低轨卫星物联网多址接入方式研究

韦芬芬，刘晓旭，谢继东，张更新

(1.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；2.中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安 710100)

0 引 言

伴随着物联网的兴起，提供物联网接入能力的设备类型以及数目正发生着剧烈的变化。但由于地面物联网主要覆盖业务相对密集的城市、郊区等地区，覆盖范围十分有限，在一些诸如沙漠、森林、山区、海洋等特殊环境，地面物联网无法完全覆盖，这限制了物联网的应用和发展。因此，仅靠地面通信网不能满足社会发展的需求，需要将卫星通信网与地面通信网相互结合，才能真正实现全球覆盖[1]。

相对于传统的高轨卫星和中轨卫星来说，低轨卫星系统提供了更短的传输时延以及更小的路径损耗，具有覆盖范围广、通信容量大、顽存性高、便于实现终端小型化、卫星发射灵活等突出特点[2]。因此，在未来信息网络中，将低轨卫星与物联网结合起来可以有力地弥补地面通信网的不足，解决全球覆盖问题，从而大大扩展物联网的应用范围。

然而，面对海量的传感器终端，卫星需要从传感器终端收集数据，并将数据发送到地面信关站，然后再把这些传感器数据送到云平台及应用服务。在这个过程中，卫星的多次访问和传感器的随机数据发送，导致数据冲突并增加延迟。这些都给低轨卫星物联网多址接入方案的设计带来了更严苛的要求：未来的多址接入方案不仅需要给海量接入的终端提供更高的传输速率，而且需要具备高度的自适应性可以灵活适配低轨卫星网络拓扑的动态变化。这些新的特点和需求将深刻影响未来多址接入方案的设计[1]。由于巨大的挑战和迫切的需求，这个问题近来在学术界和工业界引起了广泛关注[3]。

文中主要对随机多址接入协议的性能进行分析，包括CRDSA协议和改进的CRDSA++协议[4]，得出副本数为3的CRDSA++协议的整体性能较好。在此基础上研究了适用于低轨卫星物联网多址接入协议，增加了数据包的发送概率，增大了终端数量，使其更适合于低轨卫星物联网多址接入的特点。最后对低轨卫星物联网接入协议的下一步设计提出展望。

1 随机多址接入协议的性能分析

1.1 基于争用解决的分集时隙ALOHA(CRDSA)

随机多址接入自提出以来，就以其高灵活性和低信令开销的特点而广受关注[5-6]。近年来，为了提升帧时隙ALOHA[7]的接入效率，Casini等提出一种基于争用解决的分集时隙ALOHA(contention resolution diversity slotted ALOHA，CRDSA)[8]。它的核心思想是：在同一帧中，一个包选择2个不同的时隙发送2个副本。在接入点侧，接收机利用迭代干扰消除算法(iterative interference cancellation)逐次分解发生碰撞混叠的数据包。具体来说，接收机先译码没有发生碰撞的数据包，一旦译码成功，则将该数据包在其他时隙上传输的副本删除以消除干扰。

如图1所示，由于时隙5中数据包3没有发生碰撞，可以成功恢复其信息；然后，可以消除时隙4中数据包3的干扰，从而可以恢复数据包2的信息。重复该过程，进行不断迭代，直到不能再恢复出新的数据包为止。可以直观地看出，相对于ALOHA协议，CRDSA可以更加充分地利用发生碰撞的数据包中含有的信息，在一定程度上改善了丢包率，降低了传输时延，显著提升了系统的吞吐率。

图1 CRDSA的争用解决过程

对上述过程进行分析，据文献[8]的公式推导出：

(1)

(2)

图2的仿真结果表明，当G=0.65，N=16时，CRDSA的吞吐量达到峰值为0.52； 当G=1时， 标准

图2 SA和CRDSA迭代1、2、3、6、16次的

SA的吞吐量达到峰值为0.36。另外，当G从0变化到0.4时，CRDSA的吞吐量呈线性增长，而SA只有在G从0到0.1时呈线性增长。因此，CRDSA协议的吞吐量性能相比S-ALOHA方式有明显改善。

1.2 改进的CRDSA协议

近年来，一个增强版的CRDSA协议被称为CRDSA++在文献[4]中被提出。CRDSA++协议在CRDSA协议基础上做了两大改进：一是增加发送数据分组的次数(CRDSA发送2次，CRDSA++发送3～5次)，二是利用接收数据分组功率分布不平衡的特点，进一步提高随机接入协议的吞吐量[9]。根据文献[8]的公式进行了推导，得出了CRDSA++关于吞吐量的公式。

推导出的P{pk∈Sn}表示包pk(r个副本中的一个)出现在时隙Sn上的概率。

(3)

(1-P{pk∈Sn})G·M-1-i

(4)

其中，Pint(i|G)表示负载为G时，在时隙Sn上有i个干扰数据包的概率，从而推出在时隙Sn上零干扰的概率：

(5)

(6)

当副本为r时，推导出吞吐量T(N|G)：

(7)

对于CRDSA++，虽然在同一帧中数据分组重发的次数增多会导致分组碰撞概率增加，但发生碰撞时隙分组多元化的增长也能够更加有效地利用迭代干扰消除技术恢复信息[10]。对其进行相应的计算仿真，图3中的虚线分别对应r=3、4和5时，CRDSA++协议的吞吐量与归一化负载的关系曲线。

理论仿真结果表明：当r=3，归一化负载G=0.7，迭代次数N=10时，吞吐量达到最大值为0.68；当r=4，归一化负载G=0.65，迭代次数N=13时，吞吐量达到最大值为0.65；当r=5，归一化负载G=0.6，迭代次数N=18时，吞吐量达到最大值为0.6。当副本数大于3时，吞吐量的最大值就逐渐下降。因为随着副本数增大，碰撞模型中形成的无法消除的环就会增多[11]。另外，在吞吐量达到最高点后，随着负载增加，系统吞吐量急剧衰减，且副本数越多，系统吞吐量的衰减就越剧烈。在吞吐量达到最高点前，和副本数为2的CRDSA相比，CRDSA++协议的吞吐量有显著提高，尤其当副本数为3时，系统吞吐量性能达到最佳[12]。

图3 CRDSA++实际仿真和理论分析的吞吐量与归一化负载的仿真曲线

为了验证公式推导的正确性，对CRDSA和CRDSA++的吞吐量进行仿真，如图3(加号、圆圈、三角)所示。仿真结果和理论分析基本吻合，但是在快靠近最大吞吐量时，理论分析结果略大于仿真结果，这是因为式6表示一个上界，没有考虑出现“环”的概率，而在实际仿真中，可能在某几个数据包中会出现环，导致无论怎么迭代都无法消除干扰[8]。如图1所示，在数据包4和5之间会出现一个环，在第M-1个时隙中，为了获得数据包4的信息必须先消除数据包5的干扰，但是为了消除数据包5，必须要获得第M-3个时隙中它的副本信息，但在第M-3个时隙中又存在数据包4副本的干扰，所以它们之间就会形成环而无法恢复信息[8]。

将MAC层的丢包率定义如下：

(8)

分别对r=2、3、4、5时对应的丢包率与归一化负载的关系进行仿真，如图4所示。

图4 丢包率与归一化负载的关系曲线

仿真结果表明：当G小于0.6时，CRDSA和CRDSA++的丢包率都很低，但CRDSA要明显高于CRDSA++的丢包率；当G大于0.6时，丢包率急剧上升，尤其是CRDSA5最为明显，而CRDSA相对于CRDSA++的丢包率上升较为平缓。

综合考虑，CRDSA3在吞吐量和丢包率方面，性能要优于CRDSA2、CRDSA4和CRDSA5。

2 适用于低轨卫星物联网多址接入协议的性能分析

在低轨卫星物联网中，由于地面上的传感器[13]终端数量众多，上传的数据多为短突发类型，在某一时间点，并不是所有的终端都要上传数据。同时，地面上的传感器种类多种多样，所传输的数据类型也千差万别(温度、湿度、海拔、岩土、测斜等)[14]，传统的基于固定分配多路访问[6]无法满足需求，因而低轨卫星物联网的MAC协议一般采用随机多址接入协议。

而对于第一节中，由于当每个时隙都有数据同时发送，即同一时刻有数据发送的终端数量很大时，CRDSA++的吞吐量会显著下降。在第一节的仿真中，考虑时隙数M=100，G在0到1之间，每个终端在同一时刻发送包的概率为1，最大终端数为100。而在该低轨卫星物联网系统中，同一时刻每个终端有数据发送的概率非常小[15]，大多数终端都处于深度睡眠状态，而且终端数量非常大[16]。

图5、图6分别为p=0.5%、1%、2%时，CRDSA3协议的吞吐量与终端数量的关系曲线和丢包率与终端数量的关系曲线。

图5 CRDSA3协议的吞吐量与终端数量的关系曲线

图6 CRDSA3协议的丢包率与终端数量的关系曲线

从图5中可以看出，在增加了发送概率、增大了终端数和终端发送数据包的随机性之后，CRDSA3协议的最大吞吐量为0.58，比图3中仿真的CRDSA3最大吞吐量低了0.1左右，这是由于终端有数据发送的随机性导致的。在吞吐量大于0.4时，不同的发送概率对应的终端数也不同。当p=0.5%、1%、2%时，对应的最大终端数分别为：17 300、8 500和4 400。从图6中可以看出，当p=0.5%时，丢包率明显低于p=1%和p=2%的情况；另外，在相同的丢包率情况下，p=0.5%时可接入的终端数是p=1%和p=2%的2～4倍。从吞吐量和丢包率这两方面综合考虑，当每帧时隙数相同的情况下，终端有数据发送的概率越低，可接入的终端数就越多；在相同丢包率的情况下，数据包发送概率越低，可接入的终端数也越多。

3 结束语

文中主要对现有的应用于卫星通信的多址接入协议—基于争用解决的帧时隙ALOHA(CRDSA)进行研究分析，并在此基础上对CRDSA吞吐量计算公式进行修改，使其适用于CRDSA++协议。并对CRDSA和CRDSA++协议的吞吐量和丢包率进行理论分析和仿真，根据仿真结果得出，CRDSA3在吞吐量和丢包率方面，性能要优于CRDSA2、CRDSA4和CRDSA5。最后，结合低轨卫星物联网接入协议的设计要求和考虑的问题，在CRDSA3协议的基础上，对每个终端有数据发送的概率进行了控制，当时隙数相同的情况下，数据包发送的概率越低，可接入的终端数就越多，但是，可接入的终端数还是不够多。在下一步工作中，可以多部署几条信道[19]，并加入重传机制，在增加终端数的同时，也使系统具备较高的吞吐量。