卫星物联网接入协议性能分析

付晓玲，关 馨，苏雁泳

(哈尔滨工业大学通信技术研究所，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引言

物联网(Internet of Things,IoT)起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命。IoT是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪以及监管等功能。近年来，物联网技术飞速发展[1]，但在提出了物联网这一全新概念之后，人们不再局限于人与人之间的互联，万物互联成为了新的目标。目前，物联网在地面布设基站的问题上面临诸多限制，例如：海洋、沙漠等区域无法建立基站；人口密度低以及人类难以到达的区域的网络建立成本过高；自然灾害对地面网络的破坏力较大等问题。

为了应对上述问题，卫星物联网的概念应运而生。卫星的存在，既可以补充地面物联网所无法覆盖的区域，也带来了更多的优势：卫星的覆盖范围广，使得传感器的分布几乎不受空间的限制；卫星的运行受天气、环境、时间的影响较小，几乎可以全天时全天候工作；面对各类自然灾害或突发事件时，卫星提供的可靠性更高，具有更好的系统抗毁性能[2-3]。与地面物联网相比，卫星通信技术和地面网络技术相结合，构成的一种卫星物联网将具有传输距离长、通信范围广、灵活部署的优点，极大拓展了物联网的应用领域，对于海洋监测、远距离交通和油气管道监测、大气环境及水资源监测、无人边境感知系统等应用领域则是一种不可替代的技术手段[4]。

目前的卫星系统不足以服务于大量的低成本设备，也难以应对较大成本和能量限制的情况。更高的可靠性、更快的数据速率要求是用户的新要求。媒体访问控制(Media Access Control,MAC)层的多址接入协议主要用于解决用户之间的传输介质共享问题，即如何调整和控制各个用户高效率的接入方式和高可靠度的数据包传输。

1 卫星物联网接入理论研究

1.1 卫星物联网场景

卫星物联网架构如图1所示。根据卫星物联网的研究现状可知，目前卫星物联网主要有两大应用场景，即有汇聚节点的卫星物联网场景和无汇聚节点的卫星物联网场景[5]。

图1 卫星物联网的架构

建立汇聚节点的场景主要应用于城区、林区以及市郊等地面区域。单星接入场景如图2所示。

图2 有汇聚节点的卫星物联网场景模型

由于有汇聚节点的场景对汇聚节点的依赖较大，若系统运行期间汇聚节点失效，会导致其所汇聚的片区内部所有节点无法接入卫星，因此该场景的卫星物联网系统的抗毁性能较低。为了减小对汇聚节点的依赖，提出了一种无汇聚节点的卫星物联网场景，模型如图3所示。

图3 无汇聚节点的卫星物联网场景模型

虽然无汇聚节点的卫星物联网场景降低了对汇聚节点的依赖，提高了系统的抗毁性，同时也带来了很多问题：

① 传感器节点功率受限：单个传感器节点体积小、可用能量低，发射功率和可支持的能耗都会降低；

② 接入卫星高度受限：由于传感器的发射功率有限，为了正常地接入卫星，降低路径损耗，卫星的高度会有一定的限制，该场景中大都用LEO卫星作为接入卫星；

③ 接入控制难度增加：大量的段突发用户接入同一颗星会带来大量的冲突和碰撞，但是终端的低能耗要求使接入技术不可以使用复杂度过高的接入算法，由于数据突发较短，对接入的开销要求也十分苛刻。

1.2 卫星物联网场景接入协议分析

目前，国内外针对卫星通信的MAC层多址接入协议开展了多项研究。随机接入协议由于简单、即时接入、信令开销小等特点得到了学术界的重新关注，研究人员设计了大量高效的随机接入协议。随机竞争协议是最基本、也是最早应用的接入协议，其典型算法是ALOHA，最基本的有2种：纯ALOHA协议和时隙ALOHA(Slotted ALOHA,SA)协议。

纯 ALOHA协议在1970年由Abramson提出[6]，它是一种纯异步的随机接入协议，是最为简单的随机接入协议之一。1975年，Roberts提出了SA协议[7]。1983年，Choudhury和Rappaport提出了分集时隙ALOHA(Diversity Slotted ALOHA,DSA)，这是基于SA协议的改进[8]。Casini等人于2007年提出了竞争解决的分集时隙ALOHA(Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,CRDSA)协议[9]。这个创新的协议在DSA的基础上加入了串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)算法。SIC的使用，使得CRDSA获得了巨大的性能提升，相比于ALOHA和SA的性能都有明显的提高。在CRDSA协议的基础上，文献[10]提出了一种异步的争用解决分集ALOHA协议(Asynchronous Contention Resolution Diversity ALOHA,ACRDA)。Liva于2011年提出不规则重复时隙ALOHA(Irregular Repetition Slotted ALOHA,IRSA)[11]。

1.2.1 无汇聚节点的场景接入协议分析

在此场景下，接入卫星高度受限，传感器节点功率受限，终端的低能耗要求使得接入技术不可以使用复杂度过高的接入算法，并且由于数据突发较短，对接入的开销要求也十分苛刻。目前复杂度最低、最简单的随机接入控制协议是ALOHA和SA协议。纯 ALOHA协议是最为简单的随机接入协议之一。而时隙ALOHA协议与ALOHA协议相比，主要区别在于SA是分时隙的，即整个系统在时间上同步，且终端只可在时隙开始时发送数据包。

1.2.2 有汇聚节点的场景接入协议分析

在此场景下，由于汇聚节点的存在，对卫星高度并没有明确的要求。因此，得益于汇聚节点对用户终端数据的汇聚作用和汇聚节点比用户终端更高的性能，在有汇聚节点的卫星物联网场景下可以使用复杂度较高的接入协议，并且可以容忍一定的接入开销。对于有汇聚节点的场景而言，可以使用复杂度较高的接入方式来提高吞吐量。在这类场景中使用的接入协议主要以CRDSA，IRSA协议等复杂度较高的接入协议为主，充分利用汇聚节点提供的充足的能量，降低各传感器节点的运算压力。

2 卫星物联网典型接入协议分析

2.1 适合无汇聚节点场景的接入协议

根据上述分析可知，在这类场景中使用的接入协议主要是ALOHA，SA协议等复杂度较低的协议。下面将对这2种协议进行分析。

2.1.1 纯ALOHA协议

ALOHA协议是用于共享卫星容量的最早、最简单的方法之一。在这个协议中，终端以非同步的方式即时向卫星发送数据包。在每次传输之后，终端等待在下行链路路径上成功传输的确认。在没有接收到确认信息的情况下，假设分组发生了碰撞，这发生在来自多于一个终端发送的数据包的时间重叠。因此，终端等待一个随机间隔(退避时间)来重发数据包。

纯ALOHA协议吞吐量S与负载业务量G之间的关系为：

S=Ge-2G。

(1)

可以证明，当G=0.5时，使用该协议可以达到0.18的吞吐量。

2.1.2 SA协议

ALOHA协议的最大吞吐量可以通过将所有传输同步到公共信道时钟来增加，即SA协议[12]。SA协议吞吐量S与负载业务量G之间的关系为：

S=Ge-G。

(2)

在上述关系中，当G=1.0时，最大吞吐量S为0.368。在卫星系统中，通常由广播参考时钟来执行。在时隙开始时，以同步方式发送数据包，从而消除了来自不同终端的部分冲突的可能性。由此，当G=1.0时，该协议将GOUT≃0.36的最大可达吞吐量加倍。在非常低的负载下，SA延迟性能比ALOHA差，因为准备好传输的数据包必须等待时隙的开始。然而，当负载增加时，较少的冲突减少了重传次数，因此减少了平均延迟。

2.2 适合有汇聚节点场景的接入协议

根据前文的分析可知，在此类场景中使用的接入协议主要是CRDSA，IRSA协议等复杂度较高的接入协议。下面将对这2种协议进行分析。

2.2.1 信道争用解决分集时隙ALOHA协议

CRDSA协议中，每个用户在一帧的不同时隙上放置2个相同数据包的副本[13]。数据包每个副本都包含一个指向该数据包其他副本位置的指针。这些指针用于尝试通过干扰消除(Interference Cancellation,IC)过程在接收器处恢复冲突的数据包。

图4 在Niter=1,2,3,6,16时，CRDSA接入方式的归一化信道负载与吞吐率(理想信道估计)关系曲线

仿真在非理想信道估计的前提下，考虑CRDSA数据包解调器处理信道争用。图5给出了Niter=6时，对应不同Es/N0值的吞吐率与归一化负载之间的关系，并将其与具有理想信道估计的CRDSA情况进行比较。很明显，不理想的信道估计会造成性能下降，对于标准化负载超过0.45而言更为明显(约5%)，这在实践中并未使用。然而对应MAC层数据包丢失率PLRMAC=0.02的实际归一化负载G=0.05，不理想信道估计对吞吐率的影响可以忽略不计。

CRDSA协议只能在归一化负载G=0.55以下时实现无数据包丢失的传输。为了进一步提升信道吞吐率，提出了一种新的方案，称为二分图IRSA，它依赖于CRDSA的二分图优化。

图5 CRDSA吞吐率与归一化信道负载的模拟理想信道估计和IC实际信道估计结果

2.2.2 二分图IRSA

当使用二分图IRSA时[14]，每个数据包在MAC帧内传输l次，根据给定的概率分布，重复率l随数据包而变化。因此，将CRDSA看作是IRSA的一个特例，重复率固定为l=2。

通过对IC过程仿真获得了进一步的结果。首先将数据包由码率r=1/2[1338,1718]卷积码进行编码，并用QPSK调制传输，如图6所示。图6中给出了在Eb/N0=8，5,4 dB时的实际IC过程中[15-16]，不同SNR下的吞吐率和负载间的关系(Eb为每信息位的能量，N0为单侧噪声功率谱密度)。从图中可以看出，由卷积码编码的数据包，其抗噪声性能较差，在Eb/N0=4 dB时系统吞吐率表现出了大幅度下降，可以理解为信噪比继续下降的情况下，吞吐率将接近零。

图6 IRSA接入方案在不同信噪比下系统吞吐率

本节在接下来的仿真中对数据包编码方式进行了改进。如图7所示，将使用LDPC编码方式。由图7可以看出，使用LDPC码对数据包进行编码的数据包抗噪声性能明显提高，当Eb/N0=5 dB时，由LDPC码编码的数据包传输吞吐率与理论曲线重合，认为几乎无数据包丢失;而图6中，由卷积码编码的数据包传输成功率相比理论值约下降4.7%。当Eb/N0=3 dB时，由图7可以看出，该信道吞吐率与理论值相比下降约5.4%，而由卷积码编码的数据包在低信噪比的情况下几乎完全丢失。

图7 IRSA接入方案在不同信噪比下系统吞吐率

3 结束语

当前卫星物联网随机接入技术面临的主要技术问题是如何应对大量不连续发送短突发数据的用户接入问题，即大量并发用户应该如何接入的问题。本文首先将卫星物联网场景进行分类，分为有汇聚节点的场景和无汇聚节点的场景，并分别分析2种场景下的典型随机接入协议。经过分析和仿真，针对无汇聚节点的场景，SA协议吞吐量比纯ALOHA协议高，在非常低的负载下，SA延迟性能比ALOHA差，当负载增加时，平均延迟减少。针对有汇聚节点的场景，将IRSA协议与LDPC码结合能得到更高的系统吞吐量和更好的抗噪声性能。