基于扩频ALOHA的卫星随机接入拥塞控制研究

【摘要】：随着信息化社会的高速发展,地面网络已经不能完全满足人们对通信服务的需求。卫星通信作为地面网络的补充和延伸,是实现全球无缝网络通信的重要组成部分。卫星通信具有建设速度快、不易受陆地灾害影响和保密性强等优点,在抗险救灾等场景中的作用无可替代。由于卫星资源稀缺,人们往往希望将卫星资源利用到极致。然而,大量用户接入同一卫星容易产生拥塞,因此急需解决用户终端对卫星的随机接入引起的拥塞问题。同步地球轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)卫星通信系统信号传输时延长,若采用冲突后再退避的拥塞控制方案,会引入非常大的时延。与此同时,由于卫星波束有限,往往采用波束跳变方式实现大范围覆盖,在这种情况下,卫星无法准确获知发起接入请求的用户数量,这给接入拥塞控制带来了极大挑战。本文主要研究基于扩频ALOHA的GEO卫星接入拥塞控制问题,根据GEO卫星波束跳变的特点,利用历史记录预测波束下一跳区域范围内发起接入请求的用户数量,估计接入拥塞程度并事先采取拥塞控制措施,尽量避免用户冲突和提高接入率。基于此,本文的主要研究内容如下:(1)基于区域热力值预测的拥塞控制研究。针对一天中某段时间内因工作需要而有规律对GEO卫星提出接入请求的情况,通过最小二乘法拟合预测波束覆盖区域内热力值的大小,当感知到可能发生拥塞时,通过调整用户发送接入申请的概率,随机禁止部分用户对卫星的接入来控制拥塞和改善平均接入时延。(2)在基于扩频ALOHA的卫星随机接入过程中,研究基于优先级的接入控制策略。为了降低高优先级用户的接入时延,采用时间分集策略。低优先级用户发送接入请求后便进入等待响应阶段,若失败则重新发起接入请求。高优先级用户比低优先级用户增加了一个主动重发过程,即每次连续发送Z(Z1)次接入请求而不考虑第一个接入请求是否被正确接收。本文还分析了不同的扩频码长对该方案的影响,在扩频码较长的情况下,这种分优先级时间分集策略能提高高优先级用户的接入量。仿真结果表明,在高优先级用户占比较低的情况下,高优先级用户的接入时延得到较好的改善。