[发明专利]基于卫星CDMA多包接收的数据收集方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于卫星CDMA多包接收的 数据收集方法。

背景技术

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“A centralized multiple access scheme for data gathering inSatellite-Routed Sensor System (SRSS)”(2013IEEE Global CommunicationsConference(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“A divide and conquer approach for efficient bandwidthallocation in next generation satellite-routed sensor system(SRSS)”(2013 9thInternational Wireless Communications and Mobile Computing Conference(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 “Effective Data Collection ViaSatellite-Routed Sensor System(SRSS)to Realize Global-Scaled InternetofThings”(IEEE Sensors Journal,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。