低轨卫星物联网下NB⁃IoT时延功耗研究

【目的】在低轨(LEO)卫星物联网(IoT)场景下,广域覆盖范围内窄带物联网(NB⁃IoT)体制终端因为业务场景不同造成时延功耗需求也不相同。然而,地面NB⁃IoT体制终端业务场景单一,采用固定式工作状态定时器参数配置方法,无法满足LEO卫星IoT大尺度地理范围内多场景终端时延功耗的不同需求。【方法】针对LEO卫星IoT广覆盖特性,文章基于简化后随机接入交互流程终端工作状态切换的马尔科夫链模型,提出了以系统下行延迟和终端功耗作为非支配排序遗传算法(NS⁃GA⁃Ⅱ)的目标函数得到多场景帕累托前沿最优解集的方法,进一步从帕累托前沿中选择满足不同场景时延功耗需求的工作状态定时器参数在线配置终端。【结果】仿真结果表明,文章提出的多目标优化方法对工作状态定时器参数进行全局寻优,克服了穷举法等传统方法可能陷入局部最优的不足,并验证了简化随机接入交互流程可以有效降低终端时延功耗。【结论】文章所提多目标优化方法可以得到终端在LEO卫星IoT多场景下的工作状态定时器参数。

一种卫星物联网上行干扰分析高效计算方法

低轨卫星物联网(IoT)作为空间信息网络的重要组成部分,由于其星座规模激增,卫星平台动态性强,终端数量多,在与其他通信系统进行干扰分析及协调时,存在干扰计算复杂度较高的问题。实际中,物联网终端的分布与地理和人口高度相关,但由于单颗卫星覆盖面积大,面临多种密度和部署终端,采用静态遍历计算的方式将带来运算量爆炸。本文从同频干扰产生的机理出发,以区域化发射场强作为密集物联网终端上行集总干扰的建模核心,并引入泊松点过程(PPP)分布模型对地面终端进行等效建模,使区域化的上行集总干扰仅与分布参数及发射参数有关,而与终端确切位置、数量均无关。仿真结果表明,本文方法与传统链路分析结果相比误差较小,对不同数量终端的拟合性能均较好,并能有效降低长时分析的计算复杂度,能够用于高效干扰分析与计算。

一种基于地面和卫星物联网融合的智慧水利系统设计

水利信息化是水利高质量发展的重要途径之一,而通信设备和通信网络是智慧水利中不可缺少部分。通过智慧水利需求分析,文章提出了一种卫星和地面物联网融合的水利监测系统。水利信息通过卫星或地面网络传递到应用中心进行融合处理,然后转入相应的业务系统。文中给出了多模终端的国产化设计方案及优化的节能流程。

基于LoRa的卫星物联网系统接收机同步与非相干软解调方案

LoRa(Long Range)技术是一种改进的高阶啁啾扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)调制技术,如今已经成为了地面物联网(Internet of Things,IoT)的主流调制技术之一.不同于地面物联网,卫星IoT将会实现全球范围内的无缝覆盖,但其通信距离遥远和高速移动使得接收机通常工作在极低信噪比下并面临较大时延和多普勒频移.鉴于此,本文将LoRa技术应用到卫星IoT系统中并研究相应的接收机同步与非相干软解调方案.首先给出了卫星IoT上行链路的系统模型和数据帧结构.接着根据LoRa信号的特点,设计了一种联合时延与多普勒频移估计方案.为了进一步消除相偏和其他残留项的影响以及考虑采用基于软判决译码的编码方案,又设计了一种低复杂度的非相干软解调算法.仿真结果表明基于所提同步方案和软解调算法的turbo-LoRa系统可以在极低信噪比和较小导频开销下获得接近于理想情况的误码性能,且在BER=10-5下优于Hamming-LoRa系统3 dB.

RIS辅助卫星物联网中基于压缩感知的SCMA信号重构

卫星物联网是未来6G网络重要组成部分,在地面部署可重构智能反射面(Reconfigurable Intelligence Surface,RIS)则能进一步增强天地之间信号的传输能力;然而海量设备的接入和检测,以及RIS的引入带来的较高复杂度,给系统设计与实现带来挑战。针对卫星物联网设备和业务稀疏特性,本文提出了一种基于压缩感知的信号重构算法,旨在提高系统的接入用户数和检测成功率,同时降低检测的复杂度。首先,介绍了RIS辅助的卫星物联网系统架构,构建了天地信道模型和星上接收信号模型。然后考虑到卫星物联网地面终端的稀疏性和业务的稀疏性,结合稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)和压缩感知的信号处理方法,通过合理设计SCMA中的稀疏码字,将多用户检测转化为压缩感知理论中的信号重构。最后提出了一种演进的近似消息传播算法(Evolved Approximate Message-Passing,EAMP)来实现压缩感知中的信号重构。仿真结果表明,RIS辅助的SCMA系统与功率域的非正交多址接入技术相比可以提高系统的吞吐量性能,同时EAMP算法相比传统的SIC算法具有更高的正确检测概率和更低的算法复杂度。

低轨卫星物联网星地距离时间同步及多普勒频偏补偿技术

针对低轨卫星(LEO)围绕地球做高速运动造成的传播距离远、多普勒频移大的特点,分析多普勒频移对星地同步和通信质量造成的影响,采用基于星历信息和网络规划等态势预测手段实现多普勒频移计算和预补偿技术,对星地多普勒频移进行粗补偿,并结合物理层波形采用的直接扩频序列特点,通过延迟锁定完成频移跟踪修正,保证卫星链路的高质量可靠连接,确保卫星物联网的高效可靠安全运行。

卫星物联网混合随机接入技术

在卫星物联网(IoT)场景中,随着终端数量不断增加,频谱资源日益紧张。传统的随机接入技术频谱利用率较低,使得传统随机接入协议不适用于未来卫星IoT的高并发业务需求。同时,卫星通信链路长,开放性强,难以保证特种终端信号的安全性。对此,本文提出一种适用于卫星IoT的混合随机接入方案。该方案引入重叠传输的容量提升与安全性优势,利用扩频码对瞬时功率谱密度的控制能力,构造功率域非正交接入条件,并通过接收端的迭代分离实现稳健接收。对本文所提方案的吞吐量性能进行闭式解推导分析与计算机仿真,结果表明,与传统的随机接入协议相比,所提方案可提高系统吞吐量。同时,相较于常用信号隐藏方法,所提方法利用常规接入数据包的功率优势,强化了波形隐藏效果,提升了特种信息接入的安全性。

基于负载量预测的卫星物联网随机接入研究

在卫星物联网蓬勃发展的过程中,随机接入协议因其信令开销较小、传输效率高、灵活性高、实现容易的特点被视为最适宜的通信协议,但由于负载变化剧烈,常规随机接入方式只在特定负载范围内具有优势,动态分配随机接入资源需要获取准确的时隙接入申请量。针对以上问题,提出一种随机接入自适应方案,可以根据未来负载量大小自适应选取恰当的随机接入方式,从而提高系统吞吐量,其中,负载量大小可以通过提出的负载量估计及预测方案得到。在传输环境存在窄带干扰时,引入扩频通信手段,使得随机接入自适应方案能够成功运行,并且提出的扩频随机接入自适应方案提升了系统吞吐量。

面向卫星物联网的交织LoRa传输方案

卫星物联网的传输距离要比地面物联网远得多,导致其传输链路上存在较大的功率损耗,接收端的接收功率变得非常低。将性能优异的编码方案与大扩频因子的LoRa调制相结合,可以实现在极低信噪比下的可靠通信。然而,LoRa调制方案随着扩频因子的增大,频谱效率急剧降低。鉴于此,设计一种交织LoRa传输方案,在降低误比特率的同时确保较高的频谱效率。首先给出LoRa的非相干软解调算法,并对Turbo和LDPC编码的LoRa系统进行性能仿真。接着提出交织LoRa传输方案的软解调算法。仿真结果表明,在误比特率为10-5时,提出的Turbo编码交织LoRa传输方案相较于未编码方案性能提高了约4 dB,等价于在自由空间下的通信距离增加了55%~57%,与现有的Turbo-LoRa方案相比,频谱效率提高了约23%。

基于波束成形的低轨卫星物联网接入技术

融合地面物联网与卫星物联网,实现万物互联愿景,是未来天地融合网络发展的必然趋势。卫星物联网作为地面物联网强有力的补充,能够解决地面物联网服务范围受限的缺陷,但随着物联网规模的扩大,卫星载荷有限的难题会逐渐突出,将导致卫星难以满足日益增加的终端数目的通信需求。多输入多输出(MIMO)技术是地面5G的关键技术,也是6G卫星通信中的重要研究方向,考虑将MIMO中的波束成形技术引入低轨卫星物联网,实现空域资源的充分利用,从而达到提高系统容量的目的。针对波束成形技术的实施条件和卫星物联网的特征,讨论若干相关研究内容,包括信道模型、波束成形准则、单星负载均衡接入技术和面向干扰抑制的多星协作波束成形接入技术。

卫星物联网系统的新型多址接入技术

面向传播时延大、需要服务更大规模用户数的卫星物联网场景,首先分析IoT NTN在技术方案方面的不足,进而提出非协调的随机接入和非正交多址传输(Uncoordinated Random Access and NOMA Transmission,URAT)新型多址接入解决方案。非协调指终端从随机接入到多址传输的过程中不需要专门的网络协调信令;非正交多址传输指所有终端在接入和传输过程中共享基站的时频资源实现非正交多址传输;URAT还实现了多址接入和NOMA传输的融合。理论分析和数值仿真结果表明,所提方案能够降低多址接入时延,提高系统效率,增加可以服务的终端数量,将是面向6G卫星物联网场景的潜在解决方案。

低轨卫星物联网场景下基于吸引子选择算法的多星负载均衡算法

低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星物联网系统中由于低轨卫星的高速运动,导致卫星波束覆盖范围内节点业务模型在空间和时间两个维度呈现不均匀性和时变性。针对这一特征,提出一种空时二维卫星物联网业务模型,在空间维度采用网格划分的方法确定不同地理环境下节点密度和坐标位置,在时间维度采用贝塔分布进行建模,从而实现LEO卫星物联网业务模型空时两个维度的建模。在此基础上,针对未来LEO卫星星座多星覆盖的场景,提出一种基于吸引子模型的多星负载均衡算法,卫星侧通过负载估计算法估计各个卫星的活性度,节点侧结合接入不同卫星的俯仰角等参数采用多属性决策算法估计不同卫星对于节点的设备满意度,在LEO卫星高动态环境下使得卫星的网络活性度保持一种动态的平衡。仿真结果表明,相比于传统的基于最高优先级的接入策略,所提算法在单星业务峰均比、系统资源利用率、随机接入性能等方面有了显著的提高。

低轨卫星物联网的发展背景、业务特点和技术挑战

建立低轨卫星物联网(LEO IoT)是解决地面物联网在海洋、山区、沙漠等区域覆盖能力不足的有效手段。在分析低轨卫星物联网发展背景和发展现状的基础上,给出了低轨卫星物联网的主要应用领域和业务特点,重点研究了低轨卫星物联网面临的技术挑战和需解决的关键技术。

卫星物联网监测系统设计及应用探讨

随着物联网技术的迅猛发展和行业需求的不断深入,低速窄带物联网(NB-IoT)技术广泛应用于各行各业。基于低轨卫星通信系统的卫星物联网,可有效弥补NB-IoT依赖地面基础设施的不足,形成空天地一体化的物联网网络。本文基于地面物联网与卫星通信紧密结合的设计思路,设计了一种无人值守的卫星物联网监测系统,该系统可广泛应用于智慧海洋、应急通信、智慧物流、智慧农业等领域,具有较高的推广价值。

基于终端位置及业务优先级的卫星物联网资源分配方法

在物联网需求高速增长的背景下,不受地形限制的卫星物联网成为重要发展方向之一,但有限卫星资源难以满足日益增长的卫星终端业务需求。针对此,根据卫星物联网业务特点和低轨星座系统特点,提出基于终端位置、业务优先级的资源动态分配方法,并通过仿真分析了接入成功率与信道数量和用户数量的关系。基于研究结果,在满足接入成功率要求的前提下,系统可依据当前覆盖区域内的用户数量动态分配用于物联服务的信道数量,提高系统的资源利用效率。

地面物联网与卫星物联网间同频干扰分析

近年来物联网技术呈现良好的发展势头,在社会的各个领域得到了广泛的应用。卫星物联网作为地面物联网的重要补充和延伸,在海洋、沙漠等无法建造地面物联网基站的地区提供服务,是实现物联网"万物互联"的一种重要途径。然而,由于频谱资源受限,地面物联网和卫星物联网之间很可能需要进行频谱共享,从而使同频干扰成为一个不可忽视的问题。本文分析了地面物联网与卫星物联网在上下行链路上可能出现的干扰场景,给出了干扰分析结果,初步证明了卫星物联网的可行性。

卫星物联网场景下基于节点选择的协作波束成形技术研究

针对卫星物联网(IoT)场景下信号长距离传输衰减大以及单个终端节点传输性能受限的问题,该文提出一种基于节点选择的协作波束成形算法,增强终端节点的传输能力。在实际终端位置信息存在误差的条件下,推导出了协作波束成形平均方向图函数,分析了不同系统参数对于协作波束成形平均方向图和瞬时方向图差异的影响。在此基础上,根据卫星物联网链路传输性能需求,提出一种区域分组优化的协作节点选择算法。仿真结果表明,相比于传统的分布式协作波束成形节点选择算法,该文提出的算法在实际的误差模型中旁瓣抑制和零陷生成方面具有更好的性能。

LoRa调制在低轨卫星物联网下适应性研究

LoRa (Long Range)有着低功耗、广覆盖的优点,是目前地面物联网发展最具前景的技术之一。在分析地面物联网中LoRa性能的基础上,本文研究了LoRa在低轨卫星物联网下的性能。先仿照LEO系统(铱星)的仿真系数,得出LoRa在有高斯白噪声的莱斯信道模型下的性能,然后分析比较了LoRa体制在不同多普勒残余频差、扩频因子和发射功率下的性能,仿真结果表明,LoRa调制可满足系统的吞吐量要求。因此在本文的仿真条件下,LoRa调制可以满足低轨卫星物联网场景下的性能要求。

低轨卫星物联网数据传输流程设计

低轨卫星物联网是解决全球物联网无缝覆盖的唯一手段,但由于低轨卫星通信信道的特殊性,尤其是在低轨卫星通信过程中动态的星际链路造成不连续性等问题导致现有地面物联网协议并不能简单地应用到低轨卫星物联网中,必须要对现有地面物联网协议进行修改才能满足低轨卫星物联网的应用环境,因此,提出了基于窄带物联网的分段式低轨卫星物联网数据传输流程。该流程采用分段的方式,将终端与基站之间的数据传输与卫星数据下发信关站进入核心网的数据传输过程作为两段,在信关站中设立数据处理网关模拟终端与基站之间的信令交互,从而减少链路不连续造成的时延大的问题。仿真验证了改进后数据传输流程在低轨卫星物联网坏境下的适用性以及在吞吐量、丢包率和传输时延上的改进。

卫星物联网接入协议性能分析

物联网是第五代移动通信中重要的应用场景,但目前的地面物联网有一定的限制,在沙漠、海洋、林区等一系列人烟稀少或人类难以到达的区域难以放置物联网节点或基站。为解决这一问题,卫星物联网的概念应运而生。如何解决大量低成本终端,同时解决接入网络时的用户间碰撞和干扰问题是目前的一大挑战。因此,为卫星物联网业务设计适用的接入协议十分必要。将卫星物联网场景分为有汇聚节点的场景和无汇聚节点的场景,并针对不同场景介绍了典型随机接入协议,进行了性能仿真和比较分析,得出CRDSA协议和IRSA协议更适用于有汇聚节点的场景,纯ALOHA协议和SA协议更适用于无汇聚节点的场景的结论。