為了實現(xiàn)全球互聯(lián),對于地面通信網(wǎng)絡難以覆蓋的偏遠區(qū)域,衛(wèi)星通信提供了一種更具有成本效益的解決方案。同時,在智能電網(wǎng)、公用事業(yè)等應用場景下,地面網(wǎng)絡的中斷可能會損壞固定的無線基礎設施。為了在合理的成本內(nèi)實現(xiàn)最高的數(shù)據(jù)通信可用性,衛(wèi)星可以提供真正的替代途徑。因此,在支持物聯(lián)網(wǎng)的應用中,衛(wèi)星網(wǎng)絡發(fā)揮著關鍵的作用。隨機接入?yún)f(xié)議用于衛(wèi)星網(wǎng)絡的初始接入,可以避免頻繁的資源申請和動態(tài)調(diào)度過程,但隨著物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的增加,隨機接入信道中的碰撞概率將增加,系統(tǒng)資源利用率將降低,導致接入性能惡化。因此高吞吐量隨機接入?yún)f(xié)議的研究對于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)有著非常重要的意義。本文從同步隨機接入?yún)f(xié)議的研究出發(fā),以增大用戶信道資源競爭空間為切入點,充分利用物理層信號參數(shù)引入的自由維度,深入分析并研究了基于新維度的跨層同步隨機接入方案,論文的主要研究內(nèi)容和貢獻具體如下:1.引入極化維度,提出了基于極化多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)傳輸方案的隨機接入?yún)f(xié)議。從極化MIMO傳輸方案著手,詳細介紹了系統(tǒng)模型和極化MIMO傳輸框架。針對傳統(tǒng)時隙ALOHA(Slotted ALOHA,SA)協(xié)議低峰值吞吐量的缺陷,提出了極化MIMO時隙ALOHA(Polarized MIMO Slotted ALOHA,PMSA)協(xié)議。針對沖突解決分集時隙ALOHA(Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,CRDSA)類協(xié)議中的死鎖問題,提出了極化MIMO-CRDSA(PM-CRDSA)類方案。在所提的PMSA和PM-CRDSA協(xié)議中,詳細地描述了收發(fā)機處理細節(jié),并對PMSA和PM-CRDSA的理論性能進行了推導和分析,仿真驗證了PMSA和PM-CRDSA類協(xié)議在吞吐量、丟包率、能量效率和時延方面帶來的性能增益。將極化MIMO傳輸方案應用于現(xiàn)有隨機接入?yún)f(xié)議可以有效地提高系統(tǒng)的接入性能,在衛(wèi)星隨機接入系統(tǒng)中有較大的吸引力。2.引入分組長度維度,提出了基于自適應分組長度輔助(Adaptive Packet-length Assisted,APL-assisted)方案的隨機接入?yún)f(xié)議。其主要思想是根據(jù)信道的傳輸質量,通過采用不同的自適應編碼調(diào)制技術(Modulation and Coding Scheme,MCS)來改變數(shù)據(jù)包的長度,降低時隙中數(shù)據(jù)包的沖突概率。在低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡下,介紹了在所提APL輔助方案中,發(fā)射端用戶節(jié)點產(chǎn)生不同長度數(shù)據(jù)包的方法和不同長度數(shù)據(jù)包的分布情況。為了提高SA和CRDSA類協(xié)議的峰值吞吐量和線性吞吐量區(qū)間,分別提出了APL-SA協(xié)議和APL-CRDSA類協(xié)議。從理論分析和計算機仿真兩個方面驗證了所提方案在吞吐量、丟包率、能量效率和時延方面的性能優(yōu)于現(xiàn)有協(xié)議,并且可以實現(xiàn)更高的線性區(qū)吞吐量。3.引入功率維度,提出了給富優(yōu)化方案并討論了基于功率分集的CRDSA類優(yōu)化方案。從理論上分析了引入傳輸功率分集對CRDSA協(xié)議性能帶來的積極影響并對此進行了仿真驗證。結合LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點,以增強捕獲效應為目的,提出了給富優(yōu)化方案,給出了具體的功率控制方法。仿真表明,相比于現(xiàn)有協(xié)議,所提方案實現(xiàn)了更高的吞吐量和丟包率性能。最后,本文對所提的極化MIMO傳輸方案、自適應分組長度輔助方案和功率優(yōu)化方案進行了全面的性能仿真分析,進一步說明了所提方案在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中的應用潛力。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP391.44;TN927.2
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號對照表
縮略語對照表
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 論文的工作和組織結構
第二章 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的隨機接入
    2.1 引言
    2.2 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
        2.2.1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的基本架構和應用場景
        2.2.2 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的隨機接入系統(tǒng)模型
    2.3 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的隨機接入?yún)f(xié)議
        2.3.1 傳統(tǒng)的隨機接入?yún)f(xié)議
        2.3.2 跨層聯(lián)合的隨機接入?yún)f(xié)議
        2.3.3 隨機接入系統(tǒng)性能的評估指標
    2.4 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機接入?yún)f(xié)議中的關鍵問題
    2.5 本章小結
第三章 極化MIMO隨機接入?yún)f(xié)議研究
    3.1 引言
    3.2 極化MIMO傳輸方案
        3.2.1 系統(tǒng)模型與假設
        3.2.2 極化MIMO傳輸框架
    3.3 極化MIMO時隙ALOHA協(xié)議
        3.3.1 接入?yún)f(xié)議描述
        3.3.2 理論吞吐量分析
        3.3.3 穩(wěn)定性分析
        3.3.4 仿真結果與分析
    3.4 極化MIMO-CRDSA類協(xié)議
        3.4.1 接入?yún)f(xié)議描述
        3.4.2 理論吞吐量分析
        3.4.3 仿真結果與分析
    3.5 本章小結
第四章 自適應分組長度輔助的隨機接入?yún)f(xié)議研究
    4.1 引言
    4.2 自適應分組長度輔助方案
        4.2.1 系統(tǒng)模型與假設
        4.2.2 LEO衛(wèi)星的上行鏈路預算
        4.2.3 信號傳輸模型
        4.2.4 自適應分組長度數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生
    4.3 自適應分組長度輔助的時隙ALOHA協(xié)議
        4.3.1 接入?yún)f(xié)議描述
        4.3.2 理論吞吐量分析
        4.3.3 仿真結果與分析
    4.4 自適應分組長度輔助的CRDSA類協(xié)議
        4.4.1 接入?yún)f(xié)議描述
        4.4.2 理論吞吐量分析
        4.4.3 仿真結果與分析
    4.5 本章小結
第五章 功率維度優(yōu)化的隨機接入?yún)f(xié)議
    5.1 引言
    5.2 基于功率分集的CRDSA優(yōu)化方案
        5.2.1 方案介紹
        5.2.2 理論吞吐量分析
        5.2.3 仿真結果與分析
    5.3 給富優(yōu)化方案
        5.3.1 系統(tǒng)模型
        5.3.2 方案描述
        5.3.3 仿真結果與分析
    5.4 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中總體性能仿真分析
    5.5 本章小結
第六章 總結與展望
    6.1 論文的主要工作和貢獻
    6.2 論文的后續(xù)工作和展望
參考文獻
致謝
作者簡介

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