基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法技术

本发明专利技术属于卫星通信技术领域，公开了基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法，将CDMA的多包接收技术用于卫星接收端的数据收集方法中，增加每个时隙中成功检测数据包的能力，将时隙划分为广播时隙和接入时隙，广播时隙给传感器分组预分配可接入的时隙，接入时隙允许被指定的传感器分组在该时隙发送数据，若接收机在接入时隙检测到冲突时，传感器分组的可接入时隙资源将扩大两倍，直到所有分组成功发送数据。本发明专利技术可有效解决大容量设备同时接入时引起的碰撞率增加，时延过长等问题，尤其适用于大容量接入场景下对延时敏感的业务类型。

【技术实现步骤摘要】
基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法
本专利技术属于卫星通信
，尤其涉及一种基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：物联网的出现是现代高新技术发展的必然结果，其各种各样的应用(如管道监测、地震监测、远航飞机定位、动物栖息地监测等各种领域)逐渐改变了人们的生活行为方式。为了能够使设备在人类最少干预或没有干预的情况下随时随地的自动通信，迫切的需要一种有效的数据收集方式，及时的收集并回传分布在各种区域的监测数据，以供监测中心进行信息快速分析处理，实现对现场的实时监控。然而上述的应用区域大多分布在沙漠、山区、海洋等人烟稀少、地形复杂的特定区域或特殊区域，在这些区域高密度的铺设地面网络显然是不现实的，并且这些区域大多处于自然灾害多发区，地面基础设施易损易毁，一旦瘫痪，地面应急网络搭建不及时，就会造成该区域的物联网应用对象与监控中心“失联”，不能及时与监控中心通信，这对于灾害应急监测应用是“致命”的缺点。将卫星通信业务拓展到物联网，发挥其覆盖区域广、全天候、不受自然灾害影响、组网灵活等优势，可对上述应用区域中的传感器网络提供高密度、全覆盖的海量节点接入，实时数据采集和回传服务，弥补了地面信息网络的物联网缺陷，大大地提高了地面监测与管理、导航定位和应急救援等重大应用系统的智能化水平，拓展了人类生产活动的空间。物联网节点只有先接入卫星基站才能实现数据通信，然而当海量物联网节点同时接入网络时，容易发生碰撞率增加，成功率降低，时延过长等问题，致使业务的服务质量不能保证。因此，能够有效的使设备接入网络，并能降低时延将是卫星物联网应用尤其时延敏感型业务不可避免的问题。与此同时，卫星通信的发展也为物联网业务的引入提供了基础。传统的卫星接入机制在解决上述问题时大致分为固定分配类和随机竞争类两种。固定分配类最常见的是TDMA，这种接入方式是将每帧划分为互不重叠的时隙，不同的用户占用不同的时隙发送数据，因此，相互间不会干扰。但这种多址接入方式适用于信道负荷小及数据连续发送的情况，当用户接入量过大时，必然引起接入周期过长，不适用于延时敏感的业务类型，或当用户随机产生数据流量时，必然造成信道资源的浪费。随机竞争类，如ALOHA，只要用户有数据发送，就立即让其发送，这样很可能会产生冲突从而造成发送失败，尤其大容量接入情况下，设备同时接入的可能性大大增加，会使接入性能急剧恶化，为了避免碰撞，则需要保证本分组开始发送的相邻的两个t秒的时间间隔内没有其他的消息到达，t是一个分组的最小传输时间，即采用时隙ALOHA，该机制是一种降低碰撞的有效措施，且吞吐量比ALOHA提高了一倍。然而由于接入终端数目巨大，且其生成数据具有随机性，必然导致冲突概率增加，吞吐量性能下降，且其不断的重传将导致吞吐量性能继续恶化。上述的两种接入方式均不适用于大容量敏感型业务类型，日本的YuichiKawamoto等人以GEO卫星为路由，面向时延敏感型业务类型(如地震监测)做了大量研究工作。其在发表的论文“AcentralizedmultipleaccessschemefordatagatheringinSatellite-RoutedSensorSystem(SRSS)”(2013IEEEGlobalCommunicationsConference(GLOBECOM),Pages:2998-3002,2013)中提出了一种新的有效的数据收集方式，即固定时隙分配与按需分配相结合的方式。该方式将卫星一个波束范围内的所有传感器提前分为组，卫星向每一组发送广播消息，询问是否有传感器要发送数据，每一组中有数据要发送的传感器设备必须返回应答消息，卫星根据每一组中收到的应答消息将分组分为3类，即没有数据发送的分组，只有一个设备发送数据的分组和有多个设备发送数据的分组，此阶段称为搜索阶段。确定分类情况后进入分配阶段，即给只有一个设备发送数据的每组分配一个TDMA时隙，给有多个设备发送数据的分组中的所有传感器都分配时隙。在给出的总时延指标中，文献证明了存在最优分组数可以最小化时延。在该论文的基础上，其在发表的论文“Adivideandconquerapproachforefficientbandwidthallocationinnextgenerationsatellite-routedsensorsystem(SRSS)”(20139thInternationalWirelessCommunicationsandMobileComputingConference(IWCMC),Pages:741-745,2013)中又提出了“分而治之”的算法，但是一种比较简单的应用情况，即假设只有两个传感器同时发送数据。卫星向所有传感器广播消息，若收到多于两个的数据信号，则将所有传感器二分为两组，重复搜索阶段，二分一定次数后开始分配阶段，同样，存在最优的二分次数可以最小化总时延。其在论文“EffectiveDataCollectionViaSatellite-RoutedSensorSystem(SRSS)toRealizeGlobal-ScaledInternetofThings”(IEEESensorsJournal,Pages:3645-3654,2013)中又做了改进，即针对大容量下且有多个设备同时发送数据的情况，依然采用“分而治之”算法，对不能确定是哪一个设备发送数据的分组不断二分，这种算法相较于TDMA不但节约了时隙资源，还大大降低了接入总时延，然而这种算法仍有局限性，算法中考虑的设备总数为1000，这远远小于物联网节点个数(一般大于10000)，并且该算法在应用于节点数大于10000的情况性能较差。综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术中存在的大容量设备同时接入时引起的碰撞率增加，时延过长。解决上述技术问题的难度和意义：物联网应用业务的突出特点就是传感器设备数目海量(一般在10K以上)，海量传感器设备会产生海量的数据信息，其数据业务是小数据包、高频次的一种实时在线业务，这是与现有接入环境区别最大的地方，同时也是卫星物联网面临的最大的挑战。现有的接入机制无论是固定分配还是随机竞争接入都比较适用于负载比较轻的应用场景，对于过载情况，不但难以发挥MAC协议的优势，相反，由于同时接入用户数过多，轻则将导致数据包时延增加、吞吐量下降，重则产生信令风暴，导致网络瘫痪。此外，星地往返传播时延不容忽视，尤其面向同步轨道卫星的应用，往返时延长达500ms，现有卫星随机接入技术的缺陷引起的碰撞率增加导致用户不断的重传，引入了不必要的星地传播时延，使接入时延难以忍受，然而这对于一些监测类应用如地震监测、火灾监测、航空飞机的监测应用的影响是致命的。这类应用需要及时的获取现场信息以供技术人员及时作出判断，挽救生命财产损失。2014年3月8日马航MH370飞机的失联，就留给了我们一个惨痛的教训。因此，面向大容量物联网随机接入场景，必须提出一种新的接入算法，降低数据包碰撞概率和用户时延。本专利技术充分利用卫星CDMA的多包接收技术扩大每个时隙中成功检测数据包的能力，将时隙划分为广播时隙和接入时隙，广播时隙给传感器分组预分配可接入的时隙，降低了不必要的星地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法，其特征在于，所述基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法将CDMA的多包接收技术用于卫星接收端的数据收集方法中，增加每个时隙中成功检测数据包的能力，将时隙划分为广播时隙和接入时隙，广播时隙给传感器分组预分配可接入的时隙，接入时隙允许被指定的传感器分组在该时隙发送数据，若接收机在接入时隙检测到冲突时，传感器分组的可接入时隙资源将扩大两倍，直到所有分组成功发送数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法，其特征在于，所述基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法将CDMA的多包接收技术用于卫星接收端的数据收集方法中，增加每个时隙中成功检测数据包的能力，将时隙划分为广播时隙和接入时隙，广播时隙给传感器分组预分配可接入的时隙，接入时隙允许被指定的传感器分组在该时隙发送数据，若接收机在接入时隙检测到冲突时，传感器分组的可接入时隙资源将扩大两倍，直到所有分组成功发送数据。2.如权利要求1所述的基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法，其特征在于，所述基于CDMA多包接收的数据收集方法包括以下步骤：步骤一，初始化，卫星接收端将所有传感器初始化为Gr组，将开始时隙初始化为Si＝1，将总占用时隙初始化为Send＝Gr，卫星接收机多包接收能力为R，在si时隙发送的数据包个数为ntx，接收的数据包个数为nrx；步骤二，卫星接收端开始收集数据，如果时隙Si≤Send时，执行步骤三，否则执行步骤九；步骤三，时隙Si≤2Gr，执行步骤四，否则执行步骤七；步骤四，时隙si为广播时隙，那么执行步骤五，否则执行步骤六；步骤五，Si＝Send+1为本组的接入时隙，更新Send＝Send+1；步骤六，时隙si为接入时隙，设Si＝Send+1为本组的广播时隙，更新Send＝Send+1，否则说明该时隙对应的分组成功发送数据包；i++，执行步骤二；步骤七，时隙si为广播时隙，那么执行步骤八，否则执行步骤六；步骤八，Si＝Send+1为本组的可接入时隙1，Si＝Send+2为本组的可接入时隙2，更新Send＝Send+2；步骤九，数据收集过程结束。3.如权利要求2所述的基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法，其特征在于，所述步骤一中的CDMA多包接收能力在MAC层当一个时隙中同时发送的数据包的个数小于R时，卫星接收端能成功接收，否则全部接收失败，多包接收模型为：其中和分别表示si时隙发送的和接收的数据包个数，R是物理层参数，表示接收机的最大解调能力，当个数据包同时发送时，第i个数据包收到的信干噪比为：其中Pj是第j个数据包的接收功率，σ2为高斯噪声，L为扩频增益，由于接收机采用了功率控制：P1＝P2＝...＝Pn:＝P；任一数据包收到的信干噪比为：接收机成功解调的阈值为γth，则信干噪比需满足：R为可同时传输的数据包最大值：其中，γu:＝P/σ2是每个数据包的信噪比。4.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：任光亮，冯亚丽，张会宁，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61