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天地融合低轨卫星物联网体系架构与关键技术

曲至诚  
【摘要】:随着地面无线通信技术的飞速发展,物联网已被越来越广泛地用于现代社会的生产和生活的各个领域,然而单纯依靠传统地面物联网还远不足以实现“万物互联”的远大愿景。相比于地面网络,天基卫星网络具有高、远和广域覆盖的突出特点,对于实现对海上、空中以及地面系统难以覆盖的边远地区的服务有其明显优势,作为地面网络的补充和延伸或将为实现物联网全球无缝覆盖提供强有力支撑。但现有卫星系统通常存在缺乏一般性、通用性、协作拓展能力弱、与地面网络独立建设等缺点,同样难以满足未来“万物互联”对网络灵活性、扩展性、兼容性的需求,故亟需开展天地融合物联网基础理论和关键技术方面的研究,为未来物联网的天地融合发展提供理论指导和技术支撑。论文围绕物联网全球化的发展趋势和应用服务需求,在综合考虑天地融合物联网结构复杂、业务多样、海量接入、资源受限等特点的基础上,开展天地融合低轨卫星物联网体系架构、业务模型、多址接入、干扰分析与频谱共享等方面的研究,以期为实现我国未来卫星物联网的跨越式发展提供一些理论基础。论文主要研究内容如下:(1)传统卫星通信系统与地面通信系统相互独立、融合互通性差,难以满足未来物联网“万物互联”的需求。针对该问题,论文在卫星网络与地面网络融合研究基础上,借鉴地面5G移动通信的先进思想,结合卫星物联网潜在的应用需求提出了天地融合的低轨卫星物联网体系架构。同时,考虑系统资源开销与潜在应用场景,基于该架构提出面向轻量级控制的高效可信通信流程。最后,利用该架构的天地融合设计,从系统资源灵活调度与使用的角度提出天地协同组网机理,研究星地联合接入调度框架与分簇协作传输机制,通过上述设计为系统资源的合理分配与灵活调度提供基础。(2)在未来低轨卫星物联网全球化、多领域的应用趋势下,低轨卫星星座的高动态以及物联网业务分布的不均匀性将会给系统的性能带来不利影响。针对该问题,论文在对低轨卫星物联网的潜在应用类型和业务种类进行梳理和分析的基础上,研究卫星物联网应用的全球分布趋势,提出基于随机变参分析的全球物联网业务分布模型;在此模型基础上,结合卫星的运动规律对系统中不同节点不同时刻的业务量进行分析;通过遍历分析系统中的节点,明确卫星物联网应用分布对系统性能产生的影响,为设计更加合理的系统资源分配方式提供支撑。(3)未来全球覆盖、海量接入的服务场景下,低轨卫星物联网系统中单节点将不可避免地遭遇用户数据碰撞问题。针对该问题,论文在随机多址接入技术研究基础上,结合低轨卫星动态特性与功率差异,提出一种基于导航辅助及环状功率控制的上行准同步容碰撞随机接入方案;该方案利用导航信息完成准同步接入从而简化收端设计,同时,利用环状功率控制提升系统的捕获效率;随后,对系统的捕获性能进行了理论分析;最后,通过仿真分析,验证了功率控制对系统捕获效率的提升作用,并验证了所提方案在低轨卫星物联接入场景下较同类型方案在系统吞吐率上有显著提升。(4)天地融合低轨卫星物联网作为空间信息网络的重要组成部分,在频谱资源严重不足的背景下,与网内其他系统及地面移动通信系统在频率共用时所产生的干扰问题将使全网高效运行受到掣肘。针对上述问题,论文立足天地融合低轨卫星物联网体系架构,提出了天地融合低轨卫星物联网系统干扰分析模型。在对低轨卫星物联网潜在的受干扰场景进行了梳理与分析的基础上,从时间、空间、频率、功率多个维度对空间节点可存在性进行了研究,结合卫星的运动规律提出了轨道和频率联合分析模型,以所提联合干扰分析模型为依托对卫星系统间干扰及星地干扰场景进行了分析;通过对所列潜在场景的细分深入探究,明确了与低轨卫星物联网共享频率的空、地节点对其产生的干扰情形;随后,针对低轨卫星物联网系统和地面移动系统之间进行频谱共享的其中一类场景,以发射功率和地面系统的干扰门限为约束,以最大化时延受限容量为优化目标提出了一种基于最优功率控制的频谱共享方法,为今后系统频率资源分配与频率共用设计提供理论支撑。


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