韋芬芬，劉曉旭，謝繼東，張更新

(1.南京郵電大學 通信與網(wǎng)絡技術國家工程研究中心，江蘇 南京 210003；2.中國空間技術研究院西安分院，陜西 西安 710100)

0 引 言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，提供物聯(lián)網(wǎng)接入能力的設備類型以及數(shù)目正發(fā)生著劇烈的變化。但由于地面物聯(lián)網(wǎng)主要覆蓋業(yè)務相對密集的城市、郊區(qū)等地區(qū)，覆蓋范圍十分有限，在一些諸如沙漠、森林、山區(qū)、海洋等特殊環(huán)境，地面物聯(lián)網(wǎng)無法完全覆蓋，這限制了物聯(lián)網(wǎng)的應用和發(fā)展。因此，僅靠地面通信網(wǎng)不能滿足社會發(fā)展的需求，需要將衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)相互結合，才能真正實現(xiàn)全球覆蓋[1]。

相對于傳統(tǒng)的高軌衛(wèi)星和中軌衛(wèi)星來說，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)提供了更短的傳輸時延以及更小的路徑損耗，具有覆蓋范圍廣、通信容量大、頑存性高、便于實現(xiàn)終端小型化、衛(wèi)星發(fā)射靈活等突出特點[2]。因此，在未來信息網(wǎng)絡中，將低軌衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)結合起來可以有力地彌補地面通信網(wǎng)的不足，解決全球覆蓋問題，從而大大擴展物聯(lián)網(wǎng)的應用范圍。

然而，面對海量的傳感器終端，衛(wèi)星需要從傳感器終端收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面信關站，然后再把這些傳感器數(shù)據(jù)送到云平臺及應用服務。在這個過程中，衛(wèi)星的多次訪問和傳感器的隨機數(shù)據(jù)發(fā)送，導致數(shù)據(jù)沖突并增加延遲。這些都給低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)多址接入方案的設計帶來了更嚴苛的要求：未來的多址接入方案不僅需要給海量接入的終端提供更高的傳輸速率，而且需要具備高度的自適應性可以靈活適配低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化。這些新的特點和需求將深刻影響未來多址接入方案的設計[1]。由于巨大的挑戰(zhàn)和迫切的需求，這個問題近來在學術界和工業(yè)界引起了廣泛關注[3]。

文中主要對隨機多址接入?yún)f(xié)議的性能進行分析，包括CRDSA協(xié)議和改進的CRDSA++協(xié)議[4]，得出副本數(shù)為3的CRDSA++協(xié)議的整體性能較好。在此基礎上研究了適用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)多址接入?yún)f(xié)議，增加了數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率，增大了終端數(shù)量，使其更適合于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)多址接入的特點。最后對低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入?yún)f(xié)議的下一步設計提出展望。

1 隨機多址接入?yún)f(xié)議的性能分析

1.1 基于爭用解決的分集時隙ALOHA(CRDSA)

隨機多址接入自提出以來，就以其高靈活性和低信令開銷的特點而廣受關注[5-6]。近年來，為了提升幀時隙ALOHA[7]的接入效率，Casini等提出一種基于爭用解決的分集時隙ALOHA(contention resolution diversity slotted ALOHA，CRDSA)[8]。它的核心思想是：在同一幀中，一個包選擇2個不同的時隙發(fā)送2個副本。在接入點側，接收機利用迭代干擾消除算法(iterative interference cancellation)逐次分解發(fā)生碰撞混疊的數(shù)據(jù)包。具體來說，接收機先譯碼沒有發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包，一旦譯碼成功，則將該數(shù)據(jù)包在其他時隙上傳輸?shù)母北緞h除以消除干擾。

如圖1所示，由于時隙5中數(shù)據(jù)包3沒有發(fā)生碰撞，可以成功恢復其信息；然后，可以消除時隙4中數(shù)據(jù)包3的干擾，從而可以恢復數(shù)據(jù)包2的信息。重復該過程，進行不斷迭代，直到不能再恢復出新的數(shù)據(jù)包為止?？梢灾庇^地看出，相對于ALOHA協(xié)議，CRDSA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，在一定程度上改善了丟包率，降低了傳輸時延，顯著提升了系統(tǒng)的吞吐率。

圖1 CRDSA的爭用解決過程

對上述過程進行分析，據(jù)文獻[8]的公式推導出：

(1)

(2)

圖2的仿真結果表明，當G=0.65，N=16時，CRDSA的吞吐量達到峰值為0.52； 當G=1時， 標準

圖2 SA和CRDSA迭代1、2、3、6、16次的

SA的吞吐量達到峰值為0.36。另外，當G從0變化到0.4時，CRDSA的吞吐量呈線性增長，而SA只有在G從0到0.1時呈線性增長。因此，CRDSA協(xié)議的吞吐量性能相比S-ALOHA方式有明顯改善。

1.2 改進的CRDSA協(xié)議

近年來，一個增強版的CRDSA協(xié)議被稱為CRDSA++在文獻[4]中被提出。CRDSA++協(xié)議在CRDSA協(xié)議基礎上做了兩大改進：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，進一步提高隨機接入?yún)f(xié)議的吞吐量[9]。根據(jù)文獻[8]的公式進行了推導，得出了CRDSA++關于吞吐量的公式。

推導出的P{pk∈Sn}表示包pk(r個副本中的一個)出現(xiàn)在時隙Sn上的概率。

(3)

(1-P{pk∈Sn})G·M-1-i

(4)

其中，Pint(i|G)表示負載為G時，在時隙Sn上有i個干擾數(shù)據(jù)包的概率，從而推出在時隙Sn上零干擾的概率：

(5)

(6)

當副本為r時，推導出吞吐量T(N|G)：

(7)

對于CRDSA++，雖然在同一幀中數(shù)據(jù)分組重發(fā)的次數(shù)增多會導致分組碰撞概率增加，但發(fā)生碰撞時隙分組多元化的增長也能夠更加有效地利用迭代干擾消除技術恢復信息[10]。對其進行相應的計算仿真，圖3中的虛線分別對應r=3、4和5時，CRDSA++協(xié)議的吞吐量與歸一化負載的關系曲線。

理論仿真結果表明：當r=3，歸一化負載G=0.7，迭代次數(shù)N=10時，吞吐量達到最大值為0.68；當r=4，歸一化負載G=0.65，迭代次數(shù)N=13時，吞吐量達到最大值為0.65；當r=5，歸一化負載G=0.6，迭代次數(shù)N=18時，吞吐量達到最大值為0.6。當副本數(shù)大于3時，吞吐量的最大值就逐漸下降。因為隨著副本數(shù)增大，碰撞模型中形成的無法消除的環(huán)就會增多[11]。另外，在吞吐量達到最高點后，隨著負載增加，系統(tǒng)吞吐量急劇衰減，且副本數(shù)越多，系統(tǒng)吞吐量的衰減就越劇烈。在吞吐量達到最高點前，和副本數(shù)為2的CRDSA相比，CRDSA++協(xié)議的吞吐量有顯著提高，尤其當副本數(shù)為3時，系統(tǒng)吞吐量性能達到最佳[12]。

圖3 CRDSA++實際仿真和理論分析的吞吐量與歸一化負載的仿真曲線

為了驗證公式推導的正確性，對CRDSA和CRDSA++的吞吐量進行仿真，如圖3(加號、圓圈、三角)所示。仿真結果和理論分析基本吻合，但是在快靠近最大吞吐量時，理論分析結果略大于仿真結果，這是因為式6表示一個上界，沒有考慮出現(xiàn)“環(huán)”的概率，而在實際仿真中，可能在某幾個數(shù)據(jù)包中會出現(xiàn)環(huán)，導致無論怎么迭代都無法消除干擾[8]。如圖1所示，在數(shù)據(jù)包4和5之間會出現(xiàn)一個環(huán)，在第M-1個時隙中，為了獲得數(shù)據(jù)包4的信息必須先消除數(shù)據(jù)包5的干擾，但是為了消除數(shù)據(jù)包5，必須要獲得第M-3個時隙中它的副本信息，但在第M-3個時隙中又存在數(shù)據(jù)包4副本的干擾，所以它們之間就會形成環(huán)而無法恢復信息[8]。

將MAC層的丟包率定義如下：

(8)

分別對r=2、3、4、5時對應的丟包率與歸一化負載的關系進行仿真，如圖4所示。

圖4 丟包率與歸一化負載的關系曲線

仿真結果表明：當G小于0.6時，CRDSA和CRDSA++的丟包率都很低，但CRDSA要明顯高于CRDSA++的丟包率；當G大于0.6時，丟包率急劇上升，尤其是CRDSA5最為明顯，而CRDSA相對于CRDSA++的丟包率上升較為平緩。

綜合考慮，CRDSA3在吞吐量和丟包率方面，性能要優(yōu)于CRDSA2、CRDSA4和CRDSA5。

2 適用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)多址接入?yún)f(xié)議的性能分析

在低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中，由于地面上的傳感器[13]終端數(shù)量眾多，上傳的數(shù)據(jù)多為短突發(fā)類型，在某一時間點，并不是所有的終端都要上傳數(shù)據(jù)。同時，地面上的傳感器種類多種多樣，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型也千差萬別(溫度、濕度、海拔、巖土、測斜等)[14]，傳統(tǒng)的基于固定分配多路訪問[6]無法滿足需求，因而低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的MAC協(xié)議一般采用隨機多址接入?yún)f(xié)議。

而對于第一節(jié)中，由于當每個時隙都有數(shù)據(jù)同時發(fā)送，即同一時刻有數(shù)據(jù)發(fā)送的終端數(shù)量很大時，CRDSA++的吞吐量會顯著下降。在第一節(jié)的仿真中，考慮時隙數(shù)M=100，G在0到1之間，每個終端在同一時刻發(fā)送包的概率為1，最大終端數(shù)為100。而在該低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，同一時刻每個終端有數(shù)據(jù)發(fā)送的概率非常小[15]，大多數(shù)終端都處于深度睡眠狀態(tài)，而且終端數(shù)量非常大[16]。

圖5、圖6分別為p=0.5%、1%、2%時，CRDSA3協(xié)議的吞吐量與終端數(shù)量的關系曲線和丟包率與終端數(shù)量的關系曲線。

圖5 CRDSA3協(xié)議的吞吐量與終端數(shù)量的關系曲線

圖6 CRDSA3協(xié)議的丟包率與終端數(shù)量的關系曲線

從圖5中可以看出，在增加了發(fā)送概率、增大了終端數(shù)和終端發(fā)送數(shù)據(jù)包的隨機性之后，CRDSA3協(xié)議的最大吞吐量為0.58，比圖3中仿真的CRDSA3最大吞吐量低了0.1左右，這是由于終端有數(shù)據(jù)發(fā)送的隨機性導致的。在吞吐量大于0.4時，不同的發(fā)送概率對應的終端數(shù)也不同。當p=0.5%、1%、2%時，對應的最大終端數(shù)分別為：17 300、8 500和4 400。從圖6中可以看出，當p=0.5%時，丟包率明顯低于p=1%和p=2%的情況；另外，在相同的丟包率情況下，p=0.5%時可接入的終端數(shù)是p=1%和p=2%的2～4倍。從吞吐量和丟包率這兩方面綜合考慮，當每幀時隙數(shù)相同的情況下，終端有數(shù)據(jù)發(fā)送的概率越低，可接入的終端數(shù)就越多；在相同丟包率的情況下，數(shù)據(jù)包發(fā)送概率越低，可接入的終端數(shù)也越多。

3 結束語

文中主要對現(xiàn)有的應用于衛(wèi)星通信的多址接入?yún)f(xié)議—基于爭用解決的幀時隙ALOHA(CRDSA)進行研究分析，并在此基礎上對CRDSA吞吐量計算公式進行修改，使其適用于CRDSA++協(xié)議。并對CRDSA和CRDSA++協(xié)議的吞吐量和丟包率進行理論分析和仿真，根據(jù)仿真結果得出，CRDSA3在吞吐量和丟包率方面，性能要優(yōu)于CRDSA2、CRDSA4和CRDSA5。最后，結合低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入?yún)f(xié)議的設計要求和考慮的問題，在CRDSA3協(xié)議的基礎上，對每個終端有數(shù)據(jù)發(fā)送的概率進行了控制，當時隙數(shù)相同的情況下，數(shù)據(jù)包發(fā)送的概率越低，可接入的終端數(shù)就越多，但是，可接入的終端數(shù)還是不夠多。在下一步工作中，可以多部署幾條信道[19]，并加入重傳機制，在增加終端數(shù)的同時，也使系統(tǒng)具備較高的吞吐量。