高 倩，張更新

0 引 言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣，不受地理因素的影響，能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播、多址通信。尤其是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，還具有傳輸損耗小、傳播時(shí)延短、多顆衛(wèi)星組成的星座可以實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋、地面終端設(shè)計(jì)可以小型化的特點(diǎn)，因而成為輔助地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)萬物互連的最佳選擇之一。

低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景大體分為兩類：（1）時(shí)延容忍型應(yīng)用（Delay Tolerant Applications，DTA），如環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)等；（2）時(shí)延敏感型應(yīng)用（Delay Sensitive Applications，DSA），如智能電網(wǎng)、災(zāi)區(qū)救援等。本文主要討論DTA場(chǎng)景下低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)反向鏈路的多址接入技術(shù)[3]。

1 多址接入?yún)f(xié)議的性能分析

多址接入?yún)f(xié)議屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的鏈路層，工作于衛(wèi)星通信的上行鏈路，主要解決多個(gè)用戶如何共享傳輸介質(zhì)的問題，包括調(diào)整和控制各接入用戶數(shù)據(jù)包的傳輸、包的重傳及碰撞解決方案等。它的性能高低直接影響網(wǎng)絡(luò)高層協(xié)議的性能。低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中衛(wèi)星覆蓋范圍大，接入同一顆衛(wèi)星的用戶終端數(shù)較多，通信業(yè)務(wù)以短數(shù)據(jù)包為主，且具有突發(fā)性強(qiáng)、業(yè)務(wù)量分布不均勻的特點(diǎn)。由于衛(wèi)星的帶寬和功率資源都是有限的，如何提高帶寬利用率，以傳輸更多的數(shù)據(jù)，并保證在衛(wèi)星過境的短時(shí)間內(nèi)將盡可能多的數(shù)據(jù)傳輸至衛(wèi)星，是多址接入?yún)f(xié)議需要重點(diǎn)解決的問題。研究表明，隨機(jī)多址接入方式具有信令開銷小、靈活性高、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，比較適合應(yīng)用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)DTA應(yīng)用場(chǎng)景。下面將分別闡述傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議[4]及改進(jìn)后的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議，并分析其吞吐量性能。

1.1 傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議

1.1.1 純ALOHA（P-ALOHA）

純ALOHA（P-ALOHA）方式是最早的隨機(jī)多址接入方式，目前仍有廣泛應(yīng)用。此方式中，系統(tǒng)內(nèi)各用戶間無需任何協(xié)調(diào)，每個(gè)終端有數(shù)據(jù)分組到達(dá)就可以立即發(fā)送。如果由于碰撞造成分組丟失，則需經(jīng)過隨機(jī)時(shí)延后重發(fā)此分組。ALOHA最主要的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，用戶入網(wǎng)無需協(xié)調(diào)，且業(yè)務(wù)量較小時(shí)具有很好的時(shí)延性能。它的主要缺點(diǎn)在于，由于存在分組碰撞，其吞吐量較低，最高吞吐量只有18.4%，且存在信道的不穩(wěn)定性，即信道業(yè)務(wù)量大到一定程度后，由于發(fā)生分組碰撞的概率大大增加，信道吞吐量不再隨業(yè)務(wù)量增加而增加，而是減小。

1.1.2 具有捕獲效應(yīng)的ALOHA（C-ALOHA）

一般而言，由于各分組的發(fā)射功率基本相當(dāng)，因此發(fā)生碰撞后無法正確收到碰撞的分組。如果兩個(gè)碰撞分組的發(fā)射功率不同，則發(fā)生碰撞后功率低的分組無法被正確接收，但功率高的分組仍可能被正確接收。具有捕獲效應(yīng)的ALOHA（C-ALOHA）就是采用這種原理，通過合理設(shè)計(jì)各終端的發(fā)射功率，從而改善系統(tǒng)的吞吐量（最高可以達(dá)到P-ALOHA方式的3倍）。

并且該控制系統(tǒng)主要目的是通過控制導(dǎo)軌俯仰角α從而控制小球在導(dǎo)軌上的位置x，故可針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)量x和α設(shè)置偏差函數(shù)：

1.1.3 選擇拒絕ALOHA（SREJ-ALOHA）

選 擇 拒 絕ALOHA（SREJ-ALOHA） 仍 以P-ALOHA方式進(jìn)行分組發(fā)送，但它對(duì)P-ALOHA方式的改進(jìn)是把每個(gè)分組再細(xì)分為有限數(shù)量的小分組。每個(gè)小分組也有自己的報(bào)頭和前同步碼，可以獨(dú)立進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)。如果兩個(gè)分組發(fā)生碰撞，未遭碰撞的小分組仍可被正確接收，只需要重發(fā)發(fā)生碰撞的那部分小分組即可。雖然SREJ-ALOHA方式能得到比P-ALOHA方式高的吞吐量，但實(shí)際上需要將每個(gè)分組分為若干小分組，增加了額外開銷，IE它的吞吐量只能達(dá)到20%～30%?？梢哉f，SREJ-ALOHA具有P-ALOHA系統(tǒng)無需全網(wǎng)定時(shí)、同步及適于可變長(zhǎng)度分組的優(yōu)點(diǎn)，又克服了P-ALOHA方式吞吐量低的缺點(diǎn)，但其實(shí)現(xiàn)要比P-ALOHA方式復(fù)雜。

傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議在業(yè)務(wù)量較小時(shí)具有很好的時(shí)延性能，但隨著業(yè)務(wù)量的增加，分組碰撞的概率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量性能并不理想。因此，研究者嘗試通過將傳統(tǒng)的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議與TDMA方式相結(jié)合，以改善系統(tǒng)的吞吐量性能。

1.2 基于TDMA方式的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議

1.2.1 時(shí)隙ALOHA（S-ALOHA）

時(shí)隙ALOHA（S-ALOHA）[5]的基本方案：在以轉(zhuǎn)發(fā)器入口為參考點(diǎn)的時(shí)間軸上，等間隔地分成許多時(shí)隙；各終端發(fā)射的分組必須落入某一時(shí)隙內(nèi)，且必須要在一個(gè)時(shí)隙的開始位置才能發(fā)送分組；每個(gè)分組的長(zhǎng)度不超過時(shí)隙長(zhǎng)。通過這種改進(jìn)消除了P-ALOHA中存在的首尾碰撞情況，分組要么成功發(fā)送，要么完全碰撞。S-ALOHA的優(yōu)點(diǎn)是吞吐量比P-ALOHA增大1倍，最高吞吐量達(dá)到36.8%。缺點(diǎn)是全網(wǎng)需要定時(shí)和同步，每個(gè)分組的持續(xù)時(shí)間不能大于一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度，且仍存在信道不穩(wěn)定性。

1.2.2 分集時(shí)隙ALOHA（DSA）

分 集 時(shí) 隙 ALOHA（Diversity Slotted Aloha，DSA）[6]在系統(tǒng)負(fù)載較小的情況下，比S-ALOHA的吞吐量高一些，但負(fù)載增加到一定程度后，它的吞吐量甚至要低于S-ALOHA。DSA在S-ALOHA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下改進(jìn)：終端有數(shù)據(jù)分組需要發(fā)送時(shí)，先將這個(gè)數(shù)據(jù)分組發(fā)送1次，然后隨機(jī)等待幾個(gè)時(shí)隙再發(fā)送1次，使得這2次發(fā)送的數(shù)據(jù)分組位于同一幀的不同時(shí)隙，即通過增加發(fā)送次數(shù)的方式增加數(shù)據(jù)分組成功接收的概率。由于這種方式增加了系統(tǒng)的負(fù)載，使得分組碰撞概率增加，因此改進(jìn)的效果并不理想。

1.2.3 競(jìng)爭(zhēng)解決分集時(shí)隙ALOHA（CRDSA）

競(jìng)爭(zhēng)解決分集時(shí)隙ALOHA（Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA）[7]在DSA協(xié)議的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)：終端發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，為每個(gè)數(shù)據(jù)分組額外添加一個(gè)指針，指向該數(shù)據(jù)分組在同一幀里對(duì)應(yīng)副本的時(shí)隙位置。只要成功接收到一個(gè)數(shù)據(jù)分組，就能夠利用該數(shù)據(jù)分組中的時(shí)隙位置信息找到其副本分組，從而恢復(fù)被該副本分組干擾的數(shù)據(jù)分組。以此類推，直到不能再恢復(fù)出有效信息為止。CRDSA協(xié)議采用迭代干擾消除（Iterative Interference Cancellation）的方式，可以更加充分地利用發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包中含有的信息，提高了系統(tǒng)的吞吐量。圖1給出了上述三種多址方式的吞吐量與負(fù)載的關(guān)系曲線。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，CRDSA協(xié)議的吞吐量性能相比S-ALOHA、DSA方式有明顯改善。

圖1 SA、DSA和CRDSA的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

1.2.4 CRDSA++協(xié)議

CRDSA++協(xié)議[8]在CRDSA協(xié)議基礎(chǔ)上做了兩大改進(jìn)：一是增加發(fā)送數(shù)據(jù)分組的次數(shù)（CRDSA發(fā)送2次，CRDSA++發(fā)送3～5次），二是利用接收數(shù)據(jù)分組功率分布不平衡的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的吞吐量。圖2給出了幾種CRDSA++協(xié)議的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，雖然在同一幀中數(shù)據(jù)分組重發(fā)的次數(shù)增多會(huì)導(dǎo)致分組碰撞概率增加，但發(fā)生碰撞時(shí)隙分組多元化的增長(zhǎng)也能夠更加有效地利用迭代干擾消除技術(shù)恢復(fù)信息。通過仿真計(jì)算，當(dāng)數(shù)據(jù)分組重發(fā)次數(shù)為3次時(shí)，系統(tǒng)吞吐量性能最好。CRDSA++協(xié)議在吞吐量達(dá)到最高點(diǎn)前，隨著負(fù)載的增加，吞吐量性能明顯優(yōu)于CRDSA，但吞吐量達(dá)到最高點(diǎn)后，隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)吞吐量急劇衰減。因此，使用該協(xié)議時(shí)要盡量控制負(fù)載不能超過達(dá)到最大吞吐量時(shí)的負(fù)載值[9]。

在實(shí)際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，因?yàn)楦鹘K端有效全向輻射功率（EIRP）的差異（各終端的天線增益和指向角、射頻功率等有差異）和衛(wèi)星接收天線增益在不同指向上的差異，致使到達(dá)衛(wèi)星接收端的數(shù)據(jù)包功率分布很難平衡，所以有必要評(píng)估在接收數(shù)據(jù)包功率分布不平衡情況下的系統(tǒng)吞吐量性能。圖3給出了數(shù)據(jù)分組重發(fā)次數(shù)為4次、接收數(shù)據(jù)包功率服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，系統(tǒng)吞吐量隨負(fù)載的變化關(guān)系。仿真中，ES/N0=10 dB，F(xiàn)EC速率為1/2。從圖3可以看到，隨著負(fù)載的增加，接收數(shù)據(jù)包的功率分布波動(dòng)越大（標(biāo)準(zhǔn)偏差σ越大），系統(tǒng)的吞吐量性能越好。對(duì)比功率平衡（σ=0 dB）時(shí)的系統(tǒng)吞吐量，CRDSA++協(xié)議在功率不平衡的情況下，系統(tǒng)吞吐量性能有了顯著提高。

圖2 SA、CRDSA和CRDSA++的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

圖3 CRDSA 4的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

基于TDMA方式的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議中，所有終端都要進(jìn)行時(shí)隙同步，不可避免地增大了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。同時(shí)，每個(gè)終端的EIRP通常是由其數(shù)據(jù)速率決定的。通過控制EIRP提高吞吐量，會(huì)對(duì)終端低成本、小型化設(shè)計(jì)帶來困難。為此，研究者們又提出了與CDMA方式結(jié)合的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議。

1.3 基于CDMA方式的增強(qiáng)型隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議

1.3.1 擴(kuò)頻ALOHA（SSA）

擴(kuò)頻ALOHA（Spread Spectrum Aloha，SSA）[10]比S-ALOHA具有更好的系統(tǒng)吞吐量性能，其吞吐量約是S-ALOHA的1.7倍。同時(shí)，SSA無需全網(wǎng)同步，且具有較好的抗干擾和抗多徑衰落性能，主要的不足是擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度及在接收數(shù)據(jù)包功率不平衡時(shí)，其系統(tǒng)吞吐量會(huì)嚴(yán)重下降。圖4給出了當(dāng)擴(kuò)頻因子（Spreading Factor，SF）為256、FEC速率為1/3、接收數(shù)據(jù)包功率服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，SSA方式吞吐量與負(fù)載之間的關(guān)系曲線。從圖4可以看到，隨著負(fù)載的增加，功率平衡（σ=0 dB）時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量較高，其最大吞吐量約為功率不平衡（σ=3 dB）時(shí)的1.7倍。因此，采用SSA協(xié)議必須要進(jìn)行嚴(yán)格的功率控制[11]。

圖4 SSA的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

1.3.2 增強(qiáng)的擴(kuò)頻ALOHA（ESSA）

增強(qiáng)的擴(kuò)頻ALOHA（Enhanced Spread Spectrum Aloha，ESSA）協(xié)議[12]主要是將循環(huán)滑動(dòng)窗口連續(xù)干擾消除（Recursive Sliding Window Successive Interference Cancellation，RSIC） 算法[13]與 SSA 相結(jié)合，從而明顯提高了SSA協(xié)議的吞吐量性能，尤其是在接收到的數(shù)據(jù)分組功率不平衡時(shí)。圖5是在擴(kuò)頻因子（Spreading Factor，SF）為256、FEC速率為1/3時(shí)得出的結(jié)論，給出了ESSA方式吞吐量與負(fù)載之間的關(guān)系曲線。當(dāng)接收數(shù)據(jù)分組功率服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布、功率平衡（σ=0 dB）時(shí)，ESSA方式下的系統(tǒng)最大吞吐量可達(dá)到SSA方式下系統(tǒng)最大吞吐量的2倍；當(dāng)接收數(shù)據(jù)分組功率不平衡時(shí)，隨著負(fù)載的增加，σ越大，系統(tǒng)的吞吐量性能也越好。σ=3 dB時(shí)的最大吞吐量幾乎是σ=0 dB時(shí)的1.7倍。但是，與CRDSA++協(xié)議一樣，當(dāng)系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最高點(diǎn)后，隨著負(fù)載的增加，吞吐量性能也急劇衰減。因此，使用該協(xié)議時(shí)也要控制負(fù)載不能超過達(dá)到最大吞吐量的值。

圖5 ESSA的吞吐量與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

2 結(jié) 語

本文分析比較了幾種可應(yīng)用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)時(shí)延容忍型應(yīng)用場(chǎng)景下的多址接入?yún)f(xié)議的吞吐量性能。由于低軌衛(wèi)星信道中存在多徑衰落、陰影衰落以及鏈路損耗不均衡等現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致到達(dá)衛(wèi)星接收端的數(shù)據(jù)分組功率分布不平衡。雖然CRDSA++與ESSA都能利用這一特點(diǎn)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的吞吐量性能，但ESSA的吞吐量性能要優(yōu)于CRDSA++，且無需全網(wǎng)同步、信令開銷較小，更易于實(shí)現(xiàn)終端低成本、小型化設(shè)計(jì)，且還具有抗同頻干擾、抗多徑衰落能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因而被認(rèn)為是低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中較有應(yīng)用潛力的多址接入?yún)f(xié)議。需要指出的是，ESSA協(xié)議在負(fù)載超過門限值時(shí)，其吞吐量性能會(huì)嚴(yán)重下降。因此，尚需要研究合適的接入控制策略，即下一步的主要研究工作。

[1] 王陽.新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——LoRa[J].信息通信技術(shù),2017(01):63-68.WANG Yang.Emerging Internet of Things Technology-LoRa[J].Information and Communication Technology,2017(01):63-68.

[2] 明小滿,沈鑫.低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[D].重慶:重慶郵電大學(xué),2017.MING Xiao-man,SHEN Xin.The Key Technologies and Applications of the Low-power and Wide Internet of Things[D].Chongqing:Chongqing University of Posts and Telecommunications,2017.

[3] 王獻(xiàn)斌.低復(fù)雜度大規(guī)模接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江大學(xué),2017.WANG Xian-bin.On the Design of Low-complexity Massive Access Schemes[D].Hangzhou:Zhejiang University,2017.

[4] 張淼科.衛(wèi)星通信MAC協(xié)議的發(fā)展研究[J].中國(guó)科技信息,2010(17):42-48.ZHANG Miao-ke.Research on the Development of MAC protocol for Satellite Communications[J].China Science And Technology Information,2010(17):42-48.

[5] Abramson N.The Throughput of Packet Broadcasting Channels[J]IEEE Trans. Communications,1977(01):117-128.

[6] Choudhury G L,Rappaport S S.Diversity ALOHA-A Random Access Scheme for Satellite Communications[J].IEEE Trans. on Comm.,1983(31):450-457.

[7] Casini E,De Gaudenzi R,Del Rio Herrero O.Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA):an Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Com munications,2007,6(04):1408-1419.

[8] Oscar del R′ ?o H,Riccardo De G.A High-Performance MAC Protocol for Consumer Broadband Satellite Systems[C].In the Proc. of 27th AIAA International Communications Satellite Systems Conference,2009.

[9] Corazza G E,Cioni S,Padovani R.Application of Closed Loop Resource Allocation for High Data Rate Packet Transmission[J].IEEE Transactions on Wireless Commun ications,2007(06):4049-4059.

[10] Abramson.Spread Aloha CDMA Data Communications:United States,5537397[P].1996-07-16

[11] Del R H O,Foti G,Gallinaro G.Spread-spectrum Techniques for the Provision of Packet Access on the Reverse Link of Next Generation Broadband Multimedia Satellite Systems[J].IEEE Journal on Sel. Areas in Comm.,2004,22(03):574-583

[12] Del Rio H O,De G R.A High Efficiency Scheme for Quasi-real-time Satellite Mobile Messaging Systems[C].Proc. of the 10th International Workshop on Signal Processing for Space Communications,2008:1-9.

[13] Del Rio H O,De G R.A High Efficiency Scheme for Large Scale Satellite Mobile Messaging Fleets[J].IEEE Trans.on Vehicular Technology,2009,12(10):846-856.