关于低轨卫星物联网多址接入应用研究

朱骏 廖晓谈 张秀梅

摘 要：人类目前已有的地面物联网技术覆盖范围相对有限，所以低轨卫星物联网就应运而生，它是作为传统中地面物联网的延伸与补充而存在的，它的覆盖范围更广，同时可在单一波束下承载多用户数，较完美地解决了地面物联网覆盖能力不足这一现实问题。文章主要研究了有关低轨卫星物联网的多址接入协议性能，并对不同的多址接入协议类型及应用进行了针对性解读。

关键词：低轨卫星物联网；多址接入协议；性能分析；协议类型

物联网的重要本质就在于倡导万物互联，在低轨卫星系统中，它就希望一改传统中系统设备功耗偏大、成本较高的现实问题，利用物联网走低功耗、远距离、低成本、大容量连接技术路线，即建立低功耗广域物联网类型。

1 关于低轨卫星物联网

低轨卫星物联网引入了低功耗广域网连接技术（Low Power Wide Area Network，LPWAN），它的代表性技术就是LoRa未授权频谱专网接入技术以及NB-IoT授权频谱公网接入技术。两种技术都能实现针对终端电池工作的低功耗（可工作10年）应用、强覆盖（通信范围可最高达到20 km）应用和大连接（节点数目百万级）应用。不过两种技术都需要建立地面基站，而且对地理条件及建设成本要求较高，像高山山地、沙漠以及海洋等地区都无法建设基站[1]。

从低轨卫星通信系統覆盖范围层面看，它的覆盖范围广且不会受到任何地理因素影响，可实现大范围广播和多址通信，特别是在低轨卫星通信系统应用方面具有传输损耗较小、传播时延较短、多卫星组合形成星座实现全球无缝衔接覆盖等优势特点。所以，从目前已有技术来看，低轨卫星通信系统与物联网确实是相当优秀的行业应用技术组合。

以低轨卫星物联网的实际应用情况来看，它就基于应用场景划分为两大类：第一类为时延容忍型低轨卫星物联网应用（Delay-Tolerant low-orbit satellite IoT Application，DTA），像比较常用的水文监测、综合环境监测等都属于DTA范畴；而时延敏感型应用（Delay Sensitive Application，DSA）则被充分应用于灾区救援以及智能电网建设工作当中。但无论是基于DTA还是DSA技术，它们都需要开启应用低轨卫星物联网通信系统中的反向链路技术应用，即多址接入协议技术。

2 低轨卫星物联网的多址接入协议技术类型与实际应用

在低轨卫星物联网中，基于多址接入协议的技术类型很多，它们都归属于网络协议栈中的链路层部分，且许多工作则起始于卫星通信的上行链路部分，这一技术应用希望解决区域内多用户的传输介质共享问题，同时有效调整、控制接入用户的数据包传输内容，也包括了对包的重传技术与碰撞解决技术，围绕这些技术内容建立低轨卫星物联网技术应用方案，确保通信业务运行稳定。谈到通信业务，其所采用的数据包均为短数据包，其数据包突发性较强，也存在业务量分布不均匀的基本特征，这是因为低轨卫星的带宽与功率资源都极其有限。为此，人们目前正在研究低轨卫星带宽利用率的提升办法，希望它能够传输更多数据，确保卫星在短时间内过境并传输更多数据内容。目前，低轨卫星物联网还加入了多址接入协议技术，这种技术拥有较小的信令开销，整体灵活性较高且易于实现，相当适合当前低轨卫星物联网中的DTA与DSA技术应用场景。下文围绕随机多址接入协议技术应用理念，重点探讨了3种随机多址接入协议技术应用类型及其具体的技术应用特色要点。

2.1 基于传统应用的随机多址接入协议技术类型及其应用特色要点

基于传统应用的随机多址接入协议技术类型就包括了最早的P-ALOHA随机多址接入协议、具有捕获效应的（C-ALOHA）以及具有选择拒绝能力的（SREJ-ALOHA）。本文主要围绕具有选择拒绝能力的SREJ-ALOHA随机多址接入协议技术应用类型及应用特色要点展开分析。

SREJ-ALOHA具有选择拒绝能力，不过它依然是以P-ALOHA形式分组发出，在分组技术应用方面作出了改进，例如细分了有限数量的小分组内容，并对分组中的报头与前同步码进行了差错检测，保证多个分组能够相互碰撞和信息正确接收。从这一系列工作内容来看，SREJ-ALOHA是具有较高的吞吐量的，可以根据其吞吐量来划分不同分组，有效增加额外开销，且将其吞吐量严格控制在30%以内。从功能应用层面来看，可以了解到SREJ-ALOHA中是具备传统P-ALOHA中的所有系统功能，而且它不需要全网定时，可通过长度分组变化克服传统P-ALOHA吞吐量较低的缺陷问题。总体来看，该SREJ-ALOHA形式具有最为复杂的功能应用方式和多址协议接入内容，所以它的时延性能也表现良好，伴随当前低轨卫星物联网应用业务量和分组碰撞概率的不断增加，合理利用SERJ-ALOHA的高吞吐量也能实现传统随机多址接入协议与TDMA方式的相互融合，进一步改善低轨卫星物联网系统的内部吞吐量[2]。

2.2 基于TDMA应用的随机多址接入协议技术类型及其应用特色要点

基于TDMA应用方式的随机多址接入协议技术类型属于增强型技术，它的技术应用类型包括时隙S-ALOHA、分集时隙DSA以及竞争解决分集时隙CRDSA。在竞争解决分集时隙CRDSA中，它主要基于DSA协议原有技术基础作出调整改进，例如，它的终端发送数据分组端就有所净化，能够保证每组数据分组可额外添加一个数据指针，并有效对应副本时隙位置，每个数据指针都会对应一个数据分组（不受外界干扰）。CRDSA协议专门采用迭代干扰消除技术，它能够充分利用发生碰撞数据包信息内容有效提高系统吞吐量，如图1所示。

从图1可以看出，CRDSA协议在吞吐量性能表现上更胜一筹，所以目前在低轨卫星物联网中多会采用到CRDSA协议，而选择性使用DSA和S-ALOHA。

2.3 基于CDMA应用的增强型随机多址接入协议技术类型及其应用特色要点

最后是基于CDMA应用的增强型随机多址接入协议技术类型，其中比较常见的是扩频ALOHA，即SSA。它的吞吐量性能是要远远高于S-ALOHA的（大约可达到S-ALOHA的1.7～2.0倍）。再者，SSA本身也不需要实施全网同步，整体上其抗干扰性与抗多径衰落性能表现良好，能够在扩频技术应用方面简化工作复杂度，解决传统中所固有的数据包功率不平衡问题，这极大程度上增加了它的系统吞吐量，如图2所示。

图2中的SSA扩频因子达到256，其中FEC的频率则在1/3左右，整个SSA正处于数据包功率服从与对数正态分布阶段，所以SSA呈现吞吐量、负载二者之间的相互平衡发展关系曲线状态。当负载逐渐增加，功率趋于平衡，系统的吞吐量会达到最高水平。所以说针对SSA协议本身而言就需要进行严格功率控制，确保其实际应用功能有效发挥[3]。

3 结语

总结来说，基于低轨卫星物联网的多址接入协议技术呈现出了较多类型与应用内容，它们都会调整卫星接收端数据分组功率的分布均匀性。而且它的低成本、小型化、抗同频干扰设计也非常到位，保证了协议吞吐量性能的有效提升。

[参考文献]

[1]吴庭薇，谢继东，张更新.LoRa调制在低轨卫星物联网下适应性研究[J].电视技术，2018（9）：21-25，36.

[2]张更新，揭晓，曲至诚.低轨卫星物联网的发展现状及面临的挑战[J].物联网学报，2017（3）：6-9.

[3]高倩，张更新.低轨卫星物联网多址接入协议研究[J].通信技术，2018（3）：588-592.