CN114867129A - 一种卫星物联网场景下混合随机接入方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星物联网场景下混合随机接入方法及装置,方法包括:发送端的终端接收同步信号,完成帧和时隙同步;根据各终端自身发送要求,确定各终端为非扩频或扩频模式,其中发送端的终端包括非扩频终端和扩频终端;对非扩频终端信号进行载波调制得到非扩频数据包,对扩频终端信号先扩频后调制得到扩频数据包;非扩频终端选择信道和时隙对调制后的非扩频数据包随机发送,扩频终端选择信道和时隙对调制后的扩频数据包随机发送。实现了两种传统随机接入方式,即非扩频随机接入和扩频随机接入方式在同一系统中的混合叠加,能够提升系统吞吐量,满足实际场景中多种终端的业务需求,适用于卫星物联网等海量终端接入的工作场景。
Description
技术领域
本发明属于卫星物联网技术领域,涉及一种卫星物联网场景下混合随机接入方法及装置。
背景技术
近年来,随着人们对消息传递需求的不断提升,信息与通信技术在不断进步,在这样的背景下,物联网这个概念引起了广泛的关注。由于物联网能够将现实的物理世界网络化、信息化,对物理世界和信息世界这两个分离的世界进行整合与通信,因此,物联网已经成为支撑智能化产业的重要组成部分,实现了智能化的环境监测、废物管理、交通控制、智能计量、识别定位和跟踪管理等众多功能,推动了各个智能产业的快速发展,为人们的生活提供了越来越多的便利。物联网已经成为了新一代信息技术的重要组成部分,它被视为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次产业革命,并且已经成为当今社会发展的重要动力之一,具有广阔的市场前景。
然而,基于地面基站的物联网服务通常会受到地理环境(如海洋、沙漠)的制约,因为这些地区的地面基站难以建设和维护,在自然灾害(如地震)来临时,地面基站也容易遭到破坏。
为了解决这个问题,学者们开始研究远程广域网在低轨卫星中的应用潜力,以此来作为地面物联网的补充。
对于卫星物联网系统而言,其业务具有一定突发性和随机性且数据量较小,而基于固定分配的多址接入技术资源分配不够灵活,会造成资源的不必要浪费,不适合应用在卫星物联网系统。相比于基于固定分配的多址接入技术,基于竞争的多址接入协议具有灵活性高、实现容易的优势,且其信令开销较小,传输效率较高,是适合应用于卫星物联网系统中的通信协议。但是在中、高负载的情况下,基于竞争的多址接入协议系统吞吐量会有明显甚至急剧的下滑。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种卫星物联网场景下混合随机接入方法,在低轨卫星物联网场景模型下,针对不同干扰情况的信道环境,采用最适宜的扩频码长度进行抗干扰处理。通过将负载量估计的预测值与上下阈值进行对比,结合所选取的扩频码长度,自适应选择合适的随机接入方式,在能抵抗信道中干扰的情况下,尽可能提升系统的吞吐量。
本发明提供了一种基于环境感知的卫星物联网场景下混合随机接入方案,包括低轨物联网建模和抗干扰分析、负载量估计及预测、随机接入自适应方案三部分。低轨物联网建模和抗干扰分析是指先建立低轨物联网场景,在此场景下分析不同扩频情况对抗干扰能力的提升;负载量估计及预测是在通信过程中,根据先验时隙状态信息,估计出当前时隙的负载量情况,并将所有估计结果进行整合,作为机器学习的历史数据,然后,使用机器学习预测未来时隙的负载量情况;随机接入自适应方案是在抗干扰分析确定是否扩频以及扩频码长度的前提下,设置好自适应方案的上下阈值,通过负载预测值自适应切换随机接入方案。本方法可以根据干扰情况以及负载量情况,自适应切换不同的随机接入方案,在干扰可以忽略的情况下,可以提升系统的吞吐量,在信干比恶化的情况下也能保证通信质量,并提升吞吐量。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
第一方面,提供一种卫星物联网场景下混合随机接入方法,包括:
发送端的各个终端接收同步信号,完成帧和时隙同步;
根据各终端自身发送要求,确定各终端为非扩频或扩频模式,其中发送端的终端包括非扩频终端和扩频终端;
对非扩频终端信号进行载波调制得到非扩频数据包,对扩频终端信号先扩频后调制得到扩频数据包;
非扩频终端选择信道和时隙对调制后的非扩频数据包随机发送,扩频终端选择信道和时隙对调制后的扩频数据包随机发送。
接收端对数据包进行接收处理。
在一些实施例中,对非扩频终端信号进行载波调制得到非扩频数据包,包括:
载波信号为A0cos(2πf0t),非扩频信息流通过编码器的调制信号为m(t),调制后的输出信号s0(t)表示为:
s0(t)=A0m(t)cos(2πf0t)
其中A0为载波幅度,f0为载波频率。
在一些实施例中,对扩频终端信号先扩频后调制得到扩频数据包,包括:
确定扩频方式:采用直接序列扩频的方式产生扩频数据包;
选择扩频码c(t):c(t)为一个高传输速率的二进制伪噪声码,取值+1或-1,码速率为Rc;
对需扩频的信号进行扩频及调制:
s(t)=Ad(t)c(t)cos(2πft)
其中A为调制信号振幅,f为载波频率。
在一些实施例中,所述扩频码c(t)采用m序列、gold序列或M序列。进一步的,所述扩频码c(t)采用m序列。
在一些实施例中,选择信道,包括:
总系统带宽为B=fM-fL,其中,fL是允许接入的最低频点,fM是允许接入的最高频点;
a)对于非扩频终端:设置非扩频子信道个数K,非扩频数据包以1/K的概率随机选择信道k,其中k=1,2,......,K,每个子信道带宽在子信道k内:非扩频数据包选择信道中心频率为f=fL+(k-1)Bk+mB0,其中,B0是非扩频信号带宽,m=1,2,…,M为非扩频信道编号,为最大的信道个数,为取下整运算;
在一些实施例中,选择时隙,包括:
a)对于非扩频终端,第q个终端在数据帧中的L个时隙内以概率1/L随机选择时隙lq,在对应时隙中发送第q个终端的数据包Sq,其中q=1,2,......,Q为终端编号,Q为非扩频终端总数,lq=1,2,......,L;
b)对于扩频终端,第h个终端在数据帧中的L个时隙内以概率1/L随机选择时隙lh,在对应时隙中发送第h个终端的数据包Sh,其中h=1,2,......,H为终端编号,H为扩频终端总数,lh=1,2,......,L。
第二方面,提供一种卫星物联网场景下混合随机接入装置,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
第三方面,提供一种存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
有益效果:本发明提供的一种基于卫星物联网场景下混合随机接入方法,与传统的随机接入技术相比,在相同频谱资源内既能发送传统数据包,又能额外传输扩频数据包。传输的扩频数据包利用扩频与解扩的功率差以支撑信号分离,从而解决传统非正交多址发送方式带来的问题。本发明实现了非扩频随机接入和扩频随机接入方式在同一系统中的混合叠加,既可改善系统的吞吐量和丢包率两个性能指标,同时两组用户资源还可分配给具有不同服务要求的两组用户,满足了实际中多种终端不同业务需求的应用场景,支撑了卫星物联网系统提供多样化的服务能力。
附图说明
图1是根据本发明一实施例提供的混合随机接入方法流程图;
图2是根据本发明一实施例方法模型示意图;
图3a是系统吞吐量图;
图3b是系统丢包率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中,若干的含义是一个以上,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
一种卫星物联网场景下混合随机接入方法,包括:
发送端的各个终端接收同步信号,完成帧和时隙同步;
根据各终端自身发送要求,确定各终端为非扩频或扩频模式,其中发送端的终端包括非扩频终端和扩频终端;
对非扩频终端信号进行载波调制得到非扩频数据包,对扩频终端信号先扩频后调制得到扩频数据包;
非扩频终端选择信道和时隙对调制后的非扩频数据包随机发送,扩频终端选择信道和时隙对调制后的扩频数据包随机发送;
接收端对数据包进行接收处理。
在一些具体实施例中,如图1所示,为一种卫星物联网场景下混合随机接入方法,包括
步骤S1,终端接收同步信号,完成帧和时隙同步;根据终端自身发送要求,选择非扩频和扩频模式;
步骤S2,对于非扩频终端信号进行载波调制;对于扩频终端信号先扩频后调制;
(2.1)对非扩频信号进行调制。
以PSK调制方式为例。载波信号为A0cos(2πf0t),非扩频信息流通过编码器的调制信号为m(t),调制后的输出信号可表示为:
s0(t)=A0m(t)cos(2πf0t)
其中A0为载波幅度,f0为载波频率。在系统支持的情况下,也可选用其他调制方式。
(2.2)确定扩频信号的扩频方式和扩频码。
a)确定扩频方式:本方法采用直接序列扩频的方式产生扩频数据包。
b)选择扩频码c(t):c(t)为一个高传输速率的二进制伪噪声码,取值+1或-1,码速率为Rc。
本方法选用的扩频码为m序列,需要说明的是常用的扩频码c(t)有m序列、gold序列、M序列等,应用中可根据实际情况灵活选择扩频码。
(2.3)对需扩频的信号进行扩频及调制。
s(t)=Ad(t)c(t)cos(2πft)
其中A为调制信号振幅,f为载波频率。在系统支持的情况下,也可选用其他调制方式。
步骤S3,两组终端选择信道和时隙发送数据包;
(3.1)选择信道;具体方法为:
总系统带宽为B=fM-fL,其中,fL是允许接入的最低频点,fM是允许接入的最高频点。
a)对于非扩频终端:
b)对于扩频终端:
(3.2)选择时隙;具体方法为:
a)对于非扩频终端,第q个终端在数据帧中的L个时隙内以概率1/L随机选择时隙lq,在对应时隙中发送第q个终端的数据包Sq,其中q=1,2,......,Q为终端编号,Q为非扩频终端总数,lq=1,2,......,L;
b)对于扩频终端,第h个终端在数据帧中的L个时隙内以概率1/L随机选择时隙lh,在对应时隙中发送第h个终端的数据包Sh,其中h=1,2,......,H为终端编号,H为扩频终端总数,lh=1,2,......,L。
步骤S4,接收端对数据包进行接收。
下面提供一个实施例,对本发明提供的接入方法进行进一步验证。
实验场景:
场景设置了500个非扩频终端,100个扩频终端,选用每个终端可发送一个数据包,50个子信道,100个时隙。通过直接序列扩频方式,使用m序列作为扩频码,扩频增益为10dB。每个终端随机选择时隙发送数据包。
图3a是吞吐量的示意图,图3b是丢包率的示意图。从仿真结果中可以看出,混合随机接入方案与传统的随机接入技术相比,吞吐量和丢包率效果都有一定提升。
实施例2
本实施例还提供了一种卫星物联网场景下混合随机接入装置,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1所述方法的步骤。
实施例3
本实施例提供了一种存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种卫星物联网场景下混合随机接入方法,其特征在于,包括:
发送端的各个终端接收同步信号,完成帧和时隙同步;
根据各终端自身发送要求,确定各终端为非扩频或扩频模式,其中发送端的终端包括非扩频终端和扩频终端;
对非扩频终端信号进行载波调制得到非扩频数据包,对扩频终端信号先扩频后调制得到扩频数据包;
非扩频终端选择信道和时隙对调制后的非扩频数据包随机发送,扩频终端选择信道和时隙对调制后的扩频数据包随机发送。
2.根据权利要求1所述的卫星物联网场景下混合随机接入方法,其特征在于,对非扩频终端信号进行载波调制得到非扩频数据包,包括:
载波信号为A0cos(2πf0t),非扩频信息流通过编码器的调制信号为m(t),调制后的输出信号s0(t)表示为:
s0(t)=A0m(t)cos(2πf0t)
其中A0为载波幅度,f0为载波频率。
3.根据权利要求1所述的卫星物联网场景下混合随机接入方法,其特征在于,对扩频终端信号先扩频后调制得到扩频数据包,包括:
确定扩频方式:采用直接序列扩频的方式产生扩频数据包;
选择扩频码c(t):c(t)为一个高传输速率的二进制伪噪声码,取值+1或-1,码速率为Rc;
s(t)=Ad(t)c(t)cos(2πft)
其中A为调制信号振幅,f为载波频率。
4.根据权利要求3所述的卫星物联网场景下混合随机接入方法,其特征在于,所述扩频码c(t)采用m序列、gold序列或M序列。
5.根据权利要求3所述的卫星物联网场景下混合随机接入方法,其特征在于,所述扩频码c(t)采用m序列。
6.根据权利要求1所述的卫星物联网场景下混合随机接入方法,其特征在于,选择信道,包括:
总系统带宽为B=fM-fL,其中,fL是允许接入的最低频点,fM是允许接入的最高频点;
a)对于非扩频终端:设置非扩频子信道个数K,非扩频数据包以1/K的概率随机选择信道k,其中k=1,2,......,K,每个子信道带宽在子信道k内:非扩频数据包选择信道中心频率为f=fL+(k-1)Bk+mB0,其中,B0是非扩频信号带宽,m=1,2,…,M为非扩频信道编号,为最大的信道个数,为取下整运算;
7.根据权利要求1所述的卫星物联网场景下混合随机接入方法,其特征在于,选择时隙,包括:
a)对于非扩频终端,第q个终端在数据帧中的L个时隙内以概率1/L随机选择时隙lq,在对应时隙中发送第q个终端的数据包Sq,其中q=1,2,......,Q为终端编号,Q为非扩频终端总数,lq=1,2,......,L;
b)对于扩频终端,第h个终端在数据帧中的L个时隙内以概率1/L随机选择时隙lh,在对应时隙中发送第h个终端的数据包Sh,其中h=1,2,......,H为终端编号,H为扩频终端总数,lh=1,2,......,L。
8.一种卫星物联网场景下混合随机接入装置,其特征在于,包括处理器及存储介质;
所述存储介质用于存储指令;
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
9.一种存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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CN202210486212.XA CN114867129A (zh) | 2022-05-06 | 2022-05-06 | 一种卫星物联网场景下混合随机接入方法及装置 |
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Cited By (2)
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CN116405358A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-07-07 | 北京和德宇航技术有限公司 | 数据调制、数据传输方法、装置、设备及存储介质 |
CN117914392A (zh) * | 2024-03-20 | 2024-04-19 | 南京邮电大学 | 一种混合多址通信的接收方法 |
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2022
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CN116405358B (zh) * | 2023-04-26 | 2023-12-26 | 北京和德宇航技术有限公司 | 数据调制、数据传输方法、装置、设备及存储介质 |
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