一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法技术方案

本发明专利技术涉及一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法，属于卫星通信领域，用以解决高动态终端与新一代低轨星座系统通信时，面临的快速接入的问题。该方法首先构建系统卫星接入系统模型；提前为相关的高动态终端的不同优先级用户预留不同数量的信道；然后当用户终端有接入需求时，利用接入控制来计算发送数据包的具体时刻，当数据包发送时，用户终端利用本地时钟将信道划分为时隙，随机将数据包放入时隙中发送；最后利用用户终端在通信过程中被系统多星覆盖的特点，每颗接受端卫星接收到数据包后，将数据包转发到低轨星座系统中进行干扰消除，直到成功解码出所有数据包或者到达最大迭代次数为止。本发明专利技术可以优化系统的吞吐率与丢包率指标，提升资源利用率，并可以优化高动态终端的首次接入成功率。终端的首次接入成功率。终端的首次接入成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法


[0001]本专利技术提供了一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法，属于卫星通信领域。主要涉及一种面向低轨星座系统的高动态终端的可靠的快速接入方法。

技术介绍

[0002]随着“空天技术”的发展与成熟，满足低轨卫星(Low Earth Orbit,LEO)信息业务多样化与实时化发展要求的高性能低轨卫星系统的概念应运而生。当前存在的业务要求有着较强的在轨信息转发与处理能力。在物理层面，低轨卫星系统距离地表近，其链路损耗和延迟相比中、高轨道的卫星相对较小，对于卫星的体积、功耗要求更低，能够通过大规模部署形成全球覆盖星座形式，实现全网用户连续的、高速度、高质量的通信。
[0003]低轨卫星系统可以为各类用户提供通用化与定制化的信息服务，传统策略中各类用户可以按照通信终端速率的高低分为高动态终端与低动态终端。高动态终端一般指代的是临近空间飞行器，其速率在5至15马赫之间，与LEO对地速率相比，不可忽略，具有飞行速度快，飞行距离远，机动能力强等独特优势。低动态终端一般指的是手持接入通讯设备与一般交通工具接入通信终端，通信终端速率相对于LEO对地速率来说，可忽略不计。除此之外的还有大量的各类速率尚未达到五马赫速率标准，但相较与低轨卫星波束小区的移动速度其在精准计算下仍不可忽略的移动设备。因此本专利在按照通信终端速率的高低时将通信终端分为高、中、低三大类型，标准为速度属于0～1000km/s属于低动态终端，1000km/s～6120km/s的属于中动态终端，速度高于6120km/s(5马赫)属于高动态终端。除了对终端设备的动态性做出设定之外，为了进一步提升该低轨卫星系统对于高动态终端的业务支撑能力，进一步对高动态卫星的业务类型进行细分。具体将卫星业务分为语音业务、流类业务、交互类业务、背景类业务。同时通过在终端设备中的定位设备，可以对终端业务进行轨迹预测，进而判断属于新产生的呼叫抑或是有切换的需求。
[0004]相关优先级策略的指定需要立足于相关类型业务的特性要求，语音业务的特点是端到端时延小，业务量上下行对称或几乎对称。为了保证话音类业务的时延和时延抖动指标，通常将该类业务映射成为最高优先级。会话类业务的最关键的QoS指标是传输时延。同时，时延抖动也是影响会话类业务的重要指标，严重的时延抖动会导致会话无法正常进行下去。对于丢包率和错包率来说，人类的耳朵却没有那么敏感，可以允许一些短暂的话音停顿和画面马赛克现象。流类业务也是实时性的，但是由于它是单向传输，不需要进行交互，所以实时性要求没有会话类业务那么严格。同会话类业务一样，时延抖动也是影响流类QoS的一项重要指标，并且允许一定的丢包率和错包率。由于流类业务没有实时交互的需求，并且本地通常设有缓存来保持一定时间的业务连续，所以该类业务对时延参数并没有会话类业务敏感。另外，流媒体的接收端要对接收到的数据进行时间上的排序，系统允许的最大时延抖动取决于终端的排序能力。交互类业务的时延取决于人们对于等待时间的容忍度，比会话类业务要长，但是可能比流类业务要短。这种数据业务对时延抖动没有要求，但是对丢包率的要求很高，一般都需要零丢包率(可以通过上层应用保证)。交互类业务时延要求没
有会话类严格，网络采用加权公平队列来保证交互类业务的优先级。背景类业务包括一些自动的后台E-mail接收、SMS或者接收一些文件和数据库下载。这类业务的特点是用户对传输时间没有特别的要求，但是对丢包率的要求很高，一般都需要零丢包率(可以通过上层应用保证)。当系统拥塞时，允许对该类型用户进行丢弃操作。背景类业务对时延和时延抖动要求较低，采用尽力而为方式进行转发，因此将其设置为最低优先级。
[0005]本专利意在面向高动态终端，提出一种充分考虑业务类型和终端动态性的一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法来解决高动态终端所有的快速接入和频繁切换的问题。
[0006]低轨卫星系统有着较强的在轨信息处理与服务能力，可以取代现有的地面指挥设施进行信息决策，并利用高速激光链路传递数据信息，能够优化数据信息传递链路，减少传播时延。高动态终端在执行任务时，利用高速激光链路接入到低轨卫星中实现信息装订，优化了高动态终端与指挥系统之间信息传输的难度。
[0007]其次可以采用相关运动预测策略，在接入的时候判断该业务流是否有后续切换的需求，以便后续小区为切换采用基于优先级的动态信道预留策略，进一步降低呼叫阻塞率，提升服务质量。预测策略具体可分为两类：当终端有GPS等定位系统时，结合当前接入时刻位于服务小区的接入位置，可以计算出该终端在源接入小区的停留时间T。把停留时间和最大小区驻留时间T
max
＝D/V进行对比，D为低轨卫星单个服务小区的直径，V为高动态终端的运动速度。
[0008]卫星网络中接入的目的是让用户终端与卫星网络之间建立一条逻辑通信链路，是确保卫星无线通信质量好坏的重要技术之一。现有的卫星网络多址接入技术可以分为两类：无冲突接入技术和基于竞争的接入技术，其中无冲突的接入技术又可分类为固定分配接入技术和按需分配接入技术。
[0009]常见的固定分配接入技术主要有时分多址接入技术(Time Division Multiple Access，TDMA)、频分多址接入技术(Frequency Division Multiple Access，FDMA)、码分多址接入技术(Code Division MultipleAccess，CDMA)和空分多址接入技术(Space Division Multiple Access，SDMA)。固定分配接入技术信道利用率较高，适用于用户终端固定，业务恒定的场景。但是面对突发性强，占空比较高的业务时，其信道利用率较低，容易造成信道资源的浪费。而本专利所研究的低轨卫星星座主要面向的高动态终端对象具有移动速度快，任务突发性高，业务类型变化范围大且业务类型不确定，所要求的时延和准确性也各有不同，因此固定分配策略显然不适合该场景。
[0010]按需分配多址接入(Demand Assignment Multiple Access，DAMA)技术结合了随机竞争与固定分配的思想。其主要思想是用户终端一侧通过随机竞争的方式请求信道资源，接收端一侧根据接收到的请求，将卫星信道分配给用户终端。但是当用户终端的接入请求较为频繁时，请求分配资源的过程降低了效率，并且增加了不必要的传播时延。在低轨卫星通信系统中，控制信令类的服务需求要求极短的时延，因此按需分配的策略也无法适应高动态系统的业务多样性。
[0011]基于竞争的接入技术是以随机接入(Random Access，RA)作为研究基础发展而来的。随机接入技术可以分为竞争型的和非竞争型的接入技术。Aloha与S-Aloha是基于竞争的随机接入技术的“基石”。现有的基于竞争的随机接入技术可以按照是否需要时隙的同步
的标准分为以下两类：
[0012](1)需要时隙同步：DSA(Diversity Slotted Aloha，DSA)是以S-本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、建立卫星接入系统模型，将各类用户按照通信终端速率的大小分为高、中、低动态终端，按照支持的业务类型分为语音业务、流类业务、交互类业务、背景类业务，同时通过在终端设备中的定位设备，可以对终端业务进行轨迹预测，进而判断属于新产生的呼叫或是有切换的需求；步骤二、采用为高优先级用户预留适当数量信道的方式保证高优先级业务的传输，预留信道数为m(m＜n)即预留信道为{c1，c2，
…
，cm}；步骤三、根据分类用户业务的接入成功率标准计算对应的信道最大负载门限值G
th
；步骤四、接收端卫星根据前一时间片接收的数据包，计算实时信道负载G，并广播给有接入需求的用户终端；步骤五、当相关优先级业务到达后，所预留的信道已经被占用时，制定基于优先级的信道数据包发送策略，建立一个优先级判断函数PRO(K)，按照预设的标准划分为n个等级。并考虑用户终端业务接入与切换两种的呼叫请求。利用优先级判断函数来决定数据包发送负载门限的值和数据包等待发送的时间片长度；步骤六、当用户终端相关预留信道已经被占用，需要采用增强争用解决Aloha接入技术时，将卫星广播的实时信道负载G与用户终端计算的最大负载门限值G
th
进行比较，若实时负载小于门限值，转到步骤七，若大于负载门限，则转到步骤五；步骤七、在将各类用户区分为高动态终端与低动态终端两类优先级的前提下，根据用户终端对应的优先级生成相应的等待时间片，将待数据包插入等待队列中，等待发送，若等待时间片耗尽，且等待队列中没有更高优先级待发送的数据包，则转到步骤四；步骤八、用户终端选择将要发送的数据包，进行编码，利用本地时钟将信道划分为时隙，将编码后的数据包随机放入时隙中，并将所在的时隙位置插入到数据包的头部进行发送；步骤九、覆盖用户终端的LEO接收到数据包后，将数据包进行数据包解码；步骤十、卫星处理系统设定一个滑动时间窗口T
win
，在滑动时间窗口内将接受到的数据包进行数据包完整性检测，并进行干扰消除，直到在时间窗口内成功解码出所有数据包或者到达最大迭代次数为止。2.根据权利要求1所述的一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：按通信终端速率的高低，将用户分为高、中、低动态终端三类，并根据业务流类型的不同对高动态终端加以继续细分；为保持用户终端接入到系统的通用性，简化接入用户终端的接入过程，做出以下假设：(1)用户终端与卫星的上行信道采用共享信道，采用基于“多波束+频率共享+多载波”的上行链路通信体制，用户终端共享卫星信道资源，进行随机竞争接入；下行链路采用基于“跳波束+时间分片+单载波”的下行链路通信体制；(2)用户终端在通信时，都会被两颗LEO覆盖，且卫星的通信信道都处于同一频道上，当用户终端一侧发送数据包时，两颗覆盖卫星可以接收到；(3)用户终端发送数据包的功率相同，简化功率不平衡效应。在接入的时候还需保证以下条件：(1)每个接入卫星网络的用户的优先级与传输业务的优先级一致，同一时刻用户只能
传输一种优先级的业务并且用户的优先级随传输的业务类型变化；(2)传输低优先级业务的用户一旦检测到信道中有高优先业务的用户传输高优先级业务时，低优先级业务进入等待队列，直到传输低优先级业务的用户检测到空闲频谱才能再次传输；(3)用户接入卫星信道时传输的业务互相不存在干扰，且各优先级用户仅可以用单一频带来传输数据。3.根据权利要求1所述的一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：采用为高优先级用户预留适当数量信道的方式保证高优先级业务的传输，预留信道数为m(m＜n)即预留信道为{c1，c2，
…
，cm}。该策略采用根据不同优先级等级而变化的动态信道预留策略。在终端业务流到达时优先接入预留的信道，不同优先级的预留信道数通过一个矩阵进行存储，可以利用凸优化来求取可以达到全局最优解的矩阵元素值。在预留信道已经被全部占用时才考虑使用Aloha增强接入方法的竞争接入方式。仿真结果和相关理论分析可以证明采用合适组合的信道预留策略可以提高信道利用率和降低信道阻塞率。4.根据权利要求1所述的一种面向低轨星座系统的Aloha增强接入方法，其特征在于，所述的步骤三具...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉静，秦兴，刘元安，胡鹤飞，刘芳，张洪光，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：