衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為國家信息網(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,在維護國家安全、促進經(jīng)濟發(fā)展等方面有著巨大的戰(zhàn)略意義,是全球范圍內(nèi)的研究熱點和各國經(jīng)濟、科技競爭的制高點。隨著第五代移動通信系統(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。其中,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為5G系統(tǒng)中一個典型的應(yīng)用場景,其業(yè)務(wù)規(guī)模逐年增長,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、遠海監(jiān)測、野生動物跟蹤監(jiān)測等領(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)抗毀性強等優(yōu)勢,可以為放置在偏遠地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)終端提供接入服務(wù),可在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)真正意義上的“萬物互聯(lián)”。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的出現(xiàn)給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來新的機遇,但同時也對其通信技術(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,滿足海量用戶接入需求,并且保證用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)是亟待解決的問題。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。本文針對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的多址接入技術(shù)進行了研究,主要創(chuàng)新性工作及成果如下:(1)針對多星協(xié)作通信場景中,上行異步隨機接入設(shè)計問題,提出了一種基于空天異構(gòu)時延的多星協(xié)同異步隨機接入(Asynchronous Cooperative ALOHA,ACA)方案。該方案利用未來衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中衛(wèi)星節(jié)點數(shù)量多的優(yōu)勢,采用空間分集的思想,每個數(shù)據(jù)包只需要發(fā)送一次,可被多顆衛(wèi)星同時接收。在信關(guān)站處利用用戶數(shù)據(jù)到達不同衛(wèi)星時間上的差異性,采用滑動相關(guān)技術(shù)確定數(shù)據(jù)包位置,通過跨節(jié)點迭代干擾消除實現(xiàn)多用戶數(shù)據(jù)檢測。基于此,作者通過建立理論分析模型,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、功率開銷的前提下,獲得較高的系統(tǒng)吞吐量。(2)針對上行免調(diào)度稀疏碼分多址接入過程中,相同碼本沖突解決問題,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)。通過分析相同SCMA碼本沖突對系統(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),即每個數(shù)據(jù)包和其反轉(zhuǎn)副本分別采用不同SCMA碼本進行編碼,并同時發(fā)射。在接收端采用滑動窗口對多用戶數(shù)據(jù)進行檢測,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)終端分布式隨機接入策略優(yōu)化問題,提出了基于博弈理論的能量捕獲終端分布式隨機接入策略優(yōu)化(Energy Harvested Satellite Terminal Distributed Random Access Optimal Policy,EH-ST-DRAOP)算法。首先將分布式隨機接入策略優(yōu)化問題建立為最大化系統(tǒng)長期吞吐量問題,并利用博弈論思想,對優(yōu)化問題進行求解。由于每個終端都采用相同接入策略,作者通過分析對稱納什均衡的滿足條件,證明了對稱納什均衡點的存在性和唯一性,并利用策略迭代算法和二分法對其求解,并證明了該對稱納什均衡點即為原始優(yōu)化問題的最優(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門限值的同時,獲得優(yōu)異的吞吐量性能,且可在能量捕獲速率較高時,取得較高的數(shù)據(jù)發(fā)送概率和較低的接入時延。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：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)。地面段由各類感知節(jié)點??以及衛(wèi)星地面站組成。其中感知節(jié)點可視為物聯(lián)網(wǎng)終端，主要由各種類型傳感器??組成，它們被放置在監(jiān)測區(qū)域，用于采集獲取位置、溫度、濕度、ｐＨ等信息，??并將其通過用戶鏈路上傳給空間段接入節(jié)點［２］。物聯(lián)網(wǎng)終端由于自身能量有限，??其計算、存儲等方面能力也收到不同程度的限制。但近年來，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圍的環(huán)境中獲取能量（如：太陽能、風(fēng)能等）來補充自??１６??

確認（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ，?Ａｃｋ）機制通知每個終端的數(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，終端會隨機選取一段時間之后重新發(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?？?？時間??終端２?］?］???歌傳?？???Ｈ?＇?！??！??１?！?ｒ．??？時間??終端３?Ｉ?！?！?Ｉ?！??＾重傳—�。�???－?—Ｉ?＇?＇??ｊ?ｊ—！?！?？時間??接收機?????????????■?１?１＿Ｉ?１?１?１—Ｉ?１?？時間??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)包到達概率在一個數(shù)據(jù)包持續(xù)時間／內(nèi)服從參數(shù)為；Ｉ的泊松分布。則在一個??數(shù)據(jù)包持續(xù)時間／范圍內(nèi)，有Ａ個數(shù)據(jù)包同時到達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？時間段內(nèi)沒有其他數(shù)據(jù)包到達，因此數(shù)據(jù)包??成功接收的概率為：??Ａ＝＾－＾｜，＝〇＝＾?（２－２）??定義系統(tǒng)負載為Ｇ?＝?因此ＡＬＯＨＡ系統(tǒng)吞吐量為：??２０??

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