低轨卫星物联网多址接入协议研究*

高 倩，张更新

0 引 言

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。

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 多址接入协议的性能分析

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。

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。

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）。

并且该控制系统主要目的是通过控制导轨俯仰角α从而控制小球在导轨上的位置x，故可针对系统状态量x和α设置偏差函数：

1.1.3 选择拒绝ALOHA（SREJ-ALOHA）

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。

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TDMA方式相结合，以改善系统的吞吐量性能。

1.2 基于TDMA方式的增强型随机多址接入协议

1.2.1 时隙ALOHA（S-ALOHA）

时隙ALOHA（S-ALOHA）[5]的基本方案：在以转发器入口为参考点的时间轴上，等间隔地分成许多时隙；各终端发射的分组必须落入某一时隙内，且必须要在一个时隙的开始位置才能发送分组；每个分组的长度不超过时隙长。通过这种改进消除了P-ALOHA中存在的首尾碰撞情况，分组要么成功发送，要么完全碰撞。S-ALOHA的优点是吞吐量比P-ALOHA增大1倍，最高吞吐量达到36.8%。缺点是全网需要定时和同步，每个分组的持续时间不能大于一个时隙的长度，且仍存在信道不稳定性。

1.2.2 分集时隙ALOHA（DSA）

分 集 时 隙 ALOHA（Diversity Slotted Aloha，DSA）[6]在系统负载较小的情况下，比S-ALOHA的吞吐量高一些，但负载增加到一定程度后，它的吞吐量甚至要低于S-ALOHA。DSA在S-ALOHA的基础上进行了以下改进：终端有数据分组需要发送时，先将这个数据分组发送1次，然后随机等待几个时隙再发送1次，使得这2次发送的数据分组位于同一帧的不同时隙，即通过增加发送次数的方式增加数据分组成功接收的概率。由于这种方式增加了系统的负载，使得分组碰撞概率增加，因此改进的效果并不理想。

1.2.3 竞争解决分集时隙ALOHA（CRDSA）

竞争解决分集时隙ALOHA（Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA）[7]在DSA协议的基础上做了改进：终端发送数据分组时，为每个数据分组额外添加一个指针，指向该数据分组在同一帧里对应副本的时隙位置。只要成功接收到一个数据分组，就能够利用该数据分组中的时隙位置信息找到其副本分组，从而恢复被该副本分组干扰的数据分组。以此类推，直到不能再恢复出有效信息为止。CRDSA协议采用迭代干扰消除（Iterative Interference Cancellation）的方式，可以更加充分地利用发生碰撞的数据包中含有的信息，提高了系统的吞吐量。图1给出了上述三种多址方式的吞吐量与负载的关系曲线。从图1可以发现，CRDSA协议的吞吐量性能相比S-ALOHA、DSA方式有明显改善。

图1 SA、DSA和CRDSA的吞吐量与归一化负载的关系曲线

1.2.4 CRDSA++协议

CRDSA++协议[8]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。图2给出了几种CRDSA++协议的吞吐量与归一化负载的关系曲线。从图2可以看出，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。通过仿真计算，当数据分组重发次数为3次时，系统吞吐量性能最好。CRDSA++协议在吞吐量达到最高点前，随着负载的增加，吞吐量性能明显优于CRDSA，但吞吐量达到最高点后，随着负载的增加，系统吞吐量急剧衰减。因此，使用该协议时要尽量控制负载不能超过达到最大吞吐量时的负载值[9]。

在实际的卫星通信系统中，因为各终端有效全向辐射功率（EIRP）的差异（各终端的天线增益和指向角、射频功率等有差异）和卫星接收天线增益在不同指向上的差异，致使到达卫星接收端的数据包功率分布很难平衡，所以有必要评估在接收数据包功率分布不平衡情况下的系统吞吐量性能。图3给出了数据分组重发次数为4次、接收数据包功率服从对数正态分布时，系统吞吐量随负载的变化关系。仿真中，ES/N0=10 dB，FEC速率为1/2。从图3可以看到，随着负载的增加，接收数据包的功率分布波动越大（标准偏差σ越大），系统的吞吐量性能越好。对比功率平衡（σ=0 dB）时的系统吞吐量，CRDSA++协议在功率不平衡的情况下，系统吞吐量性能有了显著提高。

图2 SA、CRDSA和CRDSA++的吞吐量与归一化负载的关系曲线

图3 CRDSA 4的吞吐量与归一化负载的关系曲线

基于TDMA方式的随机多址接入协议中，所有终端都要进行时隙同步，不可避免地增大了系统实现的复杂度。同时，每个终端的EIRP通常是由其数据速率决定的。通过控制EIRP提高吞吐量，会对终端低成本、小型化设计带来困难。为此，研究者们又提出了与CDMA方式结合的随机多址接入协议。

1.3 基于CDMA方式的增强型随机多址接入协议

1.3.1 扩频ALOHA（SSA）

扩频ALOHA（Spread Spectrum Aloha，SSA）[10]比S-ALOHA具有更好的系统吞吐量性能，其吞吐量约是S-ALOHA的1.7倍。同时，SSA无需全网同步，且具有较好的抗干扰和抗多径衰落性能，主要的不足是扩频技术的实现复杂度及在接收数据包功率不平衡时，其系统吞吐量会严重下降。图4给出了当扩频因子（Spreading Factor，SF）为256、FEC速率为1/3、接收数据包功率服从对数正态分布时，SSA方式吞吐量与负载之间的关系曲线。从图4可以看到，随着负载的增加，功率平衡（σ=0 dB）时，系统的吞吐量较高，其最大吞吐量约为功率不平衡（σ=3 dB）时的1.7倍。因此，采用SSA协议必须要进行严格的功率控制[11]。

图4 SSA的吞吐量与归一化负载的关系曲线

1.3.2 增强的扩频ALOHA（ESSA）

增强的扩频ALOHA（Enhanced Spread Spectrum Aloha，ESSA）协议[12]主要是将循环滑动窗口连续干扰消除（Recursive Sliding Window Successive Interference Cancellation，RSIC） 算法[13]与 SSA 相结合，从而明显提高了SSA协议的吞吐量性能，尤其是在接收到的数据分组功率不平衡时。图5是在扩频因子（Spreading Factor，SF）为256、FEC速率为1/3时得出的结论，给出了ESSA方式吞吐量与负载之间的关系曲线。当接收数据分组功率服从对数正态分布、功率平衡（σ=0 dB）时，ESSA方式下的系统最大吞吐量可达到SSA方式下系统最大吞吐量的2倍；当接收数据分组功率不平衡时，随着负载的增加，σ越大，系统的吞吐量性能也越好。σ=3 dB时的最大吞吐量几乎是σ=0 dB时的1.7倍。但是，与CRDSA++协议一样，当系统吞吐量达到最高点后，随着负载的增加，吞吐量性能也急剧衰减。因此，使用该协议时也要控制负载不能超过达到最大吞吐量的值。

图5 ESSA的吞吐量与归一化负载的关系曲线

2 结 语

本文分析比较了几种可应用于低轨卫星物联网时延容忍型应用场景下的多址接入协议的吞吐量性能。由于低轨卫星信道中存在多径衰落、阴影衰落以及链路损耗不均衡等现象，会导致到达卫星接收端的数据分组功率分布不平衡。虽然CRDSA++与ESSA都能利用这一特点进一步提高系统的吞吐量性能，但ESSA的吞吐量性能要优于CRDSA++，且无需全网同步、信令开销较小，更易于实现终端低成本、小型化设计，且还具有抗同频干扰、抗多径衰落能力较强的优点，因而被认为是低轨卫星物联网中较有应用潜力的多址接入协议。需要指出的是，ESSA协议在负载超过门限值时，其吞吐量性能会严重下降。因此，尚需要研究合适的接入控制策略，即下一步的主要研究工作。

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