惠明明，翟盛華，王 偉

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡是國家信息網(wǎng)絡的重要基礎設施，其具有覆蓋范圍廣、靈活機動、不受地理限制、可忽略氣候因素等特點，在維護國家安全、保障國計民生、促進經(jīng)濟發(fā)展等方面有巨大的戰(zhàn)略意義，是全球范圍內(nèi)研究的熱點和各國經(jīng)濟競爭的制高點[1]?？臻g、環(huán)境等因素，限制了5G物聯(lián)網(wǎng)在海洋、偏遠地區(qū)、救災、野生動物跟蹤檢測等領域的應用[2]，然而，通信物聯(lián)網(wǎng)憑借其覆蓋范圍廣、系統(tǒng)抗毀性強等優(yōu)勢，足以彌補地面物聯(lián)網(wǎng)的不足，從而真正實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。

衛(wèi)星在覆蓋區(qū)域內(nèi)需要服務的用戶數(shù)量非常巨大，這對于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的并發(fā)接收能力提出了較高的要求。在海量用戶共享系統(tǒng)容量的情況下，隨機接入技術具有很好的魯棒性，且可以有效降低重傳次數(shù)和時延、提升吞吐量，可以說，隨機接入技術是海量物聯(lián)網(wǎng)終端廣域連續(xù)性接入的必然選擇[3]。因此，在有限的資源下，設計出更為高效的、更高性能的、滿足用戶服務質(zhì)量的隨機接入?yún)f(xié)議具有重要意義。

最開始的彎管式衛(wèi)星通信中以固定多址(TDMA、FDMA、CDMA等)技術居多，后來在這些技術的基礎上應用了按需多址。按需分配多址(DAMA)是由主站來控制和分配的[4]，如果一個用戶想要接入網(wǎng)絡或者發(fā)送信息，首先需要發(fā)送請求數(shù)據(jù)包讓主站來分配帶寬或者時隙。盡管DAMA可以保證可用頻帶的效率，但對于短報文的響應太長，效率太低。隨著物聯(lián)網(wǎng)以及天地網(wǎng)絡一體化進程的加快，按需多址的方式已經(jīng)遠遠不能滿足海量信息的接入[5]。于是，人們將目光投向隨機接入技術。

純ALOHA協(xié)議簡單來說是有數(shù)據(jù)包后立即發(fā)送，時隙ALOHA對純ALOHA做了時間上的規(guī)范，規(guī)定用戶只可以在時隙開始時才能發(fā)送，因而減少了沖突域，提高了系統(tǒng)吞吐量。但純ALOHA(P-ALOHA(1)為了減少正文文字數(shù)量，除個別名詞外，括號里只寫縮寫，詳細含義見附錄。)和時隙ALOHA(slotted ALOHA, SA)是不存在干擾消除的，而重傳是沖突解決的唯一手段。這兩種方式的吞吐量會受限于用戶數(shù)，一旦用戶數(shù)增多，重傳概率增加，碰撞概率增加，就會導致吞吐量減少[6-7]。如今，雖然SA已然成為TDMA體制(比如DVB-RCS[8])衛(wèi)星隨機多址的一種方式，但是由于SA非常高的沖突概率，其在衛(wèi)星通信中的運用僅僅局限于初始化接入、數(shù)據(jù)報請求或者MAC層的信令包中[9]。這是因為通常在實際中SA一般用于中等歸一化負載(例如0.25)的情形下，以確保可接受的傳輸時延和丟包率[10]。分集時隙ALOHA(diversity slotted ALOHA，DSA)協(xié)議[11]是作者為了使隨機多址技術應用到衛(wèi)星通信而提出的。DSA可以通過在不同時隙或者不同頻率相同時隙上發(fā)送兩次副本來提高對中等負載的時延和吞吐量的性能表現(xiàn)。DSA已經(jīng)廣泛應用在初始化接入或者短報文接入。近年來像DVB-RCS[12]和電信行業(yè)協(xié)會提出的衛(wèi)星承載IP等通過SA來傳輸短報文。特別地，衛(wèi)星承載IP已經(jīng)將DSA作為增強的接入技術來使用[13-14]。DSA雖然相比前兩種方式有較大的提升，但在中高負載性能表現(xiàn)不盡如人意，究其原因是發(fā)送兩個副本在中高負載情況下只會增加碰撞概率。還有一種增強型SA是選擇隨機多址，其最大的優(yōu)勢在于衛(wèi)星終端不需要全網(wǎng)同步。但這個優(yōu)勢是通過增加額外的開銷來完成的[13, 15-16]。

為了使隨機接入技術能夠在衛(wèi)星返回鏈路(上行鏈路)進行初始化接入的同時傳輸數(shù)據(jù)包，提升接入技術的信道容量(通過量)、降低其丟包率是必由之路。與DSA類似，沖突解決分集時隙ALOHA(contention resolution diversity slotted ALOHA, CRDSA)協(xié)議在一幀內(nèi)的隨機時間生成同一數(shù)據(jù)包的兩個副本，而不是像SA中那樣只生成一次[13]。雖然DSA是以增加RA負載為代價，通過增加數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕蕘砺晕⒃鰪奡A性能，但CRDSA的設計方式可以解決大多數(shù)DSA數(shù)據(jù)包爭用問題。通過簡單而有效的迭代干擾消除(IC)方法清除數(shù)據(jù)沖突，這種方法使用的是來自副本中的信息。與SA和DSA相比，CRDSA的主要優(yōu)勢在于降低丟包率和傳輸時延以及達到更高的吞吐量。

隨著IC技術在CRDSA中的使用，人們開始致力于研究以IC技術為基礎的、更高效的隨機接入技術。目前，文獻中常用的消除干擾的方法主要有兩種[17]，一種是以編碼時隙ALOHA(CSA)為代表的物理層編碼(PNC)技術，另一種是以CRDSA為代表的IC技術。IC的具體過程是[13]：接收端的存儲器遍歷幀的所有時隙，如果發(fā)現(xiàn)存在“干凈”副本或者度1(IRSA中定義的概念)的副本，那么接收端會嘗試解調(diào)、解碼，解碼成功之后通過這個副本的頭部指針找出其他副本的時隙位置，然后對需要干擾消除的時隙進行信道估計，重構出該時隙中的其他副本，最后再減去重構副本。重復上述過程直至所有數(shù)據(jù)包全部解碼或者迭代次數(shù)達到最大。

本文將沿循CRDSA的發(fā)展歷程，通過以幀同步、時隙同步為基準，將CRDSA有關研究進展分為同步(幀和時隙都同步)CRDSA研究進展和異步(幀和時隙至少一個不同步)CRDSA研究進展，然后分別進行綜述，相關綜述脈絡可以參考圖1。通過對其中典型技術及其改進技術的介紹，理清過去自CRDSA提出以來到如今這十多年的研究方向。通過調(diào)研相關進展，了解以CRDSA為代表的、及其改進形式的眾多隨機接入技術在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的相關應用前景，對CRDSA及其改進形式在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中存在的挑戰(zhàn)予以說明。本文的結構如下：在文章第1節(jié)將會介紹有關同步CRDSA的研究進展。文章第2節(jié)介紹異步CRDSA的研究進展。第3節(jié)總結全文并且對CRDSA及其改進形式應用到未來衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通信中作了展望。

圖1 本文介紹的CRDSA及其改進形式總覽Fig.1 Overview of CRDSA and its improved forms introduced in this paper

1 同步CRDSA研究進展

在介紹同步CRDSA研究進展之前，首先簡要介紹同步系統(tǒng)的假設前提，因為這個系統(tǒng)假設具有一般性。同步CRDSA的技術基礎是TDMA體制。如圖2所示，每幀都有n個時隙。每個終端在每一幀都可以產(chǎn)生至少一個數(shù)據(jù)包(MAC突發(fā))。實際上，每個終端可以發(fā)送至少兩個副本(CRDSA兩個，CRDSA++以及IRSA等兩個以上)。這些副本都具有相同的前導碼和有效載荷，并且將會隨機地在n個時隙中挑選不同時隙進行發(fā)送。有效載荷包含信息域，信息域指向其他副本的時隙位置。在CRDSA引入干擾消除之后，接收端會接收每一幀的全部信息，然后挑選“干凈”副本以進行連續(xù)性的干擾消除(CRDSA及其改進形式)[18]或者直接利用信息域甚至全部有效載荷進行相關運算，如基于相關位置的多副本編碼(MARSALA)或者SPOTiT，以達到解碼的目的[13, 19-23]。

圖2 TDMA系統(tǒng)假設框圖Fig.2 Hypothetical block diagram of TDMA system

假設接入系統(tǒng)中m個用戶在一個MAC幀內(nèi)只傳輸一次，重傳也算作一次，但重傳不會在其發(fā)生碰撞一幀內(nèi)傳輸[23]。那么歸一化負載G可以表示為G=m/n，含義是每個時隙內(nèi)平均傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目，歸一化吞吐量定義為每個時隙內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包[20, 23-24]。

1.1 基于副本數(shù)目的CRDSA

談到基于優(yōu)化副本CRDSA的研究進展，首先得提及基于多個副本的優(yōu)化方案——CRDSA++[25]。CRDSA++相較于CRDSA除了利用多個副本來增大“干凈”副本的概率外，還利用了接收端功率差異(CRDSA假定的是接收端功率相等)來提升系統(tǒng)容量。后面我們會知道，這種利用接收端功率差異是所謂的“捕獲效應”。如圖3所示，CRDSA++可以在丟包率只有E-5(2)E-5表示10-5。全文出現(xiàn)的這種形式與此含義相同。時可以實現(xiàn)0.5 packets/slot的吞吐量。CRDSA++非常具有標志意義，因為它在低兩個數(shù)量級丟包率的情況下可以實現(xiàn)比SA和DSA高幾十倍、幾倍[9]的吞吐量。

圖3 IRSA、CRDSA++、CRDSA與SA性能對比Fig.3 Performance comparison of IRSA, CRDSA++, CRDSA, and SA

非規(guī)則時隙ALOHA(IRSA)[23]，該技術是作者借鑒圖論的方式——二分圖分析CRDSA干擾消除過程時提出來的，如圖4所示。二分圖的節(jié)點分別是突發(fā)(發(fā)送)節(jié)點(BN)以及幀內(nèi)時隙數(shù)目(SN)，連接兩個節(jié)點的是邊(E)，它的連接順序是突發(fā)節(jié)點在哪個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包連接哪個SN節(jié)點。干擾消除過程是逐漸消除邊的過程。在CRDSA中，每個突發(fā)節(jié)點隨機地連接SN其中兩個節(jié)點(不重復)。如果我們用多項式的冪表示發(fā)送副本的數(shù)目，多項式的系數(shù)表示發(fā)送副本數(shù)目的概率，那么CRDSA是以概率1發(fā)送兩個副本，即x2。當然CRDSA++可以用更高次冪來表示，IRSA就可以用多項式表示發(fā)送副本的情況，我們把該多項式稱為節(jié)點度分布函數(shù)Λ(x)。

文獻[23]就8次冪(限制小于等于8)給出了IRSA吞吐量的一個理論上限，可以高達0.938(實際仿真無法達到，可以參考圖3)。這比CRDSA的最大可達吞吐量高出幾乎1倍。該文獻中提出的二分圖以及節(jié)點度的概念為后續(xù)研究提供了重要基礎，可以說IRSA為CRDSA的研究進展邁出了很重要一步，因為它將副本優(yōu)化和SIC技術結合起來，找出了只通過增加副本數(shù)目來提升性能的最優(yōu)解(3)這里最優(yōu)解指的是有功率控制、接收端等功率、沒有其他因素影響或條件限制的情況下，增加副本所能達到的系統(tǒng)最優(yōu)性能。。

圖4 CRDSA干擾消除過程的二分圖法[23]Fig.4 Bipartite graph method of CRDSA interference cancellation process[23]

以后優(yōu)化副本的研究內(nèi)容大多都是基于IRSA體制，只是參數(shù)設置各有側重點。對于M2M終端來說，一般是總功率受限設備，意味著副本的傳輸數(shù)目會有限制[26-27]。文獻[28]分析了在總功率受限情況下IRSA的性能情況。接收端采用時隙內(nèi)干擾消除和時隙間干擾消除(4)時隙間干擾消除是指如果一個時隙存在“干凈”副本，那么這個副本可以被解碼，然后與之對應的其他時隙上的同一副本可以干擾消除。時隙內(nèi)干擾消除是在消除時隙內(nèi)多個副本碰撞時利用捕獲效應來達到干擾消除的目的，但是要求這幾個副本要有功率差，否則也是無法干擾消除的。時隙內(nèi)干擾消除一般與時隙間干擾性消除結合使用。[29]的結合來解碼。通過理論分析和仿真，證明在總功率受限的情況下，優(yōu)化節(jié)點分布的情況下可以實現(xiàn)最大吞吐量1.3packets/slot(這時最大副本數(shù)目是11，超過了IRSA最大為8)。

從能量或者功率角度使得CRDSA性能方面有突破的是Alvi等[21]提出的功率分集CRDSA。所謂功率分集是指每個副本發(fā)送的時候隨機的選擇其中一個功率等級El?？紤]到功率可以用信干噪比(SINR)來衡量，所以文獻規(guī)定了接收端某一副本的SINR必須超過某一門限γth才能被正確解調(diào)解碼。表現(xiàn)在二分圖上是邊的權值大于門限值才能被消除。采用功率分集技術可以大幅提高接入技術的性能。為了得到最優(yōu)的功率電平分布，文獻[5]借助Choi在2017年證明非正交接入技術(NOMA)在RA中使用可以得到增益[30]給出了一種解決方案——利用NOMA來得到離散功率電平。由此提出一種基于NOMA的IRSA。NOMA體制下假定接收端將功率電平分為L個檔次，即pr1>…prL>0。接收端在一時隙內(nèi)運用捕獲效應便可以得到“干凈”副本，直至該時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包信噪比低于門限值。但這兩種方案都沒有進行功率控制，認為發(fā)送端都是等功率發(fā)送數(shù)據(jù)包的，文獻[31]將功控加入到IRSA-NOMA中來提高吞吐量，即發(fā)送端根據(jù)優(yōu)化功率分布，隨機選擇功率電平進行發(fā)送副本，這樣在接收端可以表現(xiàn)層次不齊的功率以便利用“捕獲”效應。當然，功率電平需要在接收端滿足門限值的要求。

上面幾種IRSA改進形式的思路都是從能量或者功率的角度優(yōu)化副本數(shù)目來實現(xiàn)較高的最大可實現(xiàn)吞吐量或者較低的PLR。除此以外，還有從天線極化方式以及MIMO信道角度優(yōu)化副本數(shù)目以到達提高IRSA性能的目的。文獻[32]提出了一種基于MIMO信道下極化分集的IRSA(PM-IRSA)可以實現(xiàn)1.89bits/symbol(5)注意這里的單位與上面不同。的吞吐量。

基于副本的研究方案，可以通過簡單的增加或者優(yōu)化副本數(shù)量實現(xiàn)較高的吞吐量以及較低的丟包率。因此，方案的復雜度相對于其他優(yōu)化方案而言低得多，但其致命缺點在于系統(tǒng)的利用率低，需要的資源(功率以及帶寬)也更多，而且副本數(shù)目越多則越明顯。即使考慮了相關資源限制的情況下，我們發(fā)現(xiàn)，單純考慮增加副本數(shù)目來提升系統(tǒng)性能的方式還遠遠不能滿足衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)要求。

1.2 基于預留時隙CRDSA

文獻[23]中指出，CRDSA的輸入負載門限值(6)這里指最高可達吞吐量所對應的負載值，下文同。較低，大約是0.55packets/slot。而且CRDSA需要更多的功率和帶寬來傳輸用戶帶來的多副本問題。為了能夠在與CRDSA相同條件下得到盡可能高的吞吐量，Lee等[20]提出了一種在時隙內(nèi)盡可能減少沖突的方式——預留CRDSA(R-CRDSA)。該方法中，如果一個時隙成功解碼，我們說該時隙是預留時隙，反之是非預留時隙。在CRDSA中，當一個時隙內(nèi)有不止一個數(shù)據(jù)包時會發(fā)生碰撞，但運用IC技術可以讓該時隙成功編碼。這樣的時隙也算預留時隙(針對成功解碼的用戶)。為了讓每個用戶都知道哪個時隙是被預留的，需要檢測幀的狀態(tài)(被利用還是其他狀態(tài)，利用的則是預留時隙，其他兩種狀態(tài)是非預留時隙)，但相對于CRDSA IC來說，不需要額外的存儲器。確定了預留時隙，占用預留時隙的用戶將會從下幀開始占用該時隙直至整個信息包(為了固定數(shù)據(jù)包長度，在MAC層會將信息包進行分段)發(fā)送完成。其他用戶將會在非預留時隙按照CRDSA協(xié)議的傳輸。如果下一幀是預留時隙，說明上一幀中該時隙對應的數(shù)據(jù)包是解碼成功的，信道會將這一消息下發(fā)給所有用戶并通知成功編碼的用戶保留時隙至該消息的分段發(fā)送完。具有預留時隙的用戶是不需要發(fā)送額外副本的。文獻給出的仿真結果證明該方式提高吞吐量峰值上限，其上限值接近1(CRDSA為0.55)。

然而，如果考慮低負載并且數(shù)據(jù)包信息量較大的情況，逐幀預留一個時隙的方式其實是效率非常低的。文獻[33]提出了解決該問題的思路——多預留時隙CRDSA(MR-CRDSA)。MR-CRDSA可以根據(jù)信息的大小來預留時隙的多少，為了保證公平性，那些需求時隙數(shù)大于1的用戶將會逐步減1直至需求時隙數(shù)小于等于幀時隙總數(shù)。雖然文獻給出在輕負載情況下的確可以提高吞吐量以及減少時延，但首先要做的是判斷網(wǎng)絡是否處于輕負載狀態(tài)，其次才有可能實現(xiàn)多預留時隙CRDSA。

預留時隙的規(guī)則增加了衛(wèi)星基站或者接收端的復雜度，但在一定程度上相較CRDSA也降低了發(fā)送端的總功率要求(預留之后只需要發(fā)送一個即可)，而且相較CRDSA提升的性能是很明顯的，這在衛(wèi)星通信中負載不是很大的情況下不失為一種解決方案。預留時隙歸根結底還是在于降低數(shù)據(jù)包的副本數(shù)目以減少沖突，從這角度來看也算作是一種基于副本數(shù)目優(yōu)化CRDSA的方案，但其引入的預留規(guī)則較于之前幾種又有獨特的地方，所以將其劃作一類進行單獨介紹。

1.3 基于編碼時隙CRDSA

前面介紹的幾種方案是基于優(yōu)化副本數(shù)目來達到較高性能的，但其效率之低以及占用資源之多還遠不能為衛(wèi)星通信這樣資源受限系統(tǒng)所接受，況且還存在一定概率的“死鎖”問題(7)指一幀內(nèi)干擾消除算法結束時還存在未解碼數(shù)據(jù)包。，這對于本來較低的性能而言又是雪上加霜。于是有人提出借用編碼思想來提高干擾消除的成功率或者解決“死鎖”問題以提高CRDSA的性能。將編碼用于干擾消除過程首次出現(xiàn)在編碼時隙ALOHA中，編碼時隙ALOHA(CSA)[22]的基本思想是在MAC幀傳輸之前使用本地擴頻碼對突發(fā)進行編碼，而不像之前幾種接入方式那樣簡單地重復，在接收端將本地編碼解碼和SIC相結合的方式從沖突中恢復突發(fā)。雖然將每個突發(fā)劃分成數(shù)個段，段數(shù)越多傳輸效率越低，但合理的劃分段數(shù)可以使傳輸?shù)墓β市屎芨摺７抡姹砻?，在傳輸速率R=1/3，數(shù)據(jù)劃分段數(shù)k=2，輸入負載的門限值約為0.86。相比于IRSA，在同等條件下(如R=1/2，2/5)提高了輸入負載門限值。為了優(yōu)化CSA，文獻[34]提出了一種關注50%負載以下的吞吐量的方式——廣義編碼CRDSA(GE-CRDSA)，該編碼方式通過增加每幀傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)目來減少排隊時延，具體的操作在于通過負載控制系統(tǒng)來優(yōu)化使CSA達到最大吞吐量。廣義編碼的方式雖然增加了控制系統(tǒng)的復雜度，但它放寬了在目標范圍內(nèi)負載的跟蹤約束，降低了碰撞的動態(tài)分配復雜度。從時延角度去優(yōu)化CSA的是Sandgren等[35]提出的幀異步的編碼時隙ALOHA(FA-CSA)。與CSA不同的是，F(xiàn)A-CSA中的用戶從本地產(chǎn)生的幀時隙序列中選取一些時隙進行傳輸副本。具體來講是當某一度的用戶在加入系統(tǒng)后選擇下個時隙發(fā)送第一個副本(這要所有用戶是時隙同步)，剩下的l-1個副本在之后n-1個時隙中均勻地隨機選擇發(fā)送。n是FA-CSA幀時隙的總數(shù)。這些時隙不是由幀統(tǒng)一安排好的，而是通過用戶發(fā)送的第一個副本來確定的，也是說當用戶發(fā)送第一個副本之后接下來n-1個時隙這個用戶都處于激活狀態(tài)，那么這個時隙稱作本地幀。FA-CSA的解碼與CSA大致相同，不同的是接收端采用滑動窗口的機制來進行干擾消除，這個窗口的大小一般是幀長度的5倍(原因見SW-CRDSA)。所以不只是針對當前幀進行迭代，還要將之前的幀加入滑動窗口一起進行迭代。仿真結果也證明了FA-CSA要比幀同步CSA(FS-CSA)時延具有更好的性能。

還有一種編碼實現(xiàn)的方式——多時隙編碼ALOHA(MuSCA)[17]，該方式的主要原理是每個用戶用糾錯碼的幾部分來代替?zhèn)鬏敹鄠€副本，在接收端收集這些糾錯碼并解碼。該方式將數(shù)據(jù)包根據(jù)編碼速率劃分為不同段的相同長度的數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊分為信息域和負載域，信息域攜帶糾錯碼和其他分塊的位置信息，而且一旦發(fā)生碰撞，信息域的解碼的概率是90%，使用Turbo碼時，在一定誤碼率的情況下是可以解碼兩個碰撞數(shù)據(jù)塊，所以這種編碼方式的多址技術其實是允許沒有“干凈”副本的。由于不需要發(fā)送多個副本，這種編碼方式相較CSA在吞吐量方面有了很大的提升，可以高達1.426。當然，其中劃分數(shù)據(jù)塊的方式可以是規(guī)則的，也可以是非規(guī)則的，和IRSA中發(fā)送副本數(shù)目類似，非規(guī)則情況下吞吐量可以更高。由此可見高效的編碼方式可以提升干擾消除的效率。

文獻[36]另辟蹊徑，在保證發(fā)送端按照CRDSA的方案運行時，提出了MARSALA的方式。該方法可以使數(shù)據(jù)包和其所有副本一起解碼，而且不需要額外的編碼。MARSALA不會對發(fā)射端產(chǎn)生任何影響(相較CRDSA)，只需在接收端增加信道仿真和相關定位相應的復雜度。具體解碼流程參考圖7中CRDSA補充程序。

假設所有數(shù)據(jù)包的傳輸都是等功率的，也是說到達接收端的信噪比是相同的。圖5、圖6給出了副本數(shù)目為3的MARSALA對于不同信噪比條件下讀的吞吐量以及在SNR=2dB情況下CRDSA和MARSALA在不同副本數(shù)下的吞吐量曲線。從圖5中我們可以發(fā)現(xiàn)即使在信噪比為0dB的情況下吞吐量也可以到0.7，在10dB的情況下更是可以的達到MARSALA的最高吞吐量——1.4packets/slot。圖6反映了相較CRDSA，MARSALA性能的提升量，在信噪比為2dB吞吐量大概是CRDSA的1.5倍。

最后，MARSALA不存在CRDSA“死鎖”的問題，這是由于MARSALA是通過相關合并一步步找到目標信號再加以干擾消除，而并非通過找到“干凈”副本再去干擾消除?？偟膩碚f，MARSALA是通過增加接收端復雜度來提升系統(tǒng)容量的，合并之前對信道的估計、信號的恢復都需要較強的計算存儲能力。其次，這種方式與信號的信噪比息息相關，低信噪比的情況下特別是衛(wèi)星信道鏈路，它的使用價值會大為削弱。

圖5 MARSALA在不同信噪比下的吞吐量[36]Fig.5 Throughput of MARSALA under different signal-to-noise ratios (SNR)[36]

圖6 MARSALA和CRDSA在SNR=2dB下隨副本數(shù)變化的吞吐量曲線[36]Fig.6 Throughput curves of MARSALA and CRDSA with SNR=2dB as a function of the number of replicas[36]

為了增強MARSALA的性能以及減少其復雜度，Zamoum等[37]提出了一種位置共享的方案——干擾隨機傳輸?shù)墓蚕砦恢眉夹g(shared position technique for interfered random transmissions，SPOTiT)，這里的位置和上文中的位置概念都是一樣的，都表示副本在幀中時隙的位置。SPOTiT旨在通過偽隨機碼產(chǎn)生的前導碼和位置信息來識別終端，從而減少位置信息相關的操作復雜度。在接收端，CRDSA規(guī)則首先適用，使用SIC直至還有數(shù)據(jù)包不能被解碼為止。然后使用MARSALA或者SPOTiT技術來解決CRDSA “死鎖”。其操作流程圖如圖7所示。后兩種方法都依賴幀中副本的位置以及相同數(shù)據(jù)包的信號的合并才能成功解碼。不同的是，SPOTiT通過使用前導碼可以在處理位置信息時比MARSALA具有更低的復雜度。

SPOTiT可以分為發(fā)送端和接收端兩部分來實現(xiàn)。在發(fā)送端實現(xiàn)的是如何選擇位置以及前導碼來讓接收端更容易識別之。具體來說是使用偽隨機數(shù)字產(chǎn)生器(PRNG)來提供能讓接收端和每個終端共享的信息，即PRNG使用發(fā)送端已知的機器識別號作為種子來產(chǎn)生副本位置以及前導碼，為了防止一些用戶在一幀內(nèi)產(chǎn)生的位置相同從而形成“死鎖”的問題，作者提出用機器識別號以及幀號(比如兩者之和)作為PRNG的動態(tài)種子從而產(chǎn)生不同位置出來。在接收端通過種子計算出所有服版本的位置以及前導碼，形成如表1所示的信息表。在表中Slot(u,r) 表示用戶u位于該時隙的第r個副本，PU表示用戶u選擇的前導碼。

圖7 CRDSA、MARSALA以及SPOTiT流程圖Fig.7 Flow chart of CRDSA, MARSALA and SPOTiT

表1 SPOTiT接收端生成的信息表Tab.1 Information table generated by SPOTiT receiver

如此，接收端可以知道所有用戶在每個時隙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，之后可以利用偽隨機碼的正交特性減少每個時隙的數(shù)據(jù)包的數(shù)目。在前導碼檢測階段，當檢測到前導碼指向唯一用戶時，根據(jù)信息表，可以知道其他副本的位置。但當其他副本在當前時隙也表現(xiàn)出相關峰時，說明當前時隙的用戶不止一個，這時可以根據(jù)前導碼的唯一性確定數(shù)據(jù)屬于哪個用戶，或者根據(jù)信息表在其他時隙對具有相同前導碼的數(shù)據(jù)包繼續(xù)做相關，直至只有一個相關峰，然后進行解調(diào)和解碼。如果有兩個以上的數(shù)據(jù)包前導碼相同且位置相同，那么延續(xù)MARSALA的方法作數(shù)據(jù)包的相關。文獻[37]從理論上證明了MARSALA和SPOTiT能夠成功解碼的概率比CRDSA大大提高，仿真結果也表明，SPOTiT在降低MARSALA的復雜度的情況下可以達到與之相同的性能。

隨后作者在SPOTiT的基礎上做了改進，提出了智能SPOTiT方案[38]，以降低丟包率(PLR)。作者發(fā)現(xiàn)MARSALA以及SPOTiT技術PLR下限是與某些用戶選擇相同副本位置的概率有關。于是SPOTiT的改進方式主要是針對時隙位置的集中管理以及如何使用前導碼。文獻給出的思路是接收機統(tǒng)一管理時隙的分配以及每個預訂用戶的前導碼，這些資源可以永久分配給一個用戶社區(qū)，而不僅僅是一個用戶，社區(qū)用戶的資源的分配遵從一定的優(yōu)化原則。它要確保在同一時隙中其他干擾用戶的前導碼與該用戶的副本的前導碼區(qū)別開來，即在該時隙該副本的前導碼是唯一的，以消除數(shù)據(jù)循環(huán)。這些時隙的位置以及前導碼是以信令的方式發(fā)給發(fā)送端，只發(fā)送一次，可以在登錄階段選擇發(fā)送。接收端在當前時隙檢測前導碼時，可以僅僅使用前導碼相關來確定副本位置。理論和仿真證明了該方式的可行性，仿真結果如圖8所示，可以看出，在歸一化負載到達1.7 bits/symbol(1.7以后意味著這幾種方式對“死鎖”都失靈)之前PLR是很低的而且可以達到與MARSALA或者SPOTiT在同等條件下相同的性能。

圖8 幾種方式(CRDSA、MARSALA以及智能SPOTiT)的吞吐量比較[38]Fig.8 Throughput comparison of several methods (CRDSA, MARSALA and smart SPOTiT)[38]

前文提到過，編碼是實現(xiàn)干擾消除的方式之一，以上基于位置相關的方式通過碼字之間的自相關性或者互相關性來解決碰撞之后數(shù)據(jù)包如何恢復的問題，但是由于這兩種方式的復雜性，不得不將CRDSA中的規(guī)則以及SIC應用到這兩種方式上來，而且僅僅也只是作為一種解決“死鎖”問題的方式出現(xiàn)在CRDSA之后。這無疑不是對復雜度和性能的一種平衡。在改進了的智能SPOTiT方式我們也可以清晰地看到，性能特別是丟包率的提升是需要較高的復雜度來保證的。如何在保證復雜度較低的情況下，提升系統(tǒng)性能，無疑是件困難的事。

1.4 基于滑動窗口機制的CRDSA

CRDSA、CRDSA++以及IRSA及其改進形式均是按幀為單位來操作的，這樣其實一是由于發(fā)生不可避免的沖突而導致對吞吐量有所限制，二是每個用戶都要等待下個時隙開始時間(而這個等待時延是不期望出現(xiàn)的)，這說明同一幀內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包將會從幀內(nèi)時隙隨機選擇來發(fā)送副本，并且會以一定的概率創(chuàng)建停止集[39]。所謂停止集[40]是那些在某些時隙包含所有數(shù)據(jù)包副本的數(shù)據(jù)包集合，這些時隙中每個時隙包含停止集中不同數(shù)據(jù)包的至少兩個副本。然而在文獻[39]中提出的一種與之相反的操作形式，即按時隙操作的滑窗式CRDSA(SW-CRDSA)。這種方式用戶將會在下一窗口內(nèi)的時隙中發(fā)送副本，而且這些副本將會處于不同時隙中，這避免了以特定概率形成停止集(SW-CRDSA存在概率會形成停止集，但很低)而導致“死鎖”的出現(xiàn)。

在SW-CRDSA(或SW-IRSA)中，一旦用戶想發(fā)送數(shù)據(jù)，首先第一個副本會在下個可用時隙立即發(fā)送，然后其他(l-1)個副本會在接下來(Nsw-1)個時隙按照概率分布隨機發(fā)送。其中l(wèi)代表總的副本數(shù)目，Nsw代表的是某一特定用戶可以發(fā)送其數(shù)據(jù)包副本的連續(xù)的時隙數(shù)量，也是滑動窗口的大小，它是根據(jù)用戶數(shù)據(jù)包的到達特性而逐漸滑動。SW-CRDSA要求接收端要比窗口大(至少兩倍，但增加到五倍以上反而由于窗口大小的限制不會提升吞吐量)的存儲器來接收“干凈”副本從而達到干擾消除的目的。類似于TCP協(xié)議中的滑動窗口機制，SW-CRDSA也受窗口大小的限制，窗口大小實際是有邊界的，該文獻仿真了不同大小的窗口，發(fā)現(xiàn)吞吐量是隨著窗口長度的增加而增加的，但是并沒有給出邊界，或者說其實下界是幀的長度或者較小的窗口大小，但并沒有給出上界。仿真結果還表明了在合適的窗口大小下，吞吐量和輸入負載的曲線的峰值相比于CRDSA是可以更高的(增益可以高達13%)，如圖9所示，而且平均時延可以比它們小100ms以上。

圖9 按幀操作的CRDSA(FR-CRDSA)和SW-CRDSA的吞吐量對比[39]Fig.9 Throughput comparison of frame-based CRDSA (FR-CRDSA) and SW-CRDSA[39]

上述SW-CRDSA并沒有考慮在衛(wèi)星通信中平均功率受限的問題，在考慮功率受限的情況下，文獻[41]表明只有在信噪比達到6dB以上，按幀操作類型的CRDSA 才會比時隙ALOAH(SA)具有更高的歸一化效率，而SW-CRDSA卻可以使信噪比的要求降至0dB。

滑動窗口的CRDSA借鑒TCP關于流控和擁塞控制的做法，將想要發(fā)送數(shù)據(jù)的用戶限制在一個包含一定數(shù)目的時隙窗口內(nèi)，這樣既縮小了存儲空間、減少了算法的遍歷長度(一幀減小到一定數(shù)目的時隙)，從而減少了處理時延以及傳輸時延，又可以在與CRDSA、IRSA等相比，在使用較少的資源下實現(xiàn)相同甚至更高的吞吐量，如圖9所示?？上攵?，這種方式僅僅適用于用戶數(shù)目較少的情況，這與其時隙范圍是有一定關系的，可用時隙數(shù)目的減少(相比于一幀)使得副本在滑動窗口內(nèi)十分擁擠，從而在海量接入面前顯得無能為力。但其在時延方面的控制十分具有借鑒意義，因此，在某些場合中還是十分有用的，比如在采用輪詢體制下的隨機多址技術。

1.5 基于物理層增強CRDSA

以上技術都是基于物理層TDMA體系下的CRDSA的改良或者改進，這些都屬于數(shù)據(jù)鏈路層方面針對協(xié)議本身進行設計優(yōu)化的。但是在文獻[42]提出了幾種針對物理層上的改進措施。比如，提出MF-CRDSA以及SS-MF-CRDSA兩種針對物理層TDMA體系優(yōu)化的新技術。

圖10 TDMA(左)體制以及MF-TDMA(右)體制[42]Fig.10 TDMA (left) system and MF-TDMA (right) system[42]

仿真結果表明MF-CRDSA丟包率PLR在低負載情況下比CRDSA并沒有提升，反而比CRDSA還要低些。

擴頻CRDSA(SS-CRDSA)是文獻[42]為解決不可避免的“死鎖”問題而提出的，SS-CRDSA是標準CRDSA使用輕量直接擴頻序列(擴頻因子一般在2～8)的一種演進形式，實際系統(tǒng)一般使用周期比擴頻因子長的PN序列。擴頻通常在FEC整個碼字上進行。每個用戶在系統(tǒng)可用的碼字中隨機挑選擴頻序列作為前導碼。實驗結果表明擴頻可以降低PLR的下限，可以增加其曲線的陡峭性。也可以在MF-CRDSA基礎之上再進行擴頻操作，這種方式既可以降低“死鎖”概率和峰值功率，也可以在低PLR條件下實現(xiàn)較好的吞吐量。在該文獻中將這種方式稱為多頻擴頻競爭解決時隙ALOHA(SS-MF-CRDSA)。

這3種方法從物理層的角度去設計來解決CRDSA MAC層存在的諸如“死鎖”概率固定、峰值功率過高等問題，性能表現(xiàn)接近CRDSA，最后一種方式更是結合了FDMA/CDMA/TDMA 3種優(yōu)勢于一體，因此對于物理層的增強方式可以適用于對某種條件要求較為苛刻的情境下。

2 異步CRDSA研究進展

考慮到服務的低占空比、消息大小和真正的數(shù)據(jù)包性質(zhì)，純隨機接入 (RA)首選用于基于預留的返回鏈路，例如DAMA網(wǎng)絡中。對于龐大的數(shù)據(jù)傳輸應用，它們通常使用RA信道進行網(wǎng)絡登錄和初始容量請求。由于容量設置時間和相關信令開銷，將DAMA與RA 配合使用將會非常的低效，當數(shù)據(jù)包的大小非常小時并且傳輸占空比很低時尤為突出。此外，由于網(wǎng)關授予終端的容量分配不能保證終端接收時的視距(LOS)條件，DAMA技術陸地移動衛(wèi)星(LMS)信道中的性能將進一步下降。因此，大量分配的容量將導致需要重傳的錯誤傳輸[43]。

時隙ALOHA(SA)技術已在前文充分討論過了?；谛诺栏兄腟A技術[44-45](CSMA等)常用于地面網(wǎng)絡，由于往返時延較大，無法在衛(wèi)星通信中使用。如今在衛(wèi)星時分多址 (TDMA) 系統(tǒng)中一般使用DSA，TDMA系統(tǒng)一般在監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)應用以及寬帶接入衛(wèi)星網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡登錄程序中的傳輸效率和可靠性較低。SA的媒體訪問信道 (MAC) 吞吐量非常差，雖然在改進的SA中可以提升很高吞吐量。但時隙RA系統(tǒng)要求終端保持時隙同步，由此產(chǎn)生的同步開銷大大減少系統(tǒng)效率，特別是對于以具有非常低的傳輸占空比的大量終端為特征的網(wǎng)絡效率尤其低[9]。最后，對于基于TDMA的時隙RA，終端EIRP要求與TDMA多址方案的聚合數(shù)據(jù)速率有關，而不是與單個終端比特率有關。因此，基于TDMA的SA不太可能解決系統(tǒng)低成本的問題[9, 43]。要從根本上解決傳輸效率低的問題，必須放寬或者取消同步的限制。于是，異步ALOHA成為人們重點關注的對象。

第一次將時隙的概念模糊化的是Kissling等[46]，他們在競爭解決ALOHA(CRA)取消了時隙的概念，只要求傳輸者每幀同步，在一幀內(nèi)隨機發(fā)送即可。但是它保留了干擾消除技術，以及運用了FEC技術。CRA即使取消了時隙的概念，但它依然存在IC環(huán)的問題。仿真結果表明，文獻[46]還給出在兩副本，SNR=10dB，F(xiàn)EC=1/2以及QPSK調(diào)制條件下，在香農(nóng)極限作為解碼界限時，CRA的最大理論吞吐量可以達到0.96packets/slot。為了進一步提高非時隙CRA的吞吐量，Clazzer等[47]提出了一種合并兩個或者多個已經(jīng)產(chǎn)生沖突的數(shù)據(jù)包的非沖突部分作為新的數(shù)據(jù)包來解碼的增強型CRA，即ECRA。干擾消除的一般過程是如果掃描一幀發(fā)現(xiàn)還有數(shù)據(jù)包沒有被成功解碼，那么會從頭掃描這一幀繼續(xù)進行IC過程，然后直至解碼完成或者到達IC過程的最大次數(shù)，迭代過程停止。ECRA的創(chuàng)新性在于IC過程加入了組合新數(shù)據(jù)包來進行干擾消除，對于存在干擾的用戶，將沖突副本的非干擾部分進行組合(對半組合)成一個新的數(shù)據(jù)包，如果一個副本的部分都與其他所有副本存在干擾，那么選取一個干擾程度最小的來組合。如果組合的數(shù)據(jù)包可以被正確解碼和接收，那么可以去除該副本帶來的干擾。然后可以通過IC過程進行解碼。重復上述過程直至所有用戶數(shù)據(jù)包全部被接受或者到達最大迭代次數(shù)。

CRA和ECRA關于取消幀內(nèi)時隙的思想是對全網(wǎng)精確同步的初步挑戰(zhàn)，雖然在特定情況下(如FEC 1/4編碼的QPSK調(diào)制下)才可能會比CRDSA具有更好的性能，但這種思想給De Gaudenzi等[48]帶來了新靈感。提出了一種可以真正意義上實現(xiàn)異步的CRDSA技術(ACRDA)。在ACRDA中時隙和幀邊界的確定不是由中心站來完成的，而是由終端發(fā)送者的位置確定的。文獻[48]中采用虛擬幀(VF)的概念來描述每個發(fā)送者確定的幀。在ACRDA中同樣假定VF有Nslots個時隙，每個時隙持續(xù)時間為Tslot，即每一幀持續(xù)的時間為兩者的乘積。在接收端由發(fā)送方確定的幀與時隙的邊界是接收方時間參考線。因此，文獻[48]假定所有的數(shù)據(jù)包都在時隙內(nèi)到達，并且所有數(shù)據(jù)包的副本都在一個幀內(nèi)。如圖11(b)所示，不同發(fā)送者是異步的，并且每個虛擬幀之間的時間偏移是隨機的?；趲瑑?nèi)存處理過程在解調(diào)端完全是解相關。圖11(b)中每一虛擬時隙和虛擬幀長度與圖11(a)中CRDSA的一樣，即使存在多普勒效應使這些虛擬幀發(fā)生長度上的變化，但在信關站中每個虛擬幀都有基準頻率，所以每個數(shù)據(jù)包副本的位置信息處理過程依然是精確的。

圖11 CRDSA 與 ACRDSA幀和時隙示意圖Fig.11 Schematic diagram of CRDSA and ACRDSA frames and time slots

文獻[48]也給出了ACRDA調(diào)制和解調(diào)的步驟。與CRDSA不同的是，在ACRDA中數(shù)據(jù)包編碼的數(shù)據(jù)包括副本的位置、時隙偏移以及VF的起始時刻。把發(fā)送方物理層正準備發(fā)送的時刻定義為VF的起始時刻，網(wǎng)絡對起始時刻的同步是不做要求的，所以每個用戶的接入可以認為是異步的。每個虛擬幀自發(fā)送第一個數(shù)據(jù)包的時候已經(jīng)設置好幀的長度了，如果傳送當前幀時有新的數(shù)據(jù)包到達，那么這個數(shù)據(jù)包在當前幀的最后一個副本發(fā)送完才能成幀發(fā)送。ACRDA解碼需要前導碼與本地碼進行匹配，匹配成功的數(shù)據(jù)包再經(jīng)過CRC冗余校驗然后將這個數(shù)據(jù)包的頭部信息位和負載部分重新編碼?；谶@些完整的數(shù)據(jù)包內(nèi)容，即前導和數(shù)據(jù)有效載荷符號，可以從解調(diào)器窗口存儲器中減去對應于第i個檢測包的本地再生包的調(diào)制符號樣本，以消除第i個包。通過重新編碼和調(diào)制有效載荷數(shù)據(jù)和相關信令來重新生成第i個檢測到的數(shù)據(jù)包的物理層數(shù)據(jù)包副本(執(zhí)行此操作時，與檢測到的數(shù)據(jù)包i相比，嵌入在數(shù)據(jù)包有效載荷中的副本位置信令必須被修改，因為副本的相對位置對于重構的每個副本數(shù)據(jù)包是不同的)。第i個檢測到的數(shù)據(jù)包副本的信道估計(復相量)是通過將副本數(shù)據(jù)包位置處的解調(diào)器窗口內(nèi)存樣本與重新生成的數(shù)據(jù)包副本做相關來獲得的?？梢允褂玫趇個解碼分組時間參考的開始并根據(jù)解碼分組中包含的信令信息在存儲器中移動整數(shù)個Tslot周期(具有相對符號)來輕松導出副本分組位置。

ACRDA相較CRDSA有多個關鍵技術，具體來說是：

1)ACRDSA接入技術可以實現(xiàn)真正異步，但并不是用擴頻技術來實現(xiàn)的(靠擴頻實現(xiàn)異步的是SSA和E-SSA)。和CRDSA類似，ACRDA也是通過時間分集來實現(xiàn)的干擾消除，雖然時隙是在虛擬幀內(nèi)，但這種想法可以保持副本和干擾消除技術。這種不需要時間同步的技術可以大大降低系統(tǒng)復雜度以及增加網(wǎng)絡的可擴展性。

2)ACRDA的頭部信息非常類似于CRDSA，ACRDA的每個數(shù)據(jù)包的副本都會包含其他副本的時隙標號(位置信息)。假設ACRDA虛擬幀VF包含已知數(shù)量的時隙和長度。如果在發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的隨機位置其實都是已知的，而且可以用比較簡單的符號可以表示，那么在信關站(接收端)只需通過前導碼可以快速識別和恢復。

3)相較CRDSA，ACRDA可以用較少的副本可以得到與CRDSA相同甚至更低發(fā)生“死鎖”的概率?！八梨i”是由于數(shù)據(jù)包的所有副本與其他數(shù)據(jù)包副本發(fā)生不可消除的碰撞而引起的。這解釋了CRDSA在對副本(3或者4)可以具有更好的性能。但是對于ACRDA增加數(shù)據(jù)包的副本數(shù)只會增加接收端解調(diào)碰到環(huán)的概率。與此同時，ACRDA需要的抽樣存儲器要比CRDSA的大幾倍(通常是3倍)，但是這并不會增加信號處理復雜度。

也正是這些關鍵的點使得ACRDA能夠?qū)崿F(xiàn)真正異步，圖12展示了ACRDA和CRDSA吞吐量的情況。從圖中可以看出，CRDSA最好的性能是在副本數(shù)目Nrep=3的情況，ACRDA是在Nrep=2、數(shù)據(jù)包服從對數(shù)分布σ=3dB的情況下性能最好。ACRDA可以在性能最好的情況下的丟包率依然可以保持在PLR為10-4，吞吐量也是CRDSA的0.35倍。而且2副本相較3副本的可以降低至少33%的復雜度。

當然，由于ACRDA解調(diào)過程是窗滑動的過程，所以窗的大小也會影響ACRDA的性能，文獻給出的仿真曲線表明窗口長度2≤W≤3可以達到最佳性能。

圖12 CRDSA、ACRDA在QPSK調(diào)制，Nslots=100下不同副本數(shù)目的性能，其中FEC R=1/3，數(shù)據(jù)包大小為100bit，Es/N0=10dB，以及到達是泊松過程，解調(diào)窗口W=3幀，窗口步長ΔW=0.15 [48]Fig.1 Fig.2 The performance of CRDSA and ACRDA in QPSK modulation,Nslots=100 with different number of copies, where FEC R=1/3, the data packet size is 100bit, dB, and the arrival is a Poisson process, demodulation window W=3 frame, window step size ΔW=0.15 [48]

文獻[48]還仿真了CRDSA和ACRDA的時延性能，仿真表明ACRDA的時延會遠遠低于CRDSA。

通過上面的描述，可以得出ACRDA的各方面性能都要比同等條件的CRDSA好，而且ACRDA完全不需要全網(wǎng)同步，降低了對時間同步的精確要求，同時，在接收端增加的時延也可以被虛擬幀帶來的超低時延抵消掉。雖然異步確實要比時隙ALOHA性能表現(xiàn)更好，但接收端的復雜度不是小型設備可以支持的，它對于設備的計算和存儲能力都有一定的要求。而且ACRDA中發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度是固定的，不像CRA或者ECRA那樣具有隨機的數(shù)據(jù)包長度。

文獻[42]中指出，可以將物理層增強的技術手段應用到異步CRDSA中，即MF-ACRDA可以擴展到頻域中以實現(xiàn)頻域異步。形成可以大大降低終端成本和功耗得完全由終端確定的，不需要時間和頻域同步的網(wǎng)絡。隨后文獻[49]分析了MF-ACRDA性能表現(xiàn)，也確實證明了MF-ACRDA良好性能。

由于ESSA可以實現(xiàn)非常高的吞吐量，CRDSA利用傳輸副本的多寡以及IC技術可以提高，ACRDA可以使網(wǎng)絡放寬或者取消對同步的要求。這3種技術能不能集成到一種技術上，是不是可以集3者之優(yōu)勢。Biason等[50]做了嘗試，提出一種在ACRDA網(wǎng)絡下通過擴頻技術傳輸多個副本，在接收端進行干擾消除的結合技術。最后通過仿真證明這種結合技術峰值吞吐量介于CRDSA和ACRDA之間，比ACRDA的峰值要低。但是在低負載(0.5以下)情況下可以實現(xiàn)比其他3種技術更低的PLR。

上文給出過同步的干擾隨機傳輸?shù)墓蚕砦恢眉夹g(SPOTiT)(8)在該文獻中的簡寫是R-SPOTiT。，其吞吐量可以高達1.7。SPOTiT很好的詮釋了編碼以及相關解碼的優(yōu)勢，同時實現(xiàn)了高吞吐量和低丟包率“兼得”的性能。如果將此技術運用到異步網(wǎng)絡中想必也會實現(xiàn)較好的性能。文獻[51]證明了這一猜想的正確性。SPOTiT利用位置共享技術而不是像ECRA中那樣采用的前導碼來獲取副本的時隙位置。這種方式可以提升CRDSA的性能的根本因素是能夠解決IC過程中存在的“死鎖”問題，雖然ACRDA屬于異步隨機接入技術，但在接收端依然使用的是SIC過程，那么肯定會以特定概率存在“死鎖”問題，而SPOTiT可以作為ACRDA的補充，如圖7所示，在出現(xiàn)“死鎖”問題之后切換到SPOTiT流程中。文獻[51]提出的異步SPOTiT正是基于此番考慮，并且給出異步SPOTiT可以用于以下兩種情況：(1)ACRDA的前導碼已經(jīng)解碼但信息部分由于強干擾而無法解碼的情形；(2)當前導碼不起作用，基于功率捕獲效應來恢復整個數(shù)據(jù)包時。

異步SPOTiT發(fā)射端和接收端的操作與同步SPOTiT是類似的，不同的是由于異步使用的是虛擬幀，虛擬幀是沒有幀編號的，因此只能使用靜態(tài)“種子”進行隨機位置產(chǎn)生。由于異步的特性，使用靜態(tài)種子產(chǎn)生每幀相同位置的概率會大大降低，這是為什么在同步SPOTiT協(xié)議中使用動態(tài)種子的原因。文獻還對ECRA和異步SPOTiT的前導碼的數(shù)量對系統(tǒng)復雜度的影響作了簡要分析，在比較了虛擬時隙數(shù)為100和200，得出異步SPOTiT在前導碼個數(shù)為63時系統(tǒng)復雜度更低些。仿真結果如圖13所示，異步SPOTiT和SPOTiT都可以實現(xiàn)1.6 bits/symbol 的吞吐量，而異步SPOTiT負載甚至可以比同步SPOTiT高0.2進行滿負載輸出，而ACRDA僅僅是1。在比較圖13(b)后，異步SPOTiT不僅是可以實現(xiàn)高吞吐量，也可以很明顯降低丟包率。相較于衛(wèi)星返回鏈路要求E-3而言，以ACRDA為代表的異步體制是完全可以滿足要求的。

圖13 異步SPOTiT、SPOTiT、ACRDA以及CRDSA性能比較，QPSK調(diào)制、Turbo 1/3碼、高斯白噪聲信道下Es/N0=10dB[51]Fig.13 Performance comparison of asynchronous SPOTiT, SPOTiT, ACRDA, and CRDSA, QPSK modulation, 1/3 Turbo code, and white Gaussian noise channel Es/N0=10dB[51]

3 總結與展望

本文回顧了近些年以CRDSA為代表的高性能衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入技術的發(fā)展情況，分別介紹了同步CRDSA以及異步CRDSA發(fā)展方向和提升性能的主要方式，并結合每種接入技術的特點深入分析了其在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的適用性。通過全文分析總結，可知如果為了適用現(xiàn)有TDMA衛(wèi)星通信體制，同步CRDSA具有更少的體系成本。然而隨著接入數(shù)目的擴大以及通信網(wǎng)絡的增加，未來同步CRDSA技術將會逐漸替換為以ACRDA為代表的異步接入技術，異步CRDSA技術將會成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入技術的最佳解決方案。

在本文介紹的這些技術中，以SPOTiT為代表的編碼CRDSA技術可以和增加副本優(yōu)化性能的方式相互補充，其吞吐量高達1.7，丟包率可以工作在E-6附近。這些方式都是通過增加接收端復雜度來實現(xiàn)高性能的，即接收端在不用解碼的情況就能夠知道所有副本的時隙位置信息，這對于利用干擾消除SIC技術的方案尤為重要。統(tǒng)觀全文，幾乎所有技術都是基于SIC技術。因此，對于基于干擾消除的接入技術，接收端正確無誤的知道一幀內(nèi)所有副本的時隙位置是提高性能的前提條件。

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)未來勢必要面臨來自于地面物聯(lián)網(wǎng)、機器通信等需要滿足大規(guī)模終端組網(wǎng)的網(wǎng)絡擴容[52]。未來我國的天基網(wǎng)絡也將會是異構的、龐大的網(wǎng)絡，如集群衛(wèi)星網(wǎng)絡[53]等。因此，海量信息的接入，勢必會導致大規(guī)模接入沖突，這就要求接入技術能夠以更少的非必要信息、更有效的頻譜效率以及更有效的能量利用率達到更高的性能。