文|九鹏举
编辑|九鹏举
物联网（InternetofThings,IoT）即“万物互联的互联网”，自提出开始就一直就是研究的热门领域。
物联网的目标是通过各种信息传感器、射频识别技术、红外感应器和激光扫描器等各种技术与设备，实时的采集任何需要监控、连接的物体或过程。
并对其采集到的光、热、电力、位置等信息通过各种类型的网络接入，实现对物品或过程的智能化感知、识别和管理。
它将传统人与人之间的通信模式扩展为人与物的通信，物与物的通信，实现了人、物、机之间的互通互联。
物联网的结构从上至下大致可分为应用层，网络层和感知层三层。
感知层可分为数据采集和数据处理两个部分，数据采集部分的作用是获取环境信息，数据处理部分的作用则是将获取到的信息转变为可在网络中传输的信号。
网络层则是指移动通信网、互联网和其他网络，用来在整个网络中传递信息。
传统的物联网可以通过像WIFI和蓝牙等方式进行数据传输。
近年来提出的NB-IoT（NarrowBandInternetofThings，窄带物联网）、LoR等技术是为物联网中的远距离传输提供服务。
当信息传输到应用层，则会对接收到的信息进行处理并应用，但因为物联网的应用场景广泛，也带来了更多的挑战与阻碍。
首先是物联网很多终端分布在偏远地区，此类区域包含范围较大且人烟稀少，终端分布的也较为分散。
在这种情况下再像陆地人口集中的地方建造基站就不太划算。
其次有些终端监测自然灾害和环境被安置在沙漠和海洋等区域，无法建设基站。
最后当面对自然灾害，陆地基站易被摧毁，终端便无法向外界传递相应的信息。
因此，物联网仅使用陆地移动通信网进行信息传递会存在一些无法解决的问题针对上述的陆地移动通信的缺点，卫星通信可以作为一个非常好的补充。
首先卫星部署在太空中，不会像地面基站那样受制于地理位置，也不用担心自然灾害带来的损失。
最重要的是卫星可对地球进行广域的覆盖，实现全天候和无死角的信息覆盖。
自1970年开始，大陆已经有半世纪的卫星发展史。在2016年，大陆发射了国内第一颗移动通信卫星“天通01星”。
随着“一带一路”空间信息走廊的规划与实施，大陆的天基网络发展正迈向一个新台阶。
同时大陆也在大力发展卫星星座的设计，用以实现全球的数据交换和通讯，并努力实现商用。
其中较为出名的有“鸿雁星座”和“行云工程”，随着国内与国外的卫星通信技术发展，将卫星通信系统与传统地面通信系统相结合，让卫星物联网弥补上地面物联网的不足，从而达到“万物互联”和地球全覆盖的目标。
地面物联网中常见的NB-IoT和LoRa等相关技术均是针对地面蜂窝系统设计的，因而不完全适合卫星物联网的传输机制，需要研究适合卫星物联网场景的多址接入技术。
多址接入的目的是从各种不同的维度去分配系统资源，使得系统资吞吐量、丢包率与延时得到最大的、优化。
在地面移动通信网中，多址接入技术的发展从一开始的TDMA/FDMA到3G时的CDMA，再到4G时的OFDMA。
但是卫星物联网与地面移动通信的接入需求和接入对象都有所不同，所以要设计适应卫星物联网的接入协议。
这里我们先介绍了卫星物联网的组成结构和其对应的终端业务特征，并将卫星物联网和地面物联网其各自的指标做了对比。
其次从数学推导和实际仿真介绍了传统的随机接入协议，并分析传统的随机接入协议其各自的优缺点。
卫星物联网系统架构
卫星物联网系统是以卫星通信系统为基础，结合了卫星导航、遥感等技术，以实现万物间互联的综合信息系统。
如下图所示，卫星物联网系统大致可由部署在地球上空的卫星，用于感知信号的终端和用于接收卫星信号的信关站所组成。
终端是由各种类型的物联网传感器组成，它们大都被安置在偏远区域用以采集温度数据、湿度数据、PH等信息。
卫星则对接收到的物联网终端信息进行转发，地面信关站对接收到的信息进行相应的处理和存储。
与传统的地面物联网相比，卫星物联网的抗摧毁能力较为突出。
因为卫星是环绕在地球表面，距离地球表面有着较远的距离。像地震、海啸等自然灾害爆发的情况下，依然能进行工作。
卫星物联网的覆盖范围较广，因为卫星分布在不同的轨道并且卫星的波束范围较广，可对海洋、陆地和天空等区域进行全方面的覆盖。
卫星物联网的应用范围较广，它不仅仅可以进行周边环境监测、灾害监测等数据采集类的终端服务，其还可以对交通状况、自然灾害情况进行相应的数据广播。
下表是卫星物联网和地面物联网的比较。
卫星物联网业务特点
将卫星物联网按照流量的业务类型进行分类可分成数据采集类、数据广播类和指挥控制与交互类这三类。
其中将数据采集类根据业务传输的速率高低又可以分为参数采集类业务和视频/图像采集类业务。
其中参数采集类的业务一般传输速率较低，一般对时间也不敏感。
视频/图像采集类的业务往往传输速率比较的高，其中有对时间敏感的，也有不对时间敏感的。
数据广播类的传输速率则不一定，有高传输速率的业务也有低传输速率的业务。
指挥控制和交互类则传输速率相对较低，但其对时间较为敏感。
在卫星物联网的场景中，主要的业务是数据采集类型。这种类型的业务往往数据量较小，对终端设备的硬件条件没有过高的要求。
数据采集型的终端有两种较为基本的业务模式，第一种是具有固定周期的，终端每过一个周期时间就会发送数据信号。第二种是由事件驱动的，当满足终端发送信号的条件时，终端便会发送相应的信息。
其中周期更新型的终端是用来传输常规测量信息，其进行传输的时间间隔往往是服务器提前设置好的，比如远程抄表业务。
事件驱动型业务是有着预定门限，如果终端测量的参数达到了预定门限，终端便会触发并传送相应的数据。
这类业务一般对实时性的要求较高，典型的事件驱动型上行业务包括健康信息监测，下行业务一般是像海啸/地震这类自然灾害的预警。
无论是周期更新型还是事件驱动型业务，这类业务的数据量和占空比往往是比较小的，事件驱动型业务往往具有突发性。
虽然在卫星的波束覆盖范围内，终端数量比较的多，但是在同一时刻活跃的终端数量并不是很多。
下表总结了一些典型的数据采集类业务的参数。
卫星物联网系统中的多址接入
在卫星物联网场景中很多地方都涉及专门的接入协议，无论是地面终端向卫星传输信号还是卫星与卫星之间传输信号，或者是卫星向地面信关站传输通信信号，都需要专门设计符合接入场景的接入协议。
这里谈论的接入协议其所运用的场景是卫星物联网终端与通信卫星之间的通信。
ALOHA接入协议
ALOHA协议诞生于1968年的夏威夷大学并于1971年投入了使用。
其诞生的初始目的是为了实现夏威夷诸岛上的用户在同一个信道进行通信的目标。
ALOHA协议规定：任何终端节点在生成数据包以后，可以想发就发，不用管是否有其他的终端正在占用着信道。
数据包发送成功还是失败可以根据反馈机制来确定。
如果接收机没有接收到信号，则就会认为当前的系统处于拥塞状态且不适合用来传输数据，会随机退避一段时间再重新发送数据。
ALOHA的接入协议示意图如下图所示，终端1发送的数据包在其对应的时间上没有其他终端也发送数据包，此时终端1发送的数据包在接收端可以被成功接收。
但终端2发送数据包的时间和终端3发送数据包的时间发生了部分重叠，接收端便无法成功接收终端2和终端3的数据包。
终端2和终端3发送数据包失败，后续会退避一段时间再重新进行发送。
卫星物联网在未来有着巨大的发展潜力，但与此同时也带来了大量的技术挑战。
其中由于卫星覆盖范围较广，会面对海量终端连接的情形。
卫星物联网下终端的业务大多数据量较小，传输占空比较小并且具有突发性。
卫星首先获取由物联网终端传来的数据，并将接收到的数据信息再下发到地面信关站进行处理。
在这个过程中，由于海量终端发送数据包，传统资源分配式的接入方式往往会带来更为复杂的信令交互，使得物联网终端的功耗增加从而缩短终端寿命。
并且随着物联网终端部署的逐渐增多，碰撞现象就会更加剧烈。
数据包的大量碰撞会降低网络中的吞吐量，限制系统实际容量上限。
基于上述现象，需要研究适合卫星物联网场景下的接入技术，在不同的接入系统中，控制方式和多址接入方式都会有相应的变化。
这些要求都给卫星物联网中的接入协议研究带来了相应的挑战。
多址接入的核心思想就在于从不同维度去分配资源，从而最大保证最终的接入效果。面对网络容量的日益增加，提高系统的灵活性，增加接入的吞吐量，降低丢包率都是较为棘手的问题。