场景的多址接入协议,重点分析比较了这几种协议的吞吐量性能,获得了一些有益的结论.

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第 51 卷 第 3 期  
2018 年 3 月  
通信技术  
Communications Technology  
Vol.51 No.3  
Mar.2018  
doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2018.03.015  
低轨卫星物联网多址接入协议研究 *  
高 倩，张更新  
（中国人民解放军陆军工程大学，江苏 南京 210007）  
摘
要：近年来，物联网技术得到了快速发展，已经在许多领域得到了广泛应用。然而，关于卫  
星物联网技术的研究还不够充分，很多方面尚处在初级阶段。尤其是物联网大连接、低功耗的特  
点，对传统卫星通信技术带来了巨大挑战，需要针对卫星物联网的工作特点，研究新型网络架构、  
组网方式、传输体制和通信协议等内容。因此，针对卫星物联网的多址接入协议开展研究，基于  
几种可能适用于低轨卫星物联网应用场景的多址接入协议，重点分析比较了这几种协议的吞吐量  
性能，获得了一些有益的结论。  
关键词：物联网；低轨卫星；大连接；多址接入；吞吐量性能  
中图分类号：TN927+.23  
文献标志码：A  
文章编号：1002-0802(2018)-03-0588-05  
Research on Multiple Access Protocol Applied to LEO Satellite Constellation for IoTs  
GAO Qian, ZHANG Geng-xin  
(Army Engineering University of PLA, Nanjing Jiangsu 210007, China)  
Abstract: In recent years, the technology of the IoTs has developed rapidly and has been widely used in  
many fields. However, the research on the technology of the satellite-based Internet of things is not enough,  
and many aspects are still in the primary stage. In particular, the characteristics of large connection and  
low power consumption of the IoTs have brought great challenges to the traditional satellite communication  
technology. In view of the characteristics of the work of satellite-based IoTs, it is necessary to study the  
new network architecture, the networking mode, the transmission system and the communication protocol.  
Therefore, the study on the multiple access protocol for application scenarios of Leo satellite-based IoTs  
is carried out. Based on several kinds of multiple access protocols that may be applied to the scenario of  
low earth orbit satellite-based IoTs, the throughput performance of these protocols is mainly analyzed and  
compared, and some useful conclusions are acquired.  
Key words: Internet of things; LEO satellite constellation; large scale connections; multiple accesses;  
throughput performance  
网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。伴随着  
0 引 言  
移动通信技术的发展，全球电信运营商已经构建  
近 年 来， 物 联 网 [1](Internet of Things，IoT）  
了覆盖全球的移动蜂窝网络。但是，若将移动蜂  
技术得到了快速发展，在智能家居、工业自动化  
窝通信技术直接应用于物联网，将存在着设备功  
等领域得到了广泛应用，被视为继计算机、互联  
耗大、成本高等问题。为了适应万物互联的发展  
*
收稿日期：2017-11-20；修回日期：2018-02-03  
Received date:2017-11-20;Revised date:2018-02-03  
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.91338201）  
Foundation Item:  
National Natural Science Foundation of China(No.91338201)  
·588·  
万方数据  
第 51 卷  
高
倩，张更新：低轨卫星物联网多址接入协议研究  
第 3 期  
趋势，低功耗、远距离、低成本、大容量的物联  
网连接技术——低功耗广域网 [2]（Low Power Wide  
Area Network，LPWAN）应运而生。目前，代表  
性的 LPWAN 技术主要包括以 LoRa 为代表的工作  
于未授权频谱的专网接入技术和以 NB-IoT 为代表  
的工作于授权频谱的公网接入技术。LoRa 和 NB-  
IoT 这 2 种技术均实现了低功耗（终端电池工作时  
间约为 10 年）、强覆盖（通信距离长，通信范围  
10 ～ 20 km）和大连接（节点数目达万级，甚至  
百万级）。然而，无论是 NB-IoT 技术还是 LoRa  
技术，都需要在地面建设基站。由于地理条件和  
建设成本的限制，在某些地区（如海洋、沙漠、高山）  
无法建设物联网基站。  
1.1 传统的随机多址接入协议  
1.1.1 纯 ALOHA（P-ALOHA）  
纯 ALOHA（P-ALOHA）方式是最早的随机  
多址接入方式，目前仍有广泛应用。此方式中，  
系统内各用户间无需任何协调，每个终端有数据  
分组到达就可以立即发送。如果由于碰撞造成  
分组丢失，则需经过随机时延后重发此分组。  
ALOHA 最主要的优点是实现简单，用户入网无需  
协调，且业务量较小时具有很好的时延性能。它  
的主要缺点在于，由于存在分组碰撞，其吞吐量  
较低，最高吞吐量只有 18.4%，且存在信道的不稳  
定性，即信道业务量大到一定程度后，由于发生  
分组碰撞的概率大大增加，信道吞吐量不再随业  
务量增加而增加，而是减小。  
卫星通信系统覆盖范围广，不受地理因素的影  
响，能经济地实现广播、多址通信。尤其是低轨卫  
星通信系统，还具有传输损耗小、传播时延短、多  
颗卫星组成的星座可以实现全球无缝覆盖、地面终  
端设计可以小型化的特点，因而成为辅助地面网络  
实现万物互连的最佳选择之一。  
1.1.2 具有捕获效应的 ALOHA（C-ALOHA）  
一般而言，由于各分组的发射功率基本相当，  
因此发生碰撞后无法正确收到碰撞的分组。如果两  
个碰撞分组的发射功率不同，则发生碰撞后功率低  
的分组无法被正确接收，但功率高的分组仍可能被  
正确接收。具有捕获效应的 ALOHA（C-ALOHA）  
就是采用这种原理，通过合理设计各终端的发射  
功率，从而改善系统的吞吐量（最高可以达到  
P-ALOHA 方式的 3 倍）。  
低轨卫星物联网应用场景大体分为两类：（1）  
时 延 容 忍 型 应 用（Delay Tolerant Applications，  
DTA），如环境监测、水文监测等；（2）时延敏  
感型应用（Delay Sensitive Applications，DSA），如  
智能电网、灾区救援等。本文主要讨论 DTA 场景  
下低轨卫星通信系统反向链路的多址接入技术 [3]。  
1.1.3 选择拒绝 ALOHA（SREJ-ALOHA）  
1 多址接入协议的性能分析  
选 择 拒 绝 ALOHA（SREJ-ALOHA） 仍 以  
P-ALOHA 方式进行分组发送，但它对 P-ALOHA  
方式的改进是把每个分组再细分为有限数量的小分  
组。每个小分组也有自己的报头和前同步码，可以  
独立进行差错检测。如果两个分组发生碰撞，未遭  
碰撞的小分组仍可被正确接收，只需要重发发生  
碰撞的那部分小分组即可。虽然 SREJ-ALOHA 方  
式能得到比 P-ALOHA 方式高的吞吐量，但实际  
上需要将每个分组分为若干小分组，增加了额外  
开销，IE 它的吞吐量只能达到 20% ～ 30%。可以  
说，SREJ-ALOHA 具 有 P-ALOHA 系 统 无 需 全 网  
定时、同步及适于可变长度分组的优点，又克服  
了 P-ALOHA 方式吞吐量低的缺点，但其实现要比  
P-ALOHA 方式复杂。  
多址接入协议属于网络协议栈中的链路层，  
工作于卫星通信的上行链路，主要解决多个用户  
如何共享传输介质的问题，包括调整和控制各接  
入用户数据包的传输、包的重传及碰撞解决方案  
等。它的性能高低直接影响网络高层协议的性能。  
低轨卫星物联网中卫星覆盖范围大，接入同一颗  
卫星的用户终端数较多，通信业务以短数据包为  
主，且具有突发性强、业务量分布不均匀的特点。  
由于卫星的带宽和功率资源都是有限的，如何提  
高带宽利用率，以传输更多的数据，并保证在卫  
星过境的短时间内将尽可能多的数据传输至卫星，  
是多址接入协议需要重点解决的问题。研究表明，  
随机多址接入方式具有信令开销小、灵活性高、  
易于实现的优点，比较适合应用于低轨卫星物联  
网 DTA 应用场景。下面将分别阐述传统的随机多  
址接入协议 [4] 及改进后的增强型随机多址接入协  
议，并分析其吞吐量性能。  
传统的随机多址接入协议在业务量较小时具有  
很好的时延性能，但随着业务量的增加，分组碰撞  
的概率增加，导致系统的吞吐量性能并不理想。因  
此，研究者尝试通过将传统的随机多址接入协议与  
·589·  
万方数据  

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