本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，涉及一種低軌衛(wèi)星下動(dòng)態(tài)時(shí)隙優(yōu)化的免授權(quán)接入方法。

背景技術(shù)：

1、在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的產(chǎn)業(yè)革命浪潮下，全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型正催生出泛在化、高并發(fā)的通信需求。眾多應(yīng)用領(lǐng)域迫切需要隨時(shí)隨地進(jìn)行寬帶多址接入的能力，例如，智能農(nóng)業(yè)中的土壤墑情監(jiān)測(cè)陣列、智能制造中的工業(yè)機(jī)械臂協(xié)同網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)中的毫秒級(jí)故障定位系統(tǒng)以及民航客機(jī)超低時(shí)延機(jī)上娛樂(lè)系統(tǒng)等新興場(chǎng)景，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)提出了革命性要求：需在任意地理坐標(biāo)、任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)支持超萬(wàn)級(jí)終端/平方公里的非正交多址接入能力。

2、當(dāng)前地面通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正面臨三重根本性挑戰(zhàn)：其一，蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋呈現(xiàn)顯著的城市化集聚效應(yīng)，而在沙漠、海洋、極地等特殊場(chǎng)景中，單基站覆蓋成本高；其二，傳統(tǒng)基于調(diào)度的授權(quán)接入機(jī)制(如lte?rach流程)在終端密度高，其導(dǎo)頻碰撞概率呈指數(shù)級(jí)上升，接入成功率大大降低；其三，固定幀結(jié)構(gòu)的資源分配模式難以適配mmtc業(yè)務(wù)的突發(fā)性特征，導(dǎo)致頻譜利用率不足，造成嚴(yán)重的資源空置與競(jìng)爭(zhēng)擁塞并存現(xiàn)象。

3、在此背景下，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)(leo-siot)系統(tǒng)憑借其物理層優(yōu)勢(shì)成為破局關(guān)鍵：由spacex第二代星鏈衛(wèi)星(軌道高度340km)、telesat?lightspeed星座(1015km)構(gòu)成的近地衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可提供端到端傳播時(shí)延7-15ms、單星瞬時(shí)覆蓋直徑達(dá)1900km的泛在服務(wù)能力。特別值得關(guān)注的是，國(guó)際電信聯(lián)盟(itu)在2024年發(fā)布的《星地融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)白皮書》中明確指出，leo衛(wèi)星系統(tǒng)的每比特傳輸成本已降至地面基站的1/8，且在用戶分布稀疏區(qū)域的服務(wù)連續(xù)性提升達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)。由于衛(wèi)星和用戶相距數(shù)百或數(shù)千公里。免授權(quán)隨機(jī)接入可以減少總接入延遲中的傳播延遲，以及傳統(tǒng)基于授權(quán)方案中產(chǎn)生的信令開(kāi)銷。對(duì)于免授權(quán)隨機(jī)接入系統(tǒng)，每個(gè)激活的用戶從預(yù)定義的導(dǎo)頻序列集中隨機(jī)選擇一個(gè)導(dǎo)頻序列，然后與數(shù)據(jù)有效載荷一起更新到低軌衛(wèi)星，這可以減輕系統(tǒng)過(guò)載和導(dǎo)頻沖突。因此，對(duì)于s-iot來(lái)說(shuō)，傾向于分散導(dǎo)頻分配并采用免授權(quán)隨機(jī)接入是一種選擇。因此結(jié)合低軌衛(wèi)星的特點(diǎn)，根據(jù)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配從而減少開(kāi)銷具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種低軌衛(wèi)星下動(dòng)態(tài)時(shí)隙優(yōu)化的免授權(quán)接入方法，以解決衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中隨機(jī)接入?yún)f(xié)議面臨的信息時(shí)效性滯后、資源分配效率低下及導(dǎo)頻沖突頻發(fā)等問(wèn)題，降低高負(fù)載場(chǎng)景下的接入失敗概率，提升信道資源利用率，保障信息的有效更新與可靠傳輸。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種低軌衛(wèi)星下動(dòng)態(tài)時(shí)隙優(yōu)化的免授權(quán)接入方法，具體包括以下步驟：

4、s1：動(dòng)態(tài)調(diào)整接入時(shí)隙數(shù)量；

5、s2：智能導(dǎo)頻選擇；

6、s3：衛(wèi)星信號(hào)處理與反饋；

7、s4：時(shí)隙導(dǎo)頻估計(jì)與緩存處理；

8、s5：數(shù)據(jù)解碼，狀態(tài)更新及性能優(yōu)化。

9、進(jìn)一步，步驟s1中，所述動(dòng)態(tài)調(diào)整接入時(shí)隙數(shù)量具體包括以下步驟：

10、s11：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)備活動(dòng)情況，計(jì)算活動(dòng)設(shè)備比例ρ＝ka/ktotal，其中ka是某一時(shí)刻活動(dòng)設(shè)備數(shù)量，ktotal是系統(tǒng)中設(shè)備總數(shù)量，此過(guò)程可確保獲取的設(shè)備活動(dòng)信息準(zhǔn)確、及時(shí)，為后續(xù)時(shí)隙調(diào)整提供可靠依據(jù)；

11、s12：將活動(dòng)設(shè)備比例ρ與預(yù)設(shè)的下限閾值ρmin和上限閾值ρmax進(jìn)行比較，這些閾值并非固定不變，而是根據(jù)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)以及不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和智能算法動(dòng)態(tài)確定，以適應(yīng)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；

12、s13：按照比較后的結(jié)果增加或者減少接入時(shí)隙，并確保接入時(shí)隙數(shù)量n滿足衛(wèi)星鏈路相關(guān)約束條件。

13、進(jìn)一步，步驟s13具體包括以下步驟：

14、s131：確定當(dāng)前時(shí)隙數(shù)量n；

15、s132：判斷活動(dòng)設(shè)備比例ρ的影響，根據(jù)以下情況變換時(shí)隙數(shù)量；

16、

17、其中，α1和α2是資源回收效率系數(shù)；

18、s133：完成時(shí)隙數(shù)量變化并確認(rèn)滿足衛(wèi)星鏈路約束條件。

19、進(jìn)一步，步驟s133中，在調(diào)整時(shí)隙數(shù)量后，通過(guò)一系列的鏈路質(zhì)量檢測(cè)手段，包括信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)或誤碼率分析等，確保新的時(shí)隙數(shù)量不會(huì)對(duì)衛(wèi)星鏈路的穩(wěn)定性和可靠性造成負(fù)面影響，保障通信的順暢進(jìn)行。

20、信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)具體為：對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(rssi)進(jìn)行采集。依據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型和當(dāng)前環(huán)境狀況，動(dòng)態(tài)設(shè)定rssi的合理閾值范圍。

21、誤碼率分析具體為：在衛(wèi)星接收設(shè)備的解調(diào)模塊之后以及地面接收站，分別對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)。對(duì)比發(fā)送端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和接收端接收到的數(shù)據(jù)，精確計(jì)算錯(cuò)誤碼元的數(shù)量，進(jìn)而得出誤碼率(ber)。例如，每傳輸10000比特?cái)?shù)據(jù)，就統(tǒng)計(jì)其中錯(cuò)誤比特的數(shù)量，并計(jì)算誤碼率。

22、進(jìn)一步，步驟s2中，所述智能導(dǎo)頻選擇具體包括以下步驟：

23、s21：設(shè)備獲取系統(tǒng)當(dāng)前活動(dòng)設(shè)備數(shù)量、自身優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率，以及所有導(dǎo)頻的歷史使用記錄和沖突次數(shù)；

24、s22：計(jì)算每個(gè)導(dǎo)頻的接入頻率、負(fù)載指標(biāo)、歷史沖突率；

25、s23：根據(jù)s22的指標(biāo)計(jì)算評(píng)估指標(biāo)sj，并選擇sj值最小的導(dǎo)頻作為本次接入導(dǎo)頻，且定期更新導(dǎo)頻的歷史使用記錄和沖突次數(shù)。

26、進(jìn)一步，步驟s22中，計(jì)算歷史沖突率的公式為：

27、

28、其中，t表示時(shí)間周期，cj,t和hj,t分別表示在第t時(shí)間單位內(nèi)導(dǎo)頻pj的沖突次數(shù)和使用次數(shù)，wt是時(shí)間權(quán)重系數(shù)，滿足且一般情況下，距離當(dāng)前時(shí)間越近的時(shí)間單位，wt取值越大，以突出近期沖突情況的重要性。

29、計(jì)算負(fù)載指標(biāo)的公式為：

30、

31、其中，fij表示第i個(gè)活動(dòng)設(shè)備對(duì)導(dǎo)頻pj的接入頻率，ka表示活動(dòng)設(shè)備數(shù)量。為了準(zhǔn)確獲取pj，系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)間單位內(nèi)統(tǒng)計(jì)每個(gè)活動(dòng)設(shè)備對(duì)各個(gè)導(dǎo)頻的接入嘗試次數(shù)。權(quán)重系數(shù)wi的確定方法如下：設(shè)備的優(yōu)先級(jí)為pi，數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率為ri，則wi＝α1pi+α2ri，其中α1和α2為權(quán)重調(diào)整參數(shù)。

32、進(jìn)一步，步驟s23中，計(jì)算評(píng)估指標(biāo)sj的公式為：

33、sj＝αlj+(1-α)rj

34、其中，α是權(quán)重系數(shù)，lj是負(fù)載指標(biāo)，rj是歷史沖突率。

35、進(jìn)一步，步驟s3中，所述衛(wèi)星信號(hào)處理與反饋具體包括以下步驟：

36、s31：每個(gè)傳輸幀開(kāi)始前，衛(wèi)星向所有用戶設(shè)備廣播初始化信息，包括可用導(dǎo)頻集、初始接入時(shí)隙數(shù)量以及同步信號(hào)；

37、s32：在第一個(gè)接入時(shí)隙，激活用戶按智能導(dǎo)頻選擇機(jī)制選擇導(dǎo)頻發(fā)送給衛(wèi)星；

38、s33：衛(wèi)星根據(jù)接收到的信號(hào)功率及統(tǒng)計(jì)信道信息識(shí)別導(dǎo)頻序列狀態(tài)，分為空閑導(dǎo)頻、單獨(dú)導(dǎo)頻和沖突導(dǎo)頻，對(duì)單獨(dú)導(dǎo)頻立即解碼數(shù)據(jù)載荷，記錄空閑導(dǎo)頻和沖突導(dǎo)頻信息，并向涉及用戶反饋沖突情況，重新反饋剩余導(dǎo)頻集。

39、進(jìn)一步，步驟s4中，所述時(shí)隙導(dǎo)頻估計(jì)與緩存處理具體包括以下步驟：

40、s41：在后續(xù)的n-1個(gè)接入時(shí)隙中，衛(wèi)星估計(jì)接收到的導(dǎo)頻序列，識(shí)別單一導(dǎo)頻序列，并將發(fā)生碰撞的設(shè)備緩存起來(lái)；

41、s42：當(dāng)?shù)趎個(gè)時(shí)隙結(jié)束時(shí)，衛(wèi)星先通過(guò)單獨(dú)導(dǎo)頻序列恢復(fù)狀態(tài)數(shù)據(jù)包，若緩沖區(qū)中仍有潛在沖突用戶數(shù)據(jù)，則通過(guò)已恢復(fù)的單獨(dú)用戶執(zhí)行連續(xù)干擾消除，以恢復(fù)發(fā)生碰撞的用戶數(shù)據(jù)。

42、進(jìn)一步，步驟s5具體包括以下步驟：

43、s51：衛(wèi)星成功解碼所有數(shù)據(jù)后，向相應(yīng)用戶發(fā)送確認(rèn)(ack)信號(hào)；

44、s52：用戶收到確認(rèn)(ack)信號(hào)后，更新其內(nèi)部狀態(tài)；

45、s52：進(jìn)行馬爾可夫分析，具體包括平均信息年齡優(yōu)化、系統(tǒng)吞吐量最大化、最優(yōu)接入時(shí)隙，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。

46、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明針對(duì)在衛(wèi)星iot場(chǎng)景中，由于衛(wèi)星接入過(guò)程中導(dǎo)頻選擇機(jī)制缺乏實(shí)時(shí)智能決策，長(zhǎng)傳播延遲和突發(fā)的用戶設(shè)備傳輸導(dǎo)致衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中信息擁塞，特別是在ra(隨機(jī)接入)過(guò)程中嚴(yán)重影響協(xié)議和系統(tǒng)性能的問(wèn)題，提出了一種低軌衛(wèi)星下動(dòng)態(tài)時(shí)隙優(yōu)化的免授權(quán)接入方法。通過(guò)對(duì)衛(wèi)星接入部分的改進(jìn)，即通過(guò)構(gòu)建動(dòng)態(tài)時(shí)隙優(yōu)化框架與智能導(dǎo)頻決策系統(tǒng)，降低了低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)(leo-siot)高負(fù)載場(chǎng)景下的接入失敗概率，提升了信道資源利用率，保障了信息的有效更新與可靠傳輸。

47、本發(fā)明方法具體采用：(1)動(dòng)態(tài)調(diào)整接入時(shí)隙數(shù)量，依據(jù)系統(tǒng)中活動(dòng)設(shè)備比例與預(yù)設(shè)閾值對(duì)比結(jié)果進(jìn)行時(shí)隙數(shù)量的增減；(2)采用負(fù)載感知智能導(dǎo)頻選擇機(jī)制，設(shè)備參考系統(tǒng)實(shí)時(shí)負(fù)載信息挑選沖突少的導(dǎo)頻；(3)衛(wèi)星接收信號(hào)后識(shí)別導(dǎo)頻狀態(tài)并反饋給用戶，同時(shí)記錄相關(guān)信息；(4)衛(wèi)星在后續(xù)時(shí)隙進(jìn)行導(dǎo)頻估計(jì)與緩存處理，利用連續(xù)干擾消除恢復(fù)沖突用戶數(shù)據(jù)；(5)完成數(shù)據(jù)解碼后衛(wèi)星向用戶發(fā)送確認(rèn)信號(hào)；重新發(fā)送后完成隨機(jī)接入部分。本發(fā)明有效解決了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中隨機(jī)接入?yún)f(xié)議面臨的信息時(shí)效性滯后、資源分配效率低下及導(dǎo)頻沖突頻發(fā)等問(wèn)題，降低了高負(fù)載場(chǎng)景下的接入失敗概率，提升了信道資源利用率，保障了信息的有效更新與可靠傳輸。

48、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。