文|九鵬舉
編輯|九鵬舉
物聯網（InternetofThings,IoT）即“萬物互聯的網際網路”，自提出開始就一直就是研究的熱門領域。
物聯網的目标是通過各種資訊傳感器、射頻識别技術、紅外感應器和雷射掃描器等各種技術與裝置，實時的采集任何需要監控、連接配接的物體或過程。
并對其采集到的光、熱、電力、位置等資訊通過各種類型的網絡接入，實作對物品或過程的智能化感覺、識别和管理。
它将傳統人與人之間的通信模式擴充為人與物的通信，物與物的通信，實作了人、物、機之間的互通互聯。
物聯網的結構從上至下大緻可分為應用層，網絡層和感覺層三層。
感覺層可分為資料采集和資料處理兩個部分，資料采集部分的作用是擷取環境資訊，資料處理部分的作用則是将擷取到的資訊轉變為可在網絡中傳輸的信号。
網絡層則是指移動通信網、網際網路和其他網絡，用來在整個網絡中傳遞資訊。
傳統的物聯網可以通過像WIFI和藍牙等方式進行資料傳輸。
近年來提出的NB-IoT（NarrowBandInternetofThings，窄帶物聯網）、LoR等技術是為物聯網中的遠距離傳輸提供服務。
當資訊傳輸到應用層，則會對接收到的資訊進行處理并應用，但因為物聯網的應用場景廣泛，也帶來了更多的挑戰與阻礙。
首先是物聯網很多終端分布在偏遠地區，此類區域包含範圍較大且人煙稀少，終端分布的也較為分散。
在這種情況下再像陸地人口集中的地方建造基站就不太劃算。
其次有些終端監測自然災害和環境被安置在沙漠和海洋等區域，無法建設基站。
最後當面對自然災害，陸地基站易被摧毀，終端便無法向外界傳遞相應的資訊。
是以，物聯網僅使用陸地移動通信網進行資訊傳遞會存在一些無法解決的問題針對上述的陸地移動通信的缺點，衛星通信可以作為一個非常好的補充。
首先衛星部署在太空中，不會像地面基站那樣受制于地理位置，也不用擔心自然災害帶來的損失。
最重要的是衛星可對地球進行廣域的覆寫，實作全天候和無死角的資訊覆寫。
自1970年開始，大陸已經有半世紀的衛星發展史。在2016年，大陸發射了國内第一顆移動通信衛星“天通01星”。
随着“一帶一路”空間資訊走廊的規劃與實施，大陸的天基網絡發展正邁向一個新台階。
同時大陸也在大力發展衛星星座的設計，用以實作全球的資料交換和通訊，并努力實作商用。
其中較為出名的有“鴻雁星座”和“行雲工程”，随着國内與國外的衛星通信技術發展，将衛星通信系統與傳統地面通信系統相結合，讓衛星物聯網彌補上地面物聯網的不足，進而達到“萬物互聯”和地球全覆寫的目标。
地面物聯網中常見的NB-IoT和LoRa等相關技術均是針對地面蜂窩系統設計的，因而不完全适合衛星物聯網的傳輸機制，需要研究适合衛星物聯網場景的多址接入技術。
多址接入的目的是從各種不同的次元去配置設定系統資源，使得系統資吞吐量、丢包率與延時得到最大的、優化。
在地面移動通信網中，多址接入技術的發展從一開始的TDMA/FDMA到3G時的CDMA，再到4G時的OFDMA。
但是衛星物聯網與地面移動通信的接入需求和接入對象都有所不同，是以要設計适應衛星物聯網的接入協定。
這裡我們先介紹了衛星物聯網的組成結構和其對應的終端業務特征，并将衛星物聯網和地面物聯網其各自的名額做了對比。
其次從數學推導和實際仿真介紹了傳統的随機接入協定，并分析傳統的随機接入協定其各自的優缺點。
衛星物聯網系統架構
衛星物聯網系統是以衛星通信系統為基礎，結合了衛星導航、遙感等技術，以實作萬物間互聯的綜合資訊系統。
如下圖所示，衛星物聯網系統大緻可由部署在地球上空的衛星，用于感覺信号的終端和用于接收衛星信号的信關站所組成。
終端是由各種類型的物聯網傳感器組成，它們大都被安置在偏遠區域用以采集溫度資料、濕度資料、PH等資訊。
衛星則對接收到的物聯網終端資訊進行轉發，地面信關站對接收到的資訊進行相應的處理和存儲。
與傳統的地面物聯網相比，衛星物聯網的抗摧毀能力較為突出。
因為衛星是環繞在地球表面，距離地球表面有着較遠的距離。像地震、海嘯等自然災害爆發的情況下，依然能進行工作。
衛星物聯網的覆寫範圍較廣，因為衛星分布在不同的軌道并且衛星的波束範圍較廣，可對海洋、陸地和天空等區域進行全方面的覆寫。
衛星物聯網的應用範圍較廣，它不僅僅可以進行周邊環境監測、災害監測等資料采集類的終端服務，其還可以對交通狀況、自然災害情況進行相應的資料廣播。
下表是衛星物聯網和地面物聯網的比較。
衛星物聯網業務特點
将衛星物聯網按照流量的業務類型進行分類可分成資料采集類、資料廣播類和指揮控制與互動類這三類。
其中将資料采集類根據業務傳輸的速率高低又可以分為參數采集類業務和視訊/圖像采集類業務。
其中參數采集類的業務一般傳輸速率較低，一般對時間也不敏感。
視訊/圖像采集類的業務往往傳輸速率比較的高，其中有對時間敏感的，也有不對時間敏感的。
資料廣播類的傳輸速率則不一定，有高傳輸速率的業務也有低傳輸速率的業務。
指揮控制和互動類則傳輸速率相對較低，但其對時間較為敏感。
在衛星物聯網的場景中，主要的業務是資料采集類型。這種類型的業務往往資料量較小，對終端裝置的硬體條件沒有過高的要求。
資料采集型的終端有兩種較為基本的業務模式，第一種是具有固定周期的，終端每過一個周期時間就會發送資料信号。第二種是由事件驅動的，當滿足終端發送信号的條件時，終端便會發送相應的資訊。
其中周期更新型的終端是用來傳輸正常測量資訊，其進行傳輸的時間間隔往往是伺服器提前設定好的，比如遠端抄表業務。
事件驅動型業務是有着預定門限，如果終端測量的參數達到了預定門限，終端便會觸發并傳送相應的資料。
這類業務一般對實時性的要求較高，典型的事件驅動型上行業務包括健康資訊監測，下行業務一般是像海嘯/地震這類自然災害的預警。
無論是周期更新型還是事件驅動型業務，這類業務的資料量和占空比往往是比較小的，事件驅動型業務往往具有突發性。
雖然在衛星的波束覆寫範圍内，終端數量比較的多，但是在同一時刻活躍的終端數量并不是很多。
下表總結了一些典型的資料采集類業務的參數。
衛星物聯網系統中的多址接入
在衛星物聯網場景中很多地方都涉及專門的接入協定，無論是地面終端向衛星傳輸信号還是衛星與衛星之間傳輸信号，或者是衛星向地面信關站傳輸通信信号，都需要專門設計符合接入場景的接入協定。
這裡談論的接入協定其所運用的場景是衛星物聯網終端與通信衛星之間的通信。
ALOHA接入協定
ALOHA協定誕生于1968年的夏威夷大學并于1971年投入了使用。
其誕生的初始目的是為了實作夏威夷諸島上的使用者在同一個信道進行通信的目标。
ALOHA協定規定：任何終端節點在生成資料包以後，可以想發就發，不用管是否有其他的終端正在占用着信道。
資料包發送成功還是失敗可以根據回報機制來确定。
如果接收機沒有接收到信号，則就會認為目前的系統處于擁塞狀态且不适合用來傳輸資料，會随機退避一段時間再重新發送資料。
ALOHA的接入協定示意圖如下圖所示，終端1發送的資料包在其對應的時間上沒有其他終端也發送資料包，此時終端1發送的資料包在接收端可以被成功接收。
但終端2發送資料包的時間和終端3發送資料包的時間發生了部分重疊，接收端便無法成功接收終端2和終端3的資料包。
終端2和終端3發送資料包失敗，後續會退避一段時間再重新進行發送。
衛星物聯網在未來有着巨大的發展潛力，但與此同時也帶來了大量的技術挑戰。
其中由于衛星覆寫範圍較廣，會面對海量終端連接配接的情形。
衛星物聯網下終端的業務大多資料量較小，傳輸占空比較小并且具有突發性。
衛星首先擷取由物聯網終端傳來的資料，并将接收到的資料資訊再下發到地面信關站進行處理。
在這個過程中，由于海量終端發送資料包，傳統資源配置設定式的接入方式往往會帶來更為複雜的信令互動，使得物聯網終端的功耗增加進而縮短終端壽命。
并且随着物聯網終端部署的逐漸增多，碰撞現象就會更加劇烈。
資料包的大量碰撞會降低網絡中的吞吐量，限制系統實際容量上限。
基于上述現象，需要研究适合衛星物聯網場景下的接入技術，在不同的接入系統中，控制方式和多址接入方式都會有相應的變化。
這些要求都給衛星物聯網中的接入協定研究帶來了相應的挑戰。
多址接入的核心思想就在于從不同次元去配置設定資源，進而最大保證最終的接入效果。面對網絡容量的日益增加，提高系統的靈活性，增加接入的吞吐量，降低丢包率都是較為棘手的問題。