基于终端位置及业务优先级的卫星物联网资源分配方法

王力权，张开禾

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

在卫星互联网成为我国新基站的时代背景下，低轨互联网星座系统具有全天时、全球覆盖、不受气候影响的优点，利用低轨卫星进行信号转接可实现移动用户间或移动用户与固定用户间相互通信。低轨星座系统的广域覆盖性不仅可以提供全球无缝覆盖的移动通信服务、互联网接入服务，还可以兼顾窄带物联网接入服务。采用低轨星座构建卫星物联网系统能够实现真正意义上的全球无缝覆盖，解决高轨卫星存在的南山效应、地面基站覆盖盲区等其他系统问题，而且传输时延低至几个毫秒的量级，传输损耗小，利于终端设备的低功耗、小型化[1-2]。因此，为解决物联网泛在通信需求，单纯依靠地面网络和高轨卫星系统发展面临极大困难，利用低轨星座提供低功耗、低成本、全球覆盖的物联网应用服务具有很大的优势[3-5]。从卫星物联网系统看，目前现有在轨工作的、可以提供物联网服务的系统大致有国外的Orbcomm星座系统、铱星二代星座系统、国际海事卫星系统，以及国内的北斗系统、天通系统和尚处于研发阶段的天地一体化、鸿雁等低轨卫星星座系统[3-5]。

基于节约成本和空间频轨资源考虑，国内低轨卫星星座系统基本上都设计为多用途共享卫星的频率、功率、波束等信道资源。这样在系统设计中既要保障基础移动通信和互联网接入服务，又要满足物联网应用需求，卫星信道资源需要根据业务需求动态配置。因此，如何能够通过动态调整分配方式提高卫星资源利用率成为系统研究重点之一[6-7]。

1 系统模型

1.1 系统架构

卫星物联网典型的系统架构如图1所示，包括空间段、用户段和地面段，其中，空间段是指提供信息转发服务的卫星星座，用户段是指各类物联网终端，地面段主要是指地面服务系统，包含卫星测控中心、系统控制中心及信关站等部分。其中，卫星测控中心及相应的测控网络负责保持、监视和管理卫星的轨道位置姿态、控制卫星的星历表等；系统控制中心负责处理用户登记、身份确认、记费以及其他的网络管理等功能，可以统计系统下各卫星覆盖区域的用户终端数量；信关站负责呼叫处理、交换及与地面通信网的互联互通等功能[8]。

图1 卫星物联网系统架构Fig.1 Satellite internet of things system architecture

空间段卫星节点负责完成用户寻址、接入控制及调度等功能，但在实际系统建设中存在频率轨位等空间资源受限、卫星平台能力受限等因素，空间段的信道资源能力决定了系统的用户容量。因此，根据卫星波束覆盖特点，研究该系统架构下的业务模型和信道资源分配策略，优化资源分配算法，提高卫星资源利用率，对于提升卫星物联网系统能力至关重要。

1.2 通信体制

从物联网的应用业务来看，主要是数据采集和非连续有限控制，其业务特性决定了物联网上行数据为周期性突发或随机突发为主，数据量较小，但是用户数量较大，用户分布较为随机。因此，在接入设计上应该简化接入流程，优化接入效率，提高用户容量，以满足海量物联用户的数据回传应用需求[9-10]。低轨星座系统考虑有限的信道资源为话音、数据等多业务用途共享使用，物联服务占用资源应该尽量少，所以在通信体制设计上通常采用下行时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)和上行时隙随机接入 (Slot ALOHA，S-ALOHA)的工作方式。TDM信道按照时分复用先到先发原则向所有终端广播上行可用信道、信道状态、系统时间以及反馈应答等信息。S-ALOHA信道为竞争接入信道，为尽量减少碰撞，信道设计时物联终端需要传送的信息尽量在一个时隙内完成。本文后面的研究都是针对业务仅在一个突发时隙内承载的情况，进行资源分配策略设计和分析。

如图2所示，系统上行的信道资源是由时隙和载波频率二维组成，假设卫星有m个载波频率可以用于物联网ALOHA，在时间上每帧由n个时隙组成，每个终端在一帧内只允许有一个突发，一个突发在一个时隙内完成。这样，系统总的信道资源数量为n×m个，终端有数据发送时选择其中一个信道资源块进行传输。

图2 上行信道资源示意图Fig.2 Schematic diagram of uplink channel resource

1.3 波束覆盖

单星覆盖特性与轨道高度有关，并决定星座整体参数。单星覆盖几何关系如图3所示。其中S为卫星，φ为覆盖区域地心半角，β为星上通信设备的半锥角，ε为地面覆盖区域边缘仰角。

图3 单星覆盖几何关系Fig.3 Geometric relation of single star coverage

卫星的覆盖区域地心半角φ为：

(1)

其中，Re为地球半径，H为卫星高度。对于圆轨道星座，地心半角φ决定同轨道内卫星颗数和轨道数。

不同的轨道高度、不同的卫星个数所形成星座的覆盖效率也不同[11]。设定低轨星座系统的工作轨道850 km高度圆轨道，当地面覆盖区域边缘仰角为10°时，卫星对应的地心半角φ为19.66°，要完成全球无缝覆盖，至少需要6个轨道面，每轨道面需10颗卫星，整个星座系统由60颗卫星组成，星座的2D覆盖情况如图4所示。

星座对地球表面进行覆盖，若地面用户在任意时刻都至少被一颗卫星所覆盖，则称星座对用户进行了一次覆盖。同理，若用户在任意时刻都至少被N颗卫星所覆盖，则称星座对用户进行了N重覆盖。仿真分析轨道高度850 km的低轨卫星星座平均覆盖重数如图5所示，全球绝大部分的覆盖都超过一重，也就是说同样地区的终端可以选择多颗卫星通信，当卫星资源不足时也可以通过补星实现能力增强。因此，研究终端选星策略，选择哪个卫星进行通信，对于低轨星座系统尤为重要，也是提升星座资源效率的重要手段。

图4 星座覆盖2D图示Fig.4 2D illustration of constellation coverage

图5 低轨星座平均覆盖重数Fig.5 Average coverage multiplicity of LEO constellation

2 资源分配策略

2.1 业务模型

考虑到卫星全球覆盖的特点，其业务在从空间分布上，同一波束内卫星互联网终端分布广泛，数量极多。从时间分布上，由于卫星的高动态，一个轨道周期内卫星波束将扫过地表不同区域。卫星物联网业务量在空间和时间两个维度中都表现出很强的突发性和时变性[12]，因此对卫星物联网业务特征进行准确建模分析，刻画其在时间空间维度上的变化趋势，能够为卫星资源分配策略的高效实施提供数据支撑。突发的物联网业务流量可以由一个泊松过程近似表示[13]。假设总数为N的物联网终端在t=0到t=T之间的某一个时间节点被触发，随机接入的概率为p(t)，则第i个时隙中被触发的终端数目可以表示为：

(2)

其中，ti表示第i个随机接入时隙，p(t)=λe-λt。

泊松近似方法仿真业务量随时间变化的情况如图6所示，可以发现业务量随时间发生剧烈变化，具有显著的高峰均比特征。

图6 泊松分布的业务量仿真Fig.6 Traffic simulation of poisson distribution

低轨卫星物联网系统覆盖场景将不断地在海洋与陆地、城市与农村、平原与山地等区域之间转换，终端数量和覆盖场景密切相关，分布符合泊松近似方法。在实际部署时系统控制中心可通过终端注册消息统计获取卫星覆盖区域内的实际终端总数量，并通过星间链路更新到每个卫星控制器。

2.2 选星策略

终端与卫星间的距离不同，距离越近，需要的发射功率越小，反之越大。仰角用于衡量信道衰落和阴影等情况，使用高仰角工作可以节省终端发射功率，保证接入到信号最强的卫星。基于减小终端功耗和成本因素考虑，终端选择卫星时根据最大仰角准则，优先选择最大仰角的卫星进行接入[14-15]。

终端通过接收卫星下行广播信号可以获得共视区的所有卫星星历，执行接入流程如图7所示。

图7 最大仰角选星策略Fig.7 Maximum elevation selection strategy

具体步骤包括：

① 终端出现接入需求时，遍历当前共视区的卫星星历，确定卫星实时星下点经纬度坐标；

② 计算各可视卫星实时星下点和终端位置之间距离；

③ 根据卫星控制器前向广播的信道参数情况，判断是否可以接入；若信道空闲则选择最大仰角接入最近的卫星；

④ 若本卫星信道均被占用，则查看相邻卫星信道的使用情况，逐步可视卫星列表随机选择部分既定比例的终端接入相邻卫星；

⑤ 完成接入选星后进行业务通信，等待进入下一个接入时刻。

按照最大仰角和业务量统计进行选星的工作策略是实现低轨星座系统资源分配的有限途径。

2.3 资源分配策略

在低轨卫星物联网系统中，随着用户日趋增加，要解决所有用户的接入，尤其是保障重要用户/高价值用户接入，依靠提高卫星覆盖能力的扩容是无法实现的。一般通过用户分级，优先接入的方法实现重要客户和高价值用户随遇接入。目前主流采用的方法主要有两种：一种是无线资源预留方式；另一种是在无线资源拥塞情况下，高优先级用户争抢优先。为了更高效利用有限的卫星资源，本文采用高优先级用户优先的接入方式接入卫星网络，以提升高优先级卫星物联网终端的接入成功率。

将物联网终端业务按优先级划分为高、中、低3个级别，设定3个级别的接入成功率阀值，系统控制中心可以统计出高、中、低3个级别的注册用户终端数量。假设为高、中、低所需信道数量分别为A、B、C(通过下节仿真可以确定所需信道数量)，单星可用于物联网服务的最大信道数量为D，信道分配策略如下：

① 如果D>A+B+C时，表明卫星的信道资源足够保障各类优先级的终端接入成功率需求，终端按照最大仰角准则选择最近的卫星信道接入即可。

② 如果DA+B时，表明单颗卫星的信道资源只能保障高、中优先级的终端接入需求，低优先级终端根据第2.2节选星策略按既定比例的终端接入相邻卫星。

③ 如果DA时，表明单颗卫星的信道资源只能保障高优先级的终端接入需求，中、低优先级终端根据自主选星策略按既定比例的终端接入相邻卫星。

④ 如果D

3 仿真分析

为了确定上节资源分配策略中满足各种业务优先级终端应用系统所需各类信道资源的数量，对接入成功率、终端数、信道数的相关关系进行仿真。设定系统业务模式符合前文描述的泊松分布规律，突发时隙长度为100 ms，帧长为1 s，终端分别每10 min、30 min和60 min随机发送一次数据，仿真接入成功率P与终端数量K/载波数量N的关系，仿真结果如图8所示。

(a) 一次成功率的仿真曲线

(b) 3次重发时的成功率曲线

通过图8的分析，系统控制中心可以根据终端位置统计每颗卫星在其轨道周期内各覆盖区域中不同优先级用户数量，确定每颗卫星在不同时段需要的信道数量。通过系统控制和信道分配策略，当本星资源不足时，将物联网业务按优先级从低到高的顺序迁移到相对空闲的临星，以达到系统资源利用率的最大化。

4 结论

卫星物联网的信道资源是由波束、频率、功率、时隙等多维信道资源构成，信道分配策略较为复杂，本文研究了根据终端位置及业务优先级相结合的信道分配策略，通过仿真分析确定了接入成功率与信道资源配比的关系，在网络运行中可以根据各区域的业务量统计和成功率门阀设置动态调整低轨卫星系统用于物联网业务的信道数量。本文研究结果可用于指导低轨卫星星座系统建设和运营中卫星信道资源的配置需求。