面向物联网的大容量卫星接入系统关键技术研究

Facing the demand of the future internet-of-thing to support a large capacity of users, the random access technique with high performance is in urgent requirement for the next generation satellite communication system to accomplish the random access procedures of a huge number of internet-of-thing subscribers. This project is on the background of the future space information network in ground monitoring, management, navigation, and emergency rescue. Aiming at improving the random access procedure of satellite communication systems that are based on the OFDMA techniques, this project majors in the researches on the theories and key technologies of resources allocation, protocols, codes design, and multi-user detection and estimation of the random access procedure, which enables massive internet-of thing users to access into the satellite communication systems in an effective way. This project aims at doing researches on theories and key technologies of the random access procedure for mobile satellite communication systems with a large capacity of internet-of-thing users, including the system modeling, overall scheme design, protocol improvement, frame design, codes design, and multi-user detection and estimation algorithms. This project is of great significance in enlarging the user capacity of and providing new services for the new generation satellite communications systems.

面向未来物联网业务对大容量用户的需求，新一代的卫星通信系统迫切需要高性能随机接入过程以实现海量物联网用户的有效接入。本项目以未来空间信息网络在地面监测与管理、导航定位和应急救援等的重大应用为研究背景，从卫星移动通信系统中的随机接入过程入手，结合未来卫星移动通信系统中OFDMA通信空口新体制，开展大容量物联网节点随机接入过程中的接入资源分配、接入协议、码集设计、多用户检测与多用户多参数估计等信息与信号处理理论和关键技术研究，解决海量物联网节点有效地接入卫星通信平台的问题。主要的研究内容包括面向大容量物联网节点的卫星移动通信系统随机接入过程建模、卫星物联网随机接入总体方案设计、接入信号结构设计、接入码集设计以及多用户检测和参数估计算法等方面的理论与技术研究工作。该项目的研究对于新一代卫星通信系统用户容量的提升和新业务的拓展具有重要的意义.

本项目以未来空间信息网络在地面的监测、管理、导航定位和应急救援等重大应用为研究背景，从卫星物联网中的随机接入过程入手，研究了大容量卫星物联网系统中的关键技术，包括卫星物联网接入方案分析与论证、卫星物联网随机接入系统模型、随机接入方案研究、负载估计和拥塞控制方面的研究以及多用户参数估计和多用户检测算法研究。在接入方案分析与论证方面，针对大容量卫星物联网的特点，论证了随机接入方案是最适合卫星网络的多址方案。在卫星物联网随机接入系统模型方面，给出了应用场景，建立了卫星随机接入系统模型。在大容量卫星物联网随机接入方案中，从现有的问题出发，分别从物理层、MAC层、以及物理层和MAC层跨层联合等不同角度，提出了先进的随机接入协议，从不同角度利用不同的技术手段去提高系统的吞吐量。例如提出的预加权竞争解决分集时隙ALOHA（PW-CRDSA）方案、基于Q学习的时隙选择方案、非正交时隙ALOHA （NOSA）方案、随机模式复用（RPM-RA）方案、极化MIMO时隙ALOHA（PMSA）方案、多星协作随机接入（MSC-RA）方案等等。在负载估计和预测方面，提出了基于MPR与SVM的性能优良的负载估计与预测方法。同时研究了Q学习方案用于接入控制方面所带来的性能增益。在接入信号结构与接入码集设计研究方面，提出了采用低峰均比且对时频偏鲁棒的SC-IFDMA信号传输结构与码集设计方法。在多用户参数估计和多用户检测算法研究方面，提出了基于基扩展模型的迭代参数估计与多用户检测算法，该算法对时频偏鲁棒，参数估计精度和多用户检测性能均有提升。项目成员在核心期刊发表论文15篇，国际会议2篇，其中SCI检索6篇，SCI待检索1篇，SCI已录用2篇，ESCI待检索1篇，EI检索9篇，EI待检索2篇，EI已录用2篇。ISTP检索1篇。申请国家发明专利7项，培养博士生5名，硕士生7名。该项目成果对未来卫星网络随机接入系统以及地面无线网络随机接入系统的研究具有非常重要的参考价值。