低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的快速隨機(jī)接入算法

秦 興， 冉 靜， 劉 芳

(北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876)

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)可以為不同用戶提供通用化與定制化的信息服務(wù)[1-3]。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中接入控制的目的是讓用戶終端與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間建立一條邏輯通信鏈路，是確保衛(wèi)星通信質(zhì)量好壞的重要技術(shù)之一。基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入算法有著接入靈活、信令交互少、傳播時(shí)延小、節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)入網(wǎng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。

基于競(jìng)爭(zhēng)的接入算法是以隨機(jī)接入算法作為研究基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)。其中，ALOHA[4]的思想是當(dāng)終端有接入需求時(shí)，立即在共享的信道資源上以競(jìng)爭(zhēng)的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。S-ALOHA[5]是對(duì)ALOHA的改進(jìn)。數(shù)據(jù)包需在固定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送。其吞吐率最大值相對(duì)于ALOHA提升了一倍。隨著信道技術(shù)與編碼技術(shù)的發(fā)展，發(fā)生干擾的數(shù)據(jù)包有可能被恢復(fù)。文獻(xiàn)[6]提出了CRDSA(content resolution diversity slotted ALOHA，沖突解決分集時(shí)隙ALOHA)。CRDSA將同一數(shù)據(jù)包發(fā)送兩次，在接收端一側(cè)利用迭代干擾消除技術(shù)來(lái)恢復(fù)發(fā)生干擾的數(shù)據(jù)包，從而進(jìn)一步提升成功解碼數(shù)據(jù)包的概率。IRSA(irregular repetition slotted ALOHA，不規(guī)則重復(fù)分集時(shí)隙Aloha)[7]構(gòu)建了二分圖用來(lái)表示用戶終端發(fā)送數(shù)據(jù)包與時(shí)隙的關(guān)系。IRSA預(yù)先設(shè)定關(guān)于用戶終端主動(dòng)發(fā)送同一數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的概率密度函數(shù)，通過(guò)預(yù)設(shè)好的概率密度函數(shù)確定需要主動(dòng)發(fā)送同一數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)。

上述接入算法是基于將信道同步劃分為時(shí)隙的思想，系統(tǒng)內(nèi)的所有的通信節(jié)點(diǎn)都需要保持時(shí)鐘同步，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜的衛(wèi)星系統(tǒng)而言，時(shí)鐘同步帶來(lái)了巨大的信令與時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)。因此對(duì)無(wú)需時(shí)鐘同步的接入算法[8-11]進(jìn)行研究有著較為重要的意義。文獻(xiàn)[8]提出了CRA(content resolution ALOHA，沖突解決ALOHA)。CRA不需要全系統(tǒng)的時(shí)隙同步，大大降低了系統(tǒng)時(shí)鐘同步的要求，且對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)間、大小都沒(méi)有限制。文獻(xiàn)[9]提出了ECRA(enhancing content resolution ALOHA，增強(qiáng)型沖突解決ALOHA)。ECRA在CRA的基礎(chǔ)上，在接收端一側(cè)引入合并技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)從干擾中恢復(fù)數(shù)據(jù)包的概率，優(yōu)化了吞吐率與丟包率指標(biāo)。文獻(xiàn)[10]與文獻(xiàn)[11]提出的擴(kuò)頻ALOHA和增強(qiáng)擴(kuò)頻ALOHA是將擴(kuò)頻技術(shù)引入到ALOHA中的一種嘗試。但是這些方法在面對(duì)高動(dòng)態(tài)終端接入時(shí)都存在不可靠問(wèn)題。

1 問(wèn)題分析

目前，基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入算法存在著以下兩方面的問(wèn)題，使其無(wú)法直接應(yīng)用于低軌星座系統(tǒng)。

1)現(xiàn)有基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入算法在信道負(fù)載較高的情況下，系統(tǒng)吞吐率與丟包率指標(biāo)會(huì)變得很差，無(wú)法保證用戶終端的接入質(zhì)量。用戶終端與LEO的仰角越小，通信鏈路的誤碼率越高。當(dāng)高動(dòng)態(tài)終端首次接入遇到阻塞時(shí)，會(huì)帶來(lái)額外的傳輸與傳播時(shí)延，高動(dòng)態(tài)終端在額外的時(shí)延內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)容易使其在通信鏈路質(zhì)量較差的區(qū)域接入，影響通信質(zhì)量。因此當(dāng)高動(dòng)態(tài)終端接入時(shí)，需保證其首次接入成功率在90%以上[12]。

2)在現(xiàn)有增強(qiáng)型ALOHA系列的隨機(jī)接入算法中，用戶終端將同一數(shù)據(jù)包發(fā)送多次，增加了信道負(fù)載，造成了信道資源的浪費(fèi)。

ECRA[9]取得了較好的吞吐率與丟包率指標(biāo)，通過(guò)用戶終端的本地時(shí)鐘劃分幀的起始位置，消除了系統(tǒng)內(nèi)通信節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步的要求?；诖?，本研究結(jié)合低軌星座系統(tǒng)，提出了一種基于增強(qiáng)型沖突解決Aloha(ECRA，enhancing content resolution ALOHA)改進(jìn)算法(MECRA，Modified ECRA)。該算法利用用戶終端被兩顆及以上低軌衛(wèi)星覆蓋的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)包只需發(fā)送一次，可被多顆衛(wèi)星同時(shí)接收。接收端通過(guò)滑動(dòng)窗口確定接收數(shù)據(jù)包的位置，并通過(guò)迭代干擾消除實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)區(qū)分優(yōu)先級(jí)的接入控制，從而優(yōu)化高動(dòng)態(tài)終端的首次接入成功率。

2 改進(jìn)的ECRA接入算法

2.1 系統(tǒng)模型

如圖1所示的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由天基信息港系統(tǒng)中的高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、LEO星座和用戶端構(gòu)成。LEO星座由多顆LEO組成，用以覆蓋全球范圍的用戶終端。用戶終端通常被兩個(gè)或兩個(gè)以上的LEO覆蓋。用戶終端通過(guò)LEO接入到天基信息港系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

圖1 低軌星座系統(tǒng)接入模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the access model of the LEO constellation system

為保持低軌星座系統(tǒng)接入的通用性，并簡(jiǎn)化用戶終端的接入過(guò)程，本研究對(duì)接入模型做出假設(shè)：

1)用戶終端與衛(wèi)星的上行信道采用共享信道模型。用戶終端共享衛(wèi)星信道資源，進(jìn)行隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入。

2)用戶終端在通信時(shí)，會(huì)被兩顆LEO所覆蓋，且兩顆LEO的通信信道都處于同一頻道，當(dāng)用戶終端發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，兩顆覆蓋衛(wèi)星可以接收。

3)用戶終端發(fā)送數(shù)據(jù)包的功率相同，簡(jiǎn)化功率不平衡效應(yīng)。

2.2 算法設(shè)計(jì)

MECRA的整體流程如圖2所示。

圖2 MECRA流程圖Fig.2 Flow chart of MECRA

具體步驟如下：

1)建立低軌星座系統(tǒng)接入模型，將各類(lèi)用戶按照通信終端速率大小進(jìn)行分類(lèi)，初始化參數(shù)。

2)根據(jù)分類(lèi)用戶的接入成功率標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算對(duì)應(yīng)的信道最大負(fù)載門(mén)限值Gth。

3)接收端衛(wèi)星根據(jù)前一時(shí)間片接收的數(shù)據(jù)包，計(jì)算實(shí)時(shí)信道負(fù)載G，并廣播給有接入需求的用戶終端。

4)當(dāng)用戶終端有接入需求時(shí)，將衛(wèi)星廣播的實(shí)時(shí)信道負(fù)載G與負(fù)載門(mén)限值Gth進(jìn)行比較，若G小于Gth，轉(zhuǎn)到第6步；反之，轉(zhuǎn)到第5步。

5)根據(jù)用戶終端對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)生成等待時(shí)間片，將待數(shù)據(jù)包插入等待隊(duì)列中，等待發(fā)送。若等待時(shí)間片耗盡，且隊(duì)列中沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包，則轉(zhuǎn)到第4步。

6)用戶終端選擇將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)包隨機(jī)放入本地時(shí)鐘劃分好的時(shí)隙中，并將所在的時(shí)隙位置插入到數(shù)據(jù)包的頭部進(jìn)行發(fā)送。

7)覆蓋用戶終端的LEO接收到數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至天基信息港中進(jìn)行解碼。

8)系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)時(shí)間窗口Twin，對(duì)滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行完整性檢測(cè)，并進(jìn)行干擾消除。

2.3 迭代干擾消除

在MECRA中，用戶終端利用本地時(shí)鐘在信道中定義數(shù)據(jù)幀與時(shí)隙的起始位置。當(dāng)有數(shù)據(jù)包待發(fā)送時(shí)，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，隨機(jī)放置在時(shí)隙里進(jìn)行發(fā)送。MECRA將本地時(shí)鐘劃分的數(shù)據(jù)幀與時(shí)隙定義為虛擬幀與虛擬時(shí)隙，每個(gè)虛擬幀由Nslot個(gè)虛擬時(shí)隙組成，每個(gè)時(shí)隙的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為T(mén)slot。

由系統(tǒng)模型假設(shè)可知，每個(gè)用戶終端在與系統(tǒng)通信時(shí)，都會(huì)被兩顆LEO覆蓋。由于在一顆LEO上未發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包，在干擾消除的過(guò)程中可能用來(lái)消除其在另一顆LEO數(shù)據(jù)包上的干擾，所以LEO只將數(shù)據(jù)包透明轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的情況可分為兩種：1)兩顆LEO中的某一數(shù)據(jù)包沒(méi)有完全發(fā)生碰撞；2)兩顆LEO中的某一數(shù)據(jù)包都發(fā)生了碰撞。第2種情況稱為“環(huán)效應(yīng)”。對(duì)于第1種情況，可以利用迭代干擾消除恢復(fù)發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包。而“環(huán)效應(yīng)”導(dǎo)致了迭代干擾消除技術(shù)無(wú)法應(yīng)用。MECRA的干擾消除分為兩部分：迭代干擾消除部分和合并部分。

2.3.1 迭代干擾消除部分

步驟1。系統(tǒng)首先設(shè)置滑動(dòng)時(shí)間窗口大小Twin和最大迭代次數(shù)Niter。滑動(dòng)窗口內(nèi)需至少可以涵蓋一個(gè)虛擬幀。Tstart為滑動(dòng)時(shí)間窗口的起始值，Tend=Tstart+Twin為滑動(dòng)時(shí)間窗口的終止值。

步驟2。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)包后，首先在滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)包完整性檢測(cè)，如果通過(guò)完整性檢測(cè)，則說(shuō)明該數(shù)據(jù)包未發(fā)生碰撞，可以被成功接收。然后根據(jù)該數(shù)據(jù)包所在幀中的相對(duì)位置，消除另一顆LEO轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包消息上的相同數(shù)據(jù)包，從而得到更多完整的數(shù)據(jù)包。如圖3所示，LEO1中的A未發(fā)生碰撞，可以被成功接收到，進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)包A在LEO1與LEO2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包上的干擾。此時(shí)，LEO2數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)包B成為了完整的未受干擾數(shù)據(jù)包，可以被成功接收，進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)包B在LEO1與LEO2上的干擾。以此類(lèi)推，接收端可以成功接收到數(shù)據(jù)包C。

圖3 迭代干擾消除示意圖Fig.3 Schematic diagram of iterative interference cancellation

步驟3。當(dāng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)包接收完畢后，將窗口滑動(dòng)ΔT大小，再次進(jìn)行迭代干擾消除，此時(shí)滑動(dòng)窗口的起止位置為[Tstart+ΔT,Tend+ΔT]。

步驟4。直至沒(méi)有新數(shù)據(jù)包，窗口停止滑動(dòng)，干擾消除完成。

2.3.2 合并部分

在基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入算法中，只有接收端接收到未發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包后才能正確解碼此數(shù)據(jù)包。但是隨著編碼技術(shù)的發(fā)展，一些糾錯(cuò)碼技術(shù)可以抵消部分?jǐn)?shù)據(jù)包干擾，提升信道利用率。如果數(shù)據(jù)包的信噪比超過(guò)了譯碼門(mén)限，該數(shù)據(jù)包可被正確接收，否則該數(shù)據(jù)包丟失。如圖4所示，LEO1與LEO2轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包A都發(fā)生了碰撞，但是兩顆LEO上數(shù)據(jù)包A不同部分發(fā)生了碰撞，在利用選擇合并技術(shù)時(shí)，MECRA會(huì)選擇出兩顆LEO轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包A未發(fā)生碰撞的部分，創(chuàng)建組合出新的未干擾的數(shù)據(jù)包，并嘗試對(duì)其進(jìn)行解碼。

圖4 “環(huán)效應(yīng)”示意圖Fig.4 Schematic diagram of "LoopPhenomenon"

若利用合并效應(yīng)可以消除“環(huán)效應(yīng)”，成功解碼出數(shù)據(jù)包，且當(dāng)前迭代干擾消除輪數(shù)未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的Niter時(shí)，將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)的干擾消除。

接下來(lái)對(duì)消除“環(huán)效應(yīng)”的選擇合并的具體流程做出理論說(shuō)明。

(1)

(2)

由于數(shù)據(jù)包信號(hào)在傳輸信道中會(huì)有噪聲干擾和其余數(shù)據(jù)包信號(hào)的干擾，數(shù)據(jù)包每個(gè)比特的信噪比可表示為

(3)

(4)

根據(jù)數(shù)據(jù)包每個(gè)比特的信噪比可以推出第u個(gè)用戶終端發(fā)送到天基信息港系統(tǒng)的第r個(gè)數(shù)據(jù)包的信噪比為

SINR(u,r)=

(5)

選擇合并技術(shù)是選擇出同一個(gè)數(shù)據(jù)包中每個(gè)信噪比最大的比特信號(hào)，將選擇出的比特信號(hào)組合出新的數(shù)據(jù)包信號(hào)。當(dāng)組合出的數(shù)據(jù)包信號(hào)的互信息C大于解碼門(mén)限值R時(shí)，則可以順利解碼出此數(shù)據(jù)包，從而消除“環(huán)效應(yīng)”。

2.4 區(qū)分優(yōu)先級(jí)的接入控制

為了滿足高動(dòng)態(tài)終端的首次接入成功率，本研究提出了區(qū)分優(yōu)先級(jí)的接入控制。具體過(guò)程如下：

1)系統(tǒng)將用戶按通信速率高低分為高動(dòng)態(tài)終端與低動(dòng)態(tài)終端兩類(lèi)。當(dāng)用戶終端有接入需求時(shí)，系統(tǒng)判斷用戶終端屬于哪一類(lèi)，將待發(fā)送數(shù)據(jù)包放入對(duì)應(yīng)的緩沖隊(duì)列。

現(xiàn)階段，有些成本核算不夠準(zhǔn)確，經(jīng)常采用手工清算的方式，人工核算的精確性難以保證。在施工過(guò)程中，很難及時(shí)獲取成本信息，且成本信息很容易丟失，嚴(yán)重影響成本核算的真實(shí)性。

2)根據(jù)高動(dòng)態(tài)終端與低動(dòng)態(tài)終端接入成功率標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算對(duì)應(yīng)的最大信道負(fù)載門(mén)限Gth。

3)將衛(wèi)星廣播的實(shí)時(shí)信道負(fù)載G與Gth進(jìn)行比較，若G≤Gth，進(jìn)行發(fā)送，若G>Gth，利用優(yōu)先級(jí)的退避算法生成等待時(shí)間片進(jìn)行等待。

2.4.1 信道負(fù)載判斷

由系統(tǒng)模型假設(shè)可知，衛(wèi)星的通信信道為同一頻道。因此，在統(tǒng)計(jì)信道實(shí)時(shí)負(fù)載時(shí)，只需要考慮一個(gè)頻道上的負(fù)載即可。本研究統(tǒng)計(jì)一個(gè)時(shí)間片內(nèi)的信道負(fù)載均值作為實(shí)時(shí)信道負(fù)載，如公式(6)所示。其中，Tframe為一個(gè)虛擬幀長(zhǎng)度，T=n×Tframe。

(6)

設(shè)Gth={Glth,Ghth}，其中，Glth表示低動(dòng)態(tài)終端接入時(shí)的最大負(fù)載門(mén)限，Ghth表示高動(dòng)態(tài)終端接入時(shí)的最大負(fù)載門(mén)限。各類(lèi)用戶終端對(duì)應(yīng)的最大負(fù)載門(mén)限值Gth與各個(gè)用戶終端所需最低接入成功率對(duì)應(yīng)。高動(dòng)態(tài)終端最大負(fù)載門(mén)限值的可通過(guò)公式(7)求得。其中，ratei表示各類(lèi)終端的接入業(yè)務(wù)占總的接入業(yè)務(wù)的比例，rateh表示高動(dòng)態(tài)終端的接入業(yè)務(wù)占總的接入業(yè)務(wù)的比例。

(7)

2.4.2 優(yōu)先級(jí)退避算法

由于二進(jìn)制退避算法(binary exponential backoff，BEB)[13]與乘性增加，線性減少退避算法(multiplicative increase and linear decrease，MILD)[14]都無(wú)法支持區(qū)分優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)，因此本工作結(jié)合場(chǎng)景提出區(qū)分優(yōu)先級(jí)的退避算法來(lái)控制系統(tǒng)的用戶終端何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包。具體步驟如下。

低動(dòng)態(tài)終端接入的情況：

X=min(2×X,CWmax),G≥Glth，

(8)

X=X/2,G

(9)

具體的步驟如下：

1)設(shè)置初始等待時(shí)間t，數(shù)據(jù)包等待時(shí)間上限max和等待窗口的最大值CWmax。其中t為一個(gè)信道幀的長(zhǎng)度。

2)在0至當(dāng)前等待窗口值的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，任意選擇一個(gè)數(shù)Rand與初始等待時(shí)間t相乘，所得的結(jié)果為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)却龝r(shí)間T。

3)當(dāng)?shù)却龝r(shí)間結(jié)束后，若G≥Glth，如公式(8)所示，等待窗口增加一倍，并在等待窗口內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)，與初始等待時(shí)間相乘，作為等待時(shí)間；若G

4)當(dāng)數(shù)據(jù)包總的等待時(shí)間超過(guò)max，此數(shù)據(jù)包傳輸失敗。

高動(dòng)態(tài)終端接入的情況：

X=min(X+1,CWmax),G≥Ghth，

(10)

X=1,G

(11)

具體的步驟如下：

1)設(shè)置初始等待時(shí)間t，數(shù)據(jù)包等待時(shí)間上限max和等待窗口的最大值CWmax。其中t設(shè)置為一個(gè)信道幀長(zhǎng)度。

2)在0至當(dāng)前等待窗口值的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，任意選取一個(gè)數(shù)Rand與初始等待時(shí)間t相乘，所得的結(jié)果為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)却龝r(shí)間T。

3)當(dāng)數(shù)據(jù)包等待時(shí)間結(jié)束后，若G≥Glth，如公式(10)所示，等待窗口增加1，并在窗口內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)，與初始等待時(shí)間相乘，進(jìn)行等待；若G

4)當(dāng)數(shù)據(jù)包總的等待時(shí)間大于等于max，此數(shù)據(jù)包傳輸失敗。

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置和算法流程

假設(shè)每個(gè)用戶終端都會(huì)被兩顆LEO所同時(shí)覆蓋。用戶終端業(yè)務(wù)信源服從參數(shù)為λ的泊松分布。數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為100 bit，虛擬幀長(zhǎng)度為10 000 bit，每一幀時(shí)隙可放置一個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包通過(guò)QPSK調(diào)制后進(jìn)行發(fā)送，信道編碼速率R為1/2。衛(wèi)星信道模擬加性高斯白噪聲信道。用戶終端類(lèi)型分為高動(dòng)態(tài)終端與低動(dòng)態(tài)終端。接收端一側(cè)干擾消除最大迭代次數(shù)Niter為14。由于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度與時(shí)隙長(zhǎng)度相等，所以歸一化負(fù)載G表示平均每個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表Table 1 Simulation parameter table

接下來(lái)本研究從兩個(gè)方面對(duì)MECRA性能進(jìn)行對(duì)比研究：

1)吞吐率與丟包率性能仿真與對(duì)比。在歸一化負(fù)載區(qū)間內(nèi)，分析統(tǒng)計(jì)MECRA的吞吐率與丟包率性能表現(xiàn)，與CRDSA、IRSA、CRA和ECRA進(jìn)行比較，主要是為了表明MECRA在吞吐率與丟包率指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)。

2)高動(dòng)態(tài)終端首次接入成功率仿真與對(duì)比。分析統(tǒng)計(jì)采用接入控制的MECRA、CRDSA、IRSA、CRA和ECRA隨著接入到達(dá)率的變化，高動(dòng)態(tài)終端首次接入成功率指標(biāo)的變化情況。主要是為了說(shuō)明MECRA可優(yōu)化高動(dòng)態(tài)終端首次接入的成功率。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 吞吐率與丟包率性能仿真與對(duì)比

首先，本研究將未加接入控制的MECRA算法進(jìn)行仿真。假設(shè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度與時(shí)隙的長(zhǎng)度相等，歸一化負(fù)載G設(shè)置為[0～2 bit]每個(gè)符號(hào)。圖5和圖6分別展示了MECRA的吞吐率與丟包率性能。

圖5 MECRA算法吞吐率仿真曲線Fig.5 Throughput of MECRA algorithm

圖6 MECRA算法丟包率仿真曲線Fig.6 Packet loss rate of MECRA algorithm

從圖5中可以看出，負(fù)載在[0～1.1 bit]每個(gè)符號(hào)區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)吞吐率近似線性的增長(zhǎng)，這可以說(shuō)明在此條件下，數(shù)據(jù)包到達(dá)系統(tǒng)接收端一側(cè)后可以被完整解碼出。當(dāng)負(fù)載超過(guò)1.1之后，隨著負(fù)載的進(jìn)一步增加，數(shù)據(jù)包在信道中發(fā)生碰撞的幾率會(huì)越來(lái)越大，系統(tǒng)吞吐率在緩慢到達(dá)峰值后，會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。MECRA在負(fù)載為1.2時(shí)會(huì)達(dá)到吞吐率最大值，此時(shí)，吞吐率可接近1.1 bit每個(gè)符號(hào)。

由圖6可以看出，當(dāng)負(fù)載小于0.85時(shí)，系統(tǒng)丟包率小于10-2，當(dāng)負(fù)載小于1.2時(shí)，系統(tǒng)的丟包率小于10-1。當(dāng)負(fù)載在區(qū)間[0～0.85 bit]每個(gè)符號(hào)時(shí)，丟包率上升緩慢。當(dāng)負(fù)載超過(guò)1.0后，系統(tǒng)的丟包率上升速率加快。仿真證明隨著信道負(fù)載的增加，用戶終端發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的幾率會(huì)越大。

其次，本研究將MECRA與CRDSA、IRSA、CRA和ECRA進(jìn)行仿真對(duì)比。在歸一化負(fù)載為[0～1.4 bit]每個(gè)符號(hào)的區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)各個(gè)接入算法的吞吐率和丟包率曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 接入算法吞吐率仿真對(duì)比曲線Fig.7 Comparison of throughput of different access algorithms

圖8 接入算法丟包率仿真對(duì)比曲線Fig.8 Comparison of packet loss rate of different access algorithms

從圖7吞吐量對(duì)比曲線中可以看出，當(dāng)負(fù)載較低時(shí)，圖中接入算法的吞吐率指標(biāo)隨負(fù)載呈一個(gè)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到一定程度繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，吞吐率都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在MECRA中，當(dāng)負(fù)載達(dá)到1.2后，系統(tǒng)的吞吐率才會(huì)出現(xiàn)非線性下降趨勢(shì)，優(yōu)于CRDSA，IRSA，CRA和采用選擇合并技術(shù)的ECRA，且MECRA的吞吐率最大值最高。因此可以證明所提接入算法在提升天基信息港系統(tǒng)接入吞吐率上的有效性。

從圖8丟包率對(duì)比曲線中可以看出，當(dāng)歸一化負(fù)載較低時(shí)，丟包率始終小于10-2，當(dāng)歸一化負(fù)載達(dá)到一定程度之后繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，丟包率會(huì)持續(xù)上升。若要將丟包率控制在0.1以下時(shí)，MECRA的負(fù)載需要控制在1.2，優(yōu)于CRDSA的0.5和采用選擇合并技術(shù)的ECRA的0.6。

綜上所述，不同于ECRA在信道中多次發(fā)送同一數(shù)據(jù)包來(lái)觸發(fā)接收端的迭代干擾消除，MECRA利用用戶終端在通信過(guò)程中被低軌星座系統(tǒng)多星覆蓋，覆蓋衛(wèi)星可以接收到用戶終端所發(fā)送數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)，每顆接收端衛(wèi)星接收到數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到天基信息港中進(jìn)行干擾消除，避免了用戶終端在信道中多次發(fā)送同一數(shù)據(jù)包來(lái)觸發(fā)接收端迭代干擾消除的過(guò)程，降低了數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的概率。MECRA的吞吐率最大值可接近1.1 bit每個(gè)符號(hào)，優(yōu)于ECRA。

3.2.2 高動(dòng)態(tài)終端首次接入成功率仿真與對(duì)比

本工作仿真統(tǒng)計(jì)在MECRA與CRDSA、IRSA、CRA和ECRA算法下，隨著用戶終端接入到達(dá)率不斷增加的情況下，高動(dòng)態(tài)終端的首次接入成功率指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 接入算法接入成功率對(duì)比曲線Fig.9 Comparison of access success rate of different access algorithms

從圖9接入成功率對(duì)比曲線中可以得出，ECRA由于未采用接入控制機(jī)制，當(dāng)用戶接入到達(dá)率增加至0.6時(shí)，接入成功率已降至99%。接入到達(dá)率進(jìn)一步增加時(shí)，首次接入成功率會(huì)繼續(xù)下降。加入接入控制的MECRA可以讓終端的接入成功率維持在99%以上。其原因是優(yōu)先級(jí)接入控制通過(guò)對(duì)各類(lèi)用戶終端的最大負(fù)載門(mén)限的設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)接入成功率接近99%時(shí)，對(duì)低動(dòng)態(tài)終端的接入業(yè)務(wù)進(jìn)行控制，使得低動(dòng)態(tài)終端的業(yè)務(wù)進(jìn)行退避等待，暫緩接入到天基信息港系統(tǒng)中，減少數(shù)據(jù)包的碰撞概率，從而優(yōu)化高動(dòng)態(tài)終端的首次接入成功率。根據(jù)仿真對(duì)比，可以證明所提算法在優(yōu)化高動(dòng)態(tài)終端首次接入成功率上的有效性。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)低軌星座針對(duì)高動(dòng)態(tài)終端需要快速接入問(wèn)題，本工作以基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入算法作為研究基礎(chǔ)，提出了MECRA。該算法利用用戶終端被兩顆及以上低軌衛(wèi)星覆蓋的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)包只需發(fā)送一次，可被多顆衛(wèi)星同時(shí)接收。接收端通過(guò)滑動(dòng)窗口確定接收數(shù)據(jù)包的位置，并通過(guò)迭代干擾消除實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)區(qū)分優(yōu)先級(jí)的接入控制，優(yōu)化了高動(dòng)態(tài)終端的首次接入成功率。通過(guò)對(duì)比仿真，所提出的算法在吞吐率和丟包率方面均優(yōu)于CRDSA和ECRA。在不考慮功率不平衡影響下，MECRA的吞吐率最大值可達(dá)1.1 bit每個(gè)符號(hào)。在加入接入控制后，可以使得高動(dòng)態(tài)終端的首次接入成功率達(dá)到99%，確保了高動(dòng)態(tài)終端高可靠的快速接入。