一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议制造技术

本发明专利技术通过研究分析现有的基于争用解决的分集时隙ALOHA多址接入协议（CRDSA），揭示了一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，包括：分析CRDSA多址接入协议及其吞吐量；增加发送数据分组的次数以推导得出CRDSA++协议的吞吐量和丢包率的公式；对所述公式进行理论分析和仿真，做正确性验证；基于仿真，总结得出吞吐量和丢包率性能较好CRDSA++协议的发送副本数为3；在CRDSA3协议基础上，加入数据包发送概率。本发明专利技术针对低轨卫星物联网的工作特点提出改进的多址接入方法，推导出了副本数为r的CRDSA++协议的吞吐量及丢包率计算公式，通过理论分析和仿真便于做出最佳的副本数选择，解决了低轨卫星物联网大量终端接入的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议
本专利技术是一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，属于卫星通信领域。主要涉及一种面向物联网海量连接的高效可靠的多址接入协议。
技术介绍
伴随着物联网的兴起，提供物联网接入能力的设备类型以及数目正发生着剧烈的变化。但由于地面物联网主要覆盖业务相对密集的城市、郊区等地区，覆盖范围十分有限，在一些诸如沙漠、森林、山区、海洋等特殊环境，地面物联网无法完全覆盖，这限制了物联网的应用和发展。因此，仅靠地面通信网不能满足社会发展的需求，需要将卫星通信网与地面通信网相互结合，才能真正实现全球覆盖。相对于传统的高轨卫星和中轨卫星来说，低轨卫星系统提供了更短的传输时延以及更小的路径损耗，具有覆盖范围广、通信容量大、顽存性高、便于实现终端小型化、卫星发射灵活等突出特点。因此，在未来信息网络中，将低轨卫星与物联网结合起来可以有力地弥补地面通信网的不足，解决全球覆盖问题，从而大大扩展物联网的应用范围。然而，面对海量的传感器终端，卫星需要从传感器终端收集数据，并将数据发送到地面信关站，然后再把这些传感器数据送到云平台及应用服务。在这个过程中，卫星的多次访问和传感器的随机发送数据，导致数据冲突并增加延迟。这些都给低轨卫星物联网多址接入方案的设计带来了更严苛的要求：未来的多址接入方案不仅需要给海量接入的终端提供更高的传输速率，而且需要具备高度的自适应性可以灵活适配低轨卫星网络拓扑的动态变化。这些新的特点和需求将深刻影响未来多址接入方案的设计。这个问题由于巨大的挑战和迫切的需求，近来在学术界和工业界引起了广泛的关注。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，解决低轨卫星面向海量终端进行数据冲突并增加延迟的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，包括：步骤1：分析CRDSA多址接入协议及其吞吐量；步骤2：增加发送数据分组的次数以推导得出CRDSA++协议的吞吐量和丢包率的公式；步骤3：对所述公式进行理论分析和仿真，做正确性验证；步骤4：基于仿真，总结得出吞吐量和丢包率性能较好CRDSA++协议的发送副本数为3；步骤5：在CRDSA3协议基础上，加入数据包发送概率。进一步地，步骤1中的分析包括设N表示迭代次数，G表示归一化负载或平均每个时隙发送的包的数量，M表示一帧中时隙的数目，表示当负载为G、迭代N次时同一个包的副本A被成功解码的概率，T(N|G)表示当负载为G，迭代N次时的吞吐量；推导得出公式公式中包的副本数为2，且副本B被成功解码的概率与副本A被成功解码的概率相同。进一步地，步骤2中根据副本数为2的CRDSA协议的概率及吞吐量公式，推导得出副本数为r的CRDSA++协议的概率及吞吐量公式：进一步地，步骤3中通过理论分析，在同一帧中数据分组重发的次数增多将导致分组碰撞概率的增加，并能利用迭代干扰消除法恢复信息；对CRDSA协议和CRDSA++协议的吞吐量进行Matlab仿真，证明公式推导的正确性。进一步地，步骤4定义丢包率并分别对r＝2、3、4、5时对应的丢包率和归一化负载之间的关系进行Matlab仿真，得r＝3时CRDSA++协议在吞吐量和丢包率的最优性能。进一步地，在CRDSA3协议基础上，加入数据包发送概率，设某一时刻每个终端有数据发送的概率为p，总的终端数为n，一帧的时隙数M＝100，且某一时刻有数据发送的终端数满足正态分布，根据正态分布的3σ原则和低轨卫星物联网架构，设正态分布的均值μ＝p·n，方差分别对p＝0.5％、1％和2％，分析r＝3时CRDSA++协议的吞吐量与终端数量的关系和丢包率与终端数量的关系。与现有技术相比，本专利技术具有突出的实质性特点和显著的进步性，表现为：针对低轨卫星物联网的工作特点提出改进的多址接入方法，推导出了副本数为r的CRDSA++协议的吞吐量及丢包率计算公式，通过理论分析和仿真便于做出最佳的副本数选择，解决了低轨卫星物联网大量终端接入的问题。附图说明图1为低轨卫星物联网架构模型图。图2为标准SA和CRDSA迭代1、2、3、6、16次的吞吐量与归一化负载的关系曲线图。图3为副本数为3的CRDSA++的吞吐量与归一化负载的关系曲线图。图4为副本数为4的CRDSA++的吞吐量与归一化负载的关系曲线图。图5为副本数为5的CRDSA++的吞吐量与归一化负载的关系曲线图。图6为CRDSA和CRDSA++的吞吐量与归一化负载相比较下的仿真曲线图。图7为CRDSA和CRDSA++的丢包率与归一化负载的关系曲线图。图8为发送概率p＝0.5％、1％、2％时，CRDSA3协议的吞吐量与终端数量的关系曲线图。图9为发送概率p＝0.5％、1％、2％时，CRDSA3协议的丢包率与终端数量的关系曲线图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术创造作进一步详细的说明。本专利技术从技术概述来看，通过研究分析现有的基于争用解决的分集时隙ALOHA多址接入协议，提出了一种改进CRDSA++协议，理论分析和仿真结果表明，副本数为3的CRDSA++协议的整体性能较好，并在此协议的基础上，加入了终端有数据包发送的概率、增大了终端数和终端发送数据包的随机性，理论分析和仿真结果证明了所设计方法的有效性。低轨卫星物联网架构模型如图1所示，本专利技术涉及到里面的接入部分，主要分为随机多址接入协议的性能分析和适用于低轨卫星物联网多址接入协议的性能分析。步骤1：对现有的基于争用解决的分集时隙ALOHA多址接入协议进行研究分析，以下简称CRDSA协议。基于争用解决的分集时隙ALOHA(ContentionResolutionDiversitySlottedALOHA：CRDSA)，它的核心思想是：在同一帧中，一个包选择2个不同的时隙发送2个副本。在接入点侧，接收机利用迭代干扰消除算法(IterativeInterferenceCancellation)逐次分解发生碰撞混叠的数据包。具体来说，接收机先译码没有发生碰撞的数据包，一旦译码成功，则将该数据包在其他时隙上传输的副本删除以消除干扰。设N表示迭代次数，G表示归一化负载，即在一帧中，平均每个时隙发送的包的数量。M表示一帧中时隙的数目，表示当负载为G，迭代N次时，同一个包的副本A被成功解码的概率(其中，副本B被成功解码的概率与副本A相同)。T(N|G)表示当负载为G，迭代N次时的吞吐量。推导出公式：其仿真结果如图2所示，当G＝0.65，N＝16时，CRDSA的吞吐量达到了峰值为0.52；当G＝1时，标准SA的吞吐量达到了峰值为0.36。另外，当G从0变化到0.4时，CRDSA的吞吐量成线性增长，而SA只有在G从0到0.1时成线性增长。因此，CRDSA协议的吞吐量性能相比S-ALOHA方式有明显改善。步骤2：增加发送数据分组的次数以推导出CRDSA++协议的吞吐量公式。CRDSA++协议在CRDSA协议基础上做了两方面改进：一是增加发送数据分组的次数(CRDSA发送2次，CRDSA++发送3～5次)，二是利用接收数据分组功率分布不平衡的特点，进一步提高随机接入协议的吞吐量。根据步骤1中公式进行了推导，得出了CRDSA++关于吞吐量和丢包率的公式。推导出的P{pk∈Sn}本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，包括：步骤1：分析CRDSA多址接入协议及其吞吐量；步骤2：增加发送数据分组的次数以推导得出CRDSA++协议的吞吐量和丢包率的公式；步骤3：对所述公式进行理论分析和仿真，做正确性验证；步骤4：基于仿真，总结得出吞吐量和丢包率性能较好CRDSA++协议的发送副本数为3；步骤5：在CRDSA3协议基础上，加入数据包发送概率。

【技术特征摘要】
1.一种适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，包括：步骤1：分析CRDSA多址接入协议及其吞吐量；步骤2：增加发送数据分组的次数以推导得出CRDSA++协议的吞吐量和丢包率的公式；步骤3：对所述公式进行理论分析和仿真，做正确性验证；步骤4：基于仿真，总结得出吞吐量和丢包率性能较好CRDSA++协议的发送副本数为3；步骤5：在CRDSA3协议基础上，加入数据包发送概率。2.根据权利要求1所述适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，其特征在于：步骤1中的分析包括设N表示迭代次数，G表示归一化负载或平均每个时隙发送的包的数量，M表示一帧中时隙的数目，表示当负载为G、迭代N次时同一个包的副本A被成功解码的概率，T(N|G)表示当负载为G，迭代N次时的吞吐量；推导得出公式公式中包的副本数为2，且副本B被成功解码的概率与副本A被成功解码的概率相同。3.根据权利要求1所述适用于低轨卫星物联网的改进型CRDSA协议，其特征在于：步骤2中根据副本数为2的CRDSA协议的概率及吞吐量公式，推导得出副本数为r的CRDSA++协议的概率及吞吐量公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦芬芬，张更新，谢继东，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32