衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為國(guó)家信息網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,以其覆蓋范圍廣、不受地理、氣候因素限制等特點(diǎn),在維護(hù)國(guó)家安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面有著巨大的戰(zhàn)略意義,是全球范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)和各國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。隨著第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)即將投入商用,衛(wèi)星通信與地面5G的融合成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。其中,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為5G系統(tǒng)中一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景,其業(yè)務(wù)規(guī)模逐年增長(zhǎng),具有廣泛應(yīng)用前景。但由于空間、環(huán)境等因素限制使得傳統(tǒng)基于地面通信系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在森林地區(qū)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物跟蹤監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域出現(xiàn)了服務(wù)能力與需求失配的現(xiàn)象。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)憑借著其覆蓋范圍廣、系統(tǒng)抗毀性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),可以為放置在偏遠(yuǎn)地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)終端提供接入服務(wù),可在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正意義上的“萬(wàn)物互聯(lián)”。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的出現(xiàn)給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)新的機(jī)遇,但同時(shí)也對(duì)其通信技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。如何在衛(wèi)星多維通信資源受限情況下,滿(mǎn)足海量用戶(hù)接入需求,并且保證用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)是亟待解決的問(wèn)題。多址接入技術(shù)旨在從不同維度切割并分配系統(tǒng)資源粒度,在提升系統(tǒng)資源利用率、降低終端接入時(shí)延、節(jié)省終端功耗等方面起著至關(guān)重要的作用。本文針對(duì)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的多址接入技術(shù)進(jìn)行了研究,主要?jiǎng)?chuàng)新性工作及成果如下:(1)針對(duì)多星協(xié)作通信場(chǎng)景中,上行異步隨機(jī)接入設(shè)計(jì)問(wèn)題,提出了一種基于空天異構(gòu)時(shí)延的多星協(xié)同異步隨機(jī)接入(Asynchronous Cooperative ALOHA,ACA)方案。該方案利用未來(lái)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量多的優(yōu)勢(shì),采用空間分集的思想,每個(gè)數(shù)據(jù)包只需要發(fā)送一次,可被多顆衛(wèi)星同時(shí)接收。在信關(guān)站處利用用戶(hù)數(shù)據(jù)到達(dá)不同衛(wèi)星時(shí)間上的差異性,采用滑動(dòng)相關(guān)技術(shù)確定數(shù)據(jù)包位置,通過(guò)跨節(jié)點(diǎn)迭代干擾消除實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)數(shù)據(jù)檢測(cè)。基于此,作者通過(guò)建立理論分析模型,分析了該方案的性能。結(jié)果表明,ACA方案可在終端不增加額外信令、功率開(kāi)銷(xiāo)的前提下,獲得較高的系統(tǒng)吞吐量。(2)針對(duì)上行免調(diào)度稀疏碼分多址接入過(guò)程中,相同碼本沖突解決問(wèn)題,提出了基于反轉(zhuǎn)分集的上行免調(diào)度異步稀疏碼分多址接入方案(Asynchronous Flipped Grant-Free SCMA,AF-SCMA)。通過(guò)分析相同SCMA碼本沖突對(duì)系統(tǒng)性能的影響,利用反轉(zhuǎn)分集的思想,構(gòu)造了新型數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)構(gòu),即每個(gè)數(shù)據(jù)包和其反轉(zhuǎn)副本分別采用不同SCMA碼本進(jìn)行編碼,并同時(shí)發(fā)射。在接收端采用滑動(dòng)窗口對(duì)多用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè),利用迭代干擾消除技術(shù),以Zigzag的方式解決數(shù)據(jù)包沖突問(wèn)題�；诖�,作者建立了理論分析模型,分析了該方案的性能,并提出一種可行的前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)思路。結(jié)果表明,該方案可以有效緩解免調(diào)度異步SCMA系統(tǒng)中相同碼本沖突引入的負(fù)面影響,并在終端可接受功耗范圍內(nèi),提升頻譜利用率。(3)針對(duì)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中具有能量捕獲能力的物聯(lián)網(wǎng)終端分布式隨機(jī)接入策略?xún)?yōu)化問(wèn)題,提出了基于博弈理論的能量捕獲終端分布式隨機(jī)接入策略?xún)?yōu)化(Energy Harvested Satellite Terminal Distributed Random Access Optimal Policy,EH-ST-DRAOP)算法。首先將分布式隨機(jī)接入策略?xún)?yōu)化問(wèn)題建立為最大化系統(tǒng)長(zhǎng)期吞吐量問(wèn)題,并利用博弈論思想,對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。由于每個(gè)終端都采用相同接入策略,作者通過(guò)分析對(duì)稱(chēng)納什均衡的滿(mǎn)足條件,證明了對(duì)稱(chēng)納什均衡點(diǎn)的存在性和唯一性,并利用策略迭代算法和二分法對(duì)其求解,并證明了該對(duì)稱(chēng)納什均衡點(diǎn)即為原始優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。該策略有效地管理了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中具備能量捕獲能力終端的能量,并可限制丟包率不超過(guò)門(mén)限值的同時(shí),獲得優(yōu)異的吞吐量性能,且可在能量捕獲速率較高時(shí),取得較高的數(shù)據(jù)發(fā)送概率和較低的接入時(shí)延。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TP391.44;TN927.2
【部分圖文】：

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)為核心和基礎(chǔ)，融合了天基導(dǎo)航、遙感等??服務(wù)，為物品與物品、人與物品、人與人提供無(wú)障礙交互的綜合信息系統(tǒng)［１］。衛(wèi)??星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由空間段和地面段兩部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖２－１所示。其中，空??間段主要由高、中、低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)以及導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星遙感探測(cè)系統(tǒng)組??成，是終端與信關(guān)站的空中接口，可視為系統(tǒng)的接入網(wǎng)。地面段由各類(lèi)感知節(jié)點(diǎn)??以及衛(wèi)星地面站組成。其中感知節(jié)點(diǎn)可視為物聯(lián)網(wǎng)終端，主要由各種類(lèi)型傳感器??組成，它們被放置在監(jiān)測(cè)區(qū)域，用于采集獲取位置、溫度、濕度、ｐＨ等信息，??并將其通過(guò)用戶(hù)鏈路上傳給空間段接入節(jié)點(diǎn)［２］。物聯(lián)網(wǎng)終端由于自身能量有限，??其計(jì)算、存儲(chǔ)等方面能力也收到不同程度的限制。但近年來(lái)，隨著能量捕獲??（Ｅｎｅｒｇｙ?Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ，ＥＨ）技術(shù)的不斷成熟，傳感器終端數(shù)上也都配備了?ＥＨ裝??置，使得傳感器可以從周?chē)沫h(huán)境中獲取能量（如：太陽(yáng)能、風(fēng)能等）來(lái)補(bǔ)充自??１６??

確認(rèn)（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ，?Ａｃｋ）機(jī)制通知每個(gè)終端的數(shù)據(jù)是否被成功接收。如??果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，為避免數(shù)據(jù)重復(fù)碰撞，終端會(huì)隨機(jī)選取一段時(shí)間之后重新發(fā)送??該數(shù)據(jù)包。ＡＬＯＨＡ通信原理示意圖如圖２－２所示。??終端１??—Ｉ?？?？時(shí)間??終端２?］?］???歌傳?？???Ｈ?＇?！??！??１?！?ｒ．??？時(shí)間??終端３?Ｉ?！?！?Ｉ?！??＾重傳—�。�???－?—Ｉ?＇?＇??ｊ?ｊ—！?！?？時(shí)間??接收機(jī)?????????????■?１?１＿Ｉ?１?１?１—Ｉ?１?？時(shí)間??成功接收?沖突?成功接收?成功接收??圖２－２?ＡＬＯＨＡ通信原理示意圖??由于數(shù)據(jù)包沖突的影響，導(dǎo)致ＡＬＯＨＡ系統(tǒng)的頻譜利用率非常低。假設(shè)終端??數(shù)據(jù)包到達(dá)概率在一個(gè)數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間／內(nèi)服從參數(shù)為；Ｉ的泊松分布。則在一個(gè)??數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間／范圍內(nèi)，有Ａ個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)的概率可表示為公式（２－１）：??Ｕｔ）ｋ?．??尸＝?（２＿１）??若數(shù)據(jù)包能被成功接收，需要在２？時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有其他數(shù)據(jù)包到達(dá)，因此數(shù)據(jù)包??成功接收的概率為：??Ａ＝＾－＾｜，＝〇＝＾?（２－２）??定義系統(tǒng)負(fù)載為Ｇ?＝?因此ＡＬＯＨＡ系統(tǒng)吞吐量為：??２０??

確認(rèn)（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ，?Ａｃｋ）機(jī)制通知每個(gè)終端的數(shù)據(jù)是否被成功接收。如??果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，為避免數(shù)據(jù)重復(fù)碰撞，終端會(huì)隨機(jī)選取一段時(shí)間之后重新發(fā)送??該數(shù)據(jù)包。ＡＬＯＨＡ通信原理示意圖如圖２－２所示。??終端１??—Ｉ?？?？時(shí)間??終端２?］?］???歌傳?？???Ｈ?＇?！??！??１?！?ｒ．??？時(shí)間??終端３?Ｉ?！?！?Ｉ?！??＾重傳—�。�???－?—Ｉ?＇?＇??ｊ?ｊ—！?！?？時(shí)間??接收機(jī)?????????????■?１?１＿Ｉ?１?１?１—Ｉ?１?？時(shí)間??成功接收?沖突?成功接收?成功接收??圖２－２?ＡＬＯＨＡ通信原理示意圖??由于數(shù)據(jù)包沖突的影響，導(dǎo)致ＡＬＯＨＡ系統(tǒng)的頻譜利用率非常低。假設(shè)終端??數(shù)據(jù)包到達(dá)概率在一個(gè)數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間／內(nèi)服從參數(shù)為；Ｉ的泊松分布。則在一個(gè)??數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間／范圍內(nèi)，有Ａ個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)到達(dá)的概率可表示為公式（２－１）：??Ｕｔ）ｋ?．??尸＝?（２＿１）??若數(shù)據(jù)包能被成功接收，需要在２？時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有其他數(shù)據(jù)包到達(dá)，因此數(shù)據(jù)包??成功接收的概率為：??Ａ＝＾－＾｜，＝〇＝＾?（２－２）??定義系統(tǒng)負(fù)載為Ｇ?＝?因此ＡＬＯＨＡ系統(tǒng)吞吐量為：??２０??
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