CN112188556A - 基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法与系统 - Google Patents

基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法与系统 Download PDF

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张博
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Abstract

本发明提供了一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，稀疏码分多址简写为SCMA，在经过地面终端的SCMA编码器的SCMA编码处理之后，传输过程开始，卫星端收到来自多个（两个或两个以上）地面终端的数据包，这些数据包在卫星端以混合数据包的形式存在，随后，卫星将接收到的混合数据包转发到地面的卫星接收器进行解码，成功解码的数据包被送往服务器。本发明还提供了一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强系统。本发明的有益效果是：提升了卫星网络的随机接入能力，对提升系统吞吐量、避免终端因随机接入失败而频繁重传数据包起到重要作用。

Description

基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法与系统
技术领域
本发明涉及卫星物联网随机接入增强方法，尤其涉及一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法与系统。
背景技术
1、CRDSA随机接入技术
在卫星物联网中，由于卫星通信系统本身的时延较大，地面终端接入卫星时需要采取免调度的随机接入方案。相比传统的aloha随机接入技术，争用解决的分集时隙aloha(Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA)技术具有更高的吞吐量性能。随着CRDSA技术的不断优化，其支撑多用户竞争同一信道、并发传输的优良表现使得卫星物联网支持大量数据进行随机接入成为现实。CRDSA技术主要包括多副本传输和迭代干扰消除两个方面。
1)多副本传输
多副本传输的主要思想是终端发送数据包前生成一个具有相同负载信息的数据包，然后在传输帧中随机选择两个时隙分别发送这两个数据包。要求在这两个数据包的头部加上指针信息，用于这两个副本找到对方的时隙位置。
2)迭代干扰消除
迭代干扰消除的主要思想是利用已经恢复出来的数据包消除其副本对其它数据包造成的干扰，在随机接入完成之后随机接入帧的数据会被存储并送往解调器，解调器并行搜索随机接入帧的每个时隙进行译码。当任一数据包被成功解码时，可以从数据包的头部获取其副本所在时隙位置的信息，从而消去此数据包副本对其它数据包造成的干扰，由于干扰消除，会有新的无干扰数据包被恢复出来，至此，干扰消除的一次迭代过程完成。通过不断迭代以上的干扰消除过程，完整的数据包可以被不断地恢复出来。
2、稀疏码分多址技术
随着5G技术的发展以及对支持大规模终端接入的需求，非正交接入技术被提出。目前应用最广泛之一的非正交接入技术是由华为公司提出的稀疏码分多址(Sparse CodeMultiple Access，SCMA)技术。SCMA是一种低密度签名的CDMA(LDS-CDMA)，它将QAM映射和CDMA扩频相结合，通过SCMA的编码器可以将二进制的比特数据按照设计好的码本规则映射为复数域的码字。终端的比特流数据经过SCMA编码器后进行物理资源映射并发送，在接收端，接收到的信号为多终端数据包的叠加信号，在经过物理资源解映射之后通过SCMA解码器可以恢复出来终端的数据包。
3、已有技术的缺陷
针对卫星物联网的多用户随机竞争接入问题，在利用CRDSA的随机接入系统中，吞吐量性能与数据包冲突情况呈负相关的关系，若数据包冲突严重则会造成吞吐量性能急剧下降，因此CRDSA的使用受限于特定负载下的传输场景。现有成熟的CRDSA增强技术一般仅仅适用于中低负载下的随机接入场景，在这些场景下，随机接入帧的数据包冲突情况比较缓和。对于数据量庞大的卫星物联网来说，经常会出现高负载下的随机竞争接入，此时数据包的冲突较为严重，因此，将现有的CRDSA技术应用于卫星物联网的随机接入中往往会表现出明显的缺点。
CRDSA本质上是一种MAC层数据包处理技术，理论上最高可达吞吐量为1packet/slot，即每个时隙中可以正确接收一个数据包。从CRDSA是技术实现上来说，理论最高吞吐量比较难以达到，此外，这样的吞吐量性能也难以满足卫星物联网中的大量终端接入需求。现有的一些CRDSA增强技术采用了按需分配(Demand Assigned Multiple Access，DAMA)和CRDSA结合的方式，以增加额外调度开销的方式对随机接入进行了增强。然而在卫星网络中具有信道资源宝贵、传输时延较大等固有特点，采用DAMA的方式在一定程度上会影响到其他业务的传输，所以采用了DAMA方案的随机接入增强方式会使调度开销过大。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法与系统,根据卫星网络随机接入的特点结合CRDSA中的多副本传输、迭代干扰消除和SCMA技术中的编码方案，提出利用了SCMA的CRDSA增强算法对随机接入过程进行处理，从而免去调度过程并提高系统的吞吐量。
本发明提供了一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，稀疏码分多址简写为SCMA，在经过地面终端的SCMA编码器的SCMA编码处理之后，传输过程开始，卫星端收到来自多个(两个或两个以上)地面终端的数据包，这些数据包在卫星端以混合数据包的形式存在，随后，卫星将接收到的混合数据包转发到地面的卫星接收器进行解码，成功解码的数据包被送往服务器。
作为本发明的进一步改进，所述方法包括：
S1、数据包预处理；
步骤S1包括以下子步骤：
S11、数据包副本生成；
S12、编码处理；
S13、解码处理；
S2、数据包恢复。
作为本发明的进一步改进，在步骤S11中，当用户有数据包产生之后，将该数据包缓存起来并生成一个具有相同负载信息的数据包，然后生成时隙位置信息添加在两个数据包的包头用于互相指向位置。
作为本发明的进一步改进，在步骤S12中，首先，对数据包的比特信息进行信道编码保证信道的可靠性，然后再进行SCMA编码，在SCMA编码过程中，每个用户具有相应的专用码本，每个码本对应着不同的资源映射方式，因此用户的比特数据流根据码本被映射为特定的码字，随后映射到码本对应的物理资源上。
作为本发明的进一步改进，在步骤S13中，经过映射后，多个地面终端的码字在接收端进行叠加得到最终的混合码字，在接收端的混合数据包是以叠加码字的形式存在的。
作为本发明的进一步改进，争用解决的分集时隙aloha简写为CRDSA，在步骤S2中，利用SCMA增强CRDSA的SCMA-CRDSA方法来恢复数据包。
作为本发明的进一步改进，循环冗余校验简写为CRC校验，连续干扰消除简写为SIC干扰消除，消息传递算法简写为MPA，利用SCMA增强CRDSA的SCMA-CRDSA方法包括：在接收到一帧数据后，对每个时隙并行展开MPA算法，获得的数据进行CRC校验，校验完全无误的数据被恢复为完整的数据包，将完整的数据包用于CRDSA的SIC干扰消除，经过SIC干扰消除后恢复出更多的数据包,多次(两次或两次以上)重复上述MPA并行检测、CRC校验、SIC干扰消除实现数据包恢复。
作为本发明的进一步改进，连续干扰消除简写为SIC干扰消除，消息传递算法简写为MPA，步骤S2包括以下子步骤：
S21、MPA并行检测；
S22、SIC干扰消除；
多次(两次或两次以上)重复步骤S1、S2实现数据包恢复。
本发明还提供了一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强系统，包括地面终端、卫星端、卫星接收器和服务器，所述地面终端包括SCMA编码器，所述SCMA编码器的输出端与所述卫星端的输入端连接，所述卫星端的输出端与所述卫星接收器连接，所述卫星接收器的输出端与所述服务器连接，所述系统用于实现如上述中任一项所述的方法。
作为本发明的进一步改进，一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如上述中任一项所述的方法。
本发明的有益效果是：通过上述方案，提升了卫星网络的随机接入能力，对提升系统吞吐量、避免终端因随机接入失败而频繁重传数据包起到重要作用。
附图说明
图1是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强系统的传输示意图。
图2是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法的数据包预处理流程图。
图3是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法的SCMA码本映射及码字叠加示意图。
图4是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法的CRDSA的TDMA帧结构示意图。
图5是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法的结合SCMA的CRDSA帧结构示意图。
图6是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法的吞吐量丢包率对比图。
图7是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法的场景1下不同迭代次数SCMA-CRDSA算法的吞吐量性能对比图。
图8是本发明一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法的场景1、2、3下不同码本数量的SCMA-CRDSA算法吞吐量性能与传统的CRDSA增强方案对比图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强系统，当地面终端1有数据包需要发送的时候会在开始传输开始前进行数据包的预处理操作，这个预处理的过程主要的部分就是通过SCMA编码器11进行SCMA编码，另一部分是副本数据包的产生。在经过SCMA编码处理之后，传输过程开始。卫星端2会收到来自多个地面终端1的数据包，这些数据包在卫星端2以混合数据包的形式存在，由于卫星物联网中数据量大，在卫星端2进行解码处理会引起卫星能量过多的损耗，因此让卫星端2承担转发处理的操作。随后，卫星端2将接收到的混合数据包转发到地面的卫星接收器3进行解码，成功解码的数据包会被送往服务器4。
一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，主要包括两部分：1.数据包预处理；2.CRDSA增强算法。
本发明针对卫星网络的特性提出了利用了SCMA的CRDSA增强算法来提高随机接入系统的吞吐量性能，具体过程如下：
1.数据包预处理
数据包的预处理包括数据包副本生成和SCMA编码两部分。
1).数据包副本生成
在用户有数据包产生之后会缓存起来并生成一个具有相同负载信息的数据包，然后生成时隙位置信息添加在两个数据包的包头用于互相指向位置。
2)编码处理
首先，对数据包的比特信息进行信道编码保证信道的可靠性，然后再进行SCMA编码。在SCMA编码过程中，每个用户具有相应的专用码本，每个码本对应着不同的资源映射方式，因此用户的比特数据流会根据码本被映射为特定的码字，随后映射到码本对应的物理资源上。
以一个数据为例，数据包u的比特数据Bu按照每log2(M)比特为单位映射成一个码字，M为数据映射时码本中包含码字的个数。对于比特长度为log2(M)·L的数据包，由比特流到码字的映射结果为：
Figure BDA0002677411100000081
其中Bu中的每一个元素
Figure BDA0002677411100000082
为一段长为log2(M)的比特数据。Xu为比特流映射后的结果，Xu中的每一个元素xi代表一个码字。Xu加上前导码ppre后的发送信号su为：
su＝[ppre,x1,x2...,xL] (2)
前导码用作信道估计和用户检测。
3)解码处理
实质上经过映射后，多个终端的码字在接收端会进行叠加得到最终的混合码字，在接收端的混合数据包是以叠加码字的形式存在的。
此，在接收端的接收到的某一帧数据的数学模型为：
y＝[y1,...,yt,...,yl] (3)
其中yt为时隙t中接收到的叠加信号，l为一帧中的时隙数量：
Figure BDA0002677411100000091
Ut代表一帧的总终端数量,hj,n为第j个终端第n个符号对应的信道系数，nj,n为相应的高斯白噪声，xj,1为第j个终端的第i个码字，获得yt后可以利用消息传递算法(MessagePassing Algorithm，MPA)恢复出来各个码字。
2.CRDSA增强算法描述
在图4的CRDSA传输帧结构中，无冲突数据包为PK6和PK7，因此数据包恢复过程从PK6和PK7开始，经过干扰消除之后发现没有新的数据包被恢复出来，因此就形成了PK1和PK2间的死锁、PK5和PK4之间的死锁。死锁的产生是造成CRDSA性能下降的最大原因，正如图4中表现的，只有数据包PK6和PK7能被恢复。
图5中，采用了与图4相同的数据包冲突模型，但是不同的是每个数据包都随机选择了一个码本进行编码。数据包PK6-C1中的C1代表码本1，图5出现了码本冲突的情况，但是码本冲突是有可能被解决的：在第一个时隙中的PK6、PK1、PK2只有PK1和PK6的码本出现了冲突，而PK6的一个数据包是可以被单独恢复的，经过干扰消除之后时隙1中与PK1码本冲突的数据包PK6就不存在了，由于剩下的数据包间不存在码本冲突问题，它们都可以被恢复出来，恢复过程为PK6→PK1、PK2。另外由于PK5和PK4采用了不同的码本，它们同样可以被恢复出来，最后所有的数据包都可以被恢复。使用了SCMA的CRDSA方案中，PK5和PK4可以实现自动解除死锁，PK1、PK2、PK6可以在一次干扰消除之后解除死锁，因此，我们使用SCMA之后可以有效地解决CRDSA中产生的死锁。
基于以上数据包恢复过程，本专利提出一种利用SCMA增强CRDSA的SCMA-CRDSA算法。这里，在接收到一帧数据后对每个时隙并行展开MPA算法，获得的数据需要通过CRC校验，校验完全无误的数据可以被恢复为完整的数据包，将完整的数据包用于CRDSA的SIC操作，经过SIC后可以恢复出更多的数据包。算法的伪代码描述如表1所示：
表1 SCMA-CRDSA算法
Figure BDA0002677411100000101
Figure BDA0002677411100000111
在一次MPA并行检测之后进行SIC干扰消除可以初步恢复出来一部分数据包，随后，某些时隙的码本冲突可能会被消除，因此再次展开MPA算法会继续恢复出数据包，随后这些数据包用于SIC的干扰消除后也能够恢复出一些数据。即通过多次重复MPA检测→SIC干扰消除这一过程实现数据包恢复。
3.性能分析
3.1仿真参数设置
在本专利中，我们对用户吞吐量进行性能比较。我们设置了三个场景用来验证提出的算法对CRDSA性能的提升、不同码本和不同迭代次数下SCMA-CRDSA算法的性能表现。具体参数见表2。
表2传输系统参数表
Figure BDA0002677411100000121
3.2性能比较
首先，在场景1中，SCMA-CRDSA算法迭代次数为1的条件下，将提出的SCMA-CRDSA算法性能与传统的CRDSA算法性能进行比较，可以看出在同等条件下系统的吞吐量和丢包率都有明显的改善，如图6所示。
通过图6我们可以看出基于SCMA的CRDSA方案最优吞吐量相较于传统的CRDSA有接近一倍的性能提升，并且吞吐量下降的归一化负载临界点有所提升。在超过负载临界点后，基于SCMA的CRDSA方案在很大的负载范围内仍然能够保证吞吐量性能超过传统CRDSA吞吐量的最大值。随着吞吐量的性能的提升，基于SCMA的CRDSA方案在丢包率性能方面也有很大的提升。
图7展示了本专利提出的算法在经过一定次数的迭代之后可以进一步的提升系统的吞吐量性能，可以看出随着迭代次数增加吞吐量性能也随着增加，但是当迭代次数达到一定数值后吞吐量性能就很难再提升了，迭代次数5至6次为最优。
图8展示了提升了码本数量的SCMA-CRDSA算法有更优越的吞吐量性能，一般选取6个码本即可满足传输需求，随着系统负载的增加可以增加码本数量的使用。
由于地面终端需要以随机接入的方式接入卫星网络，而卫星网络存在高延迟、信道资源稀缺等的固有缺点，提升卫星网络的随机接入能力对提升系统吞吐量、避免终端因随机接入失败而频繁重传数据包起到重要作用。因此本发明提供了一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法与系统，利用了SCMA的思想设计了一种基于SCMA的CRDSA增强算法，提升了CRDSA的吞吐量性能和丢包率性能，使得卫星网络能够更好地支撑卫星物联网中不断增长的终端接入需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于：稀疏码分多址简写为SCMA，在经过地面终端的SCMA编码器的SCMA编码处理之后，传输过程开始，卫星端收到来自多个地面终端的数据包，这些数据包在卫星端以混合数据包的形式存在，随后，卫星将接收到的混合数据包转发到地面的卫星接收器进行解码，成功解码的数据包被送往服务器。
2.根据权利要求1所述的基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、数据包预处理；
步骤S1包括以下子步骤：
S11、数据包副本生成；
S12、编码处理；
S13、解码处理；
S2、数据包恢复。
3.根据权利要求2所述的基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于：在步骤S11中，当用户有数据包产生之后，将该数据包缓存起来并生成一个具有相同负载信息的数据包，然后生成时隙位置信息添加在两个数据包的包头用于互相指向位置。
4.根据权利要求2所述的基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于：在步骤S12中，首先，对数据包的比特信息进行信道编码保证信道的可靠性，然后再进行SCMA编码，在SCMA编码过程中，每个用户具有相应的专用码本，每个码本对应着不同的资源映射方式，因此用户的比特数据流根据码本被映射为特定的码字，随后映射到码本对应的物理资源上。
5.根据权利要求2所述的基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于：在步骤S13中，经过映射后，多个地面终端的码字在接收端进行叠加得到最终的混合码字，在接收端的混合数据包是以叠加码字的形式存在的。
6.根据权利要求2所述的基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于：争用解决的分集时隙aloha简写为CRDSA，在步骤S2中，利用SCMA增强CRDSA的SCMA-CRDSA方法来恢复数据包。
7.根据权利要求6所述的基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于：循环冗余校验简写为CRC校验，连续干扰消除简写为SIC干扰消除，消息传递算法简写为MPA，利用SCMA增强CRDSA的SCMA-CRDSA方法包括：在接收到一帧数据后，对每个时隙并行展开MPA算法，获得的数据进行CRC校验，校验完全无误的数据被恢复为完整的数据包，将完整的数据包用于CRDSA的SIC干扰消除，经过SIC干扰消除后恢复出更多的数据包,多次重复上述MPA并行检测、CRC校验、SIC干扰消除实现数据包恢复。
8.根据权利要求1所述的基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强方法，其特征在于：连续干扰消除简写为SIC干扰消除，消息传递算法简写为MPA，步骤S2包括以下子步骤：
S21、MPA并行检测；
S22、SIC干扰消除；
多次重复步骤S1、S2实现数据包恢复。
9.一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强系统，其特征在于：包括地面终端、卫星端、卫星接收器和服务器，所述地面终端包括SCMA编码器，所述SCMA编码器的输出端与所述卫星端的输入端连接，所述卫星端的输出端与所述卫星接收器连接，所述卫星接收器的输出端与所述服务器连接，所述系统用于实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.一种基于稀疏码分多址的卫星物联网随机接入增强系统，其特征在于：包括可读存储介质，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。
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