面向天基物联网的大容量M2M随机接入关键技术研究

Satellite communication can provide unique advantages for machine-to-machine (M2M) applications, and consequently be the key to realize satellite-based Internet of Things (IoT). However, due to its characteristics of wide coverage, large delay and limited load, the improvement of access efficiency and performance will face severe challenges for a huge number of M2M users. To deal with the massive access preamble conflicts, network overload congestion, and low efficiency of data transmission in large-scale satellite-M2M communication scenarios, this project researches on the key technologies for efficient and high-capacity random access from the following three aspects: 1. Competition resource expansion. In this project, the method of M2M random access preamble conflict mitigation is studied, and the high-capacity M2M access preamble set and its dynamic partitioning schemes are designed to restrain the preamble conflict collision to the maximum extent. 2. Access mechanism optimization. An overload control mechanism based on distributed queuing (DQ) is proposed to further reduce access delay, by designing the schemes of real-time conflict resolution and optimization merging of queue grouping. 3. Efficient resources reuse. Sparse coding multiple access (SCMA) technology is used to construct the random access process compatible with data transmission, and the resource allocation method with the optimal balance of delay and capacity is presented to improve the resource utilization rate while ensuring the reliable success rate of M2M user access. Aforementioned research issues in this project will provide key technical support for the realization of efficient and high-capacity M2M user access in the satellite-based IoT.

卫星通信能够为M2M应用提供独特的通信优势，是实现天基物联网的关键所在，而其广覆盖、大时延、载荷受限等特性，给海量M2M用户的接入效率与性能提升带来严峻挑战。本项目针对卫星大规模M2M通信场景中存在的大量前导冲突、网络过载拥塞以及数据传输低效问题，从三个方面展开高效、大容量M2M随机接入技术的研究：1.竞争资源扩容。研究M2M随机接入冲突抑制方法，通过设计大容量M2M接入前导集及其动态划分方案，最大限度抑制前导冲突碰撞。2.接入机制优化。研究基于分布式队列的过载控制机制，并提出实时冲突解决与队列分组优化合并策略，进一步降低接入时延。3.资源高效复用。利用稀疏编码多址接入技术构建数传协同的随机接入过程，研究时延与容量最佳均衡的资源分配方法，在保证用户接入成功率的前提下提高资源利用率。本项目的研究将为实现天基物联网中高效、大容量的M2M用户接入提供关键技术支撑。

针对天基物联网中由海量用户并发接入引起的前导冲突、网络过载以及数传低效三大关键挑战，本项目从竞争资源、接入机制、数传策略等方面入手，着重研究了适用于卫星M2M通信的高效、大容量随机接入技术，主要内容包括：1）综合考虑卫星通信系统特性及M2M设备特点，利用ZC序列及其变形设计了多种序列级联长前导构建方案及其检测算法，有效扩充了前导序列集容量并降低发送能耗，实现了大频偏、低信干噪比、非视距场景中的用户一次接入成功率和定时检测精度的显著提升。2）针对传统随机接入冲突检测方案的低时效和资源浪费问题，利用用户位置和卫星星历信息提前补偿时偏和频偏，分别提出基于标签前导和单根前导的预先冲突检测方法，在随机接入过程的第一步便实现了快速冲突检测与负载估计，有效提升接入用户的资源利用率并抑制非正交多址干扰。3）基于提出的冲突检测方法，利用分布式队列机制在过载控制方面的优势，提出基于动态DQ的随机接入协议及其理论分析框架，进一步增强了空口MAC层接入能力，确保了海量用户的有序、稳健接入。4）为有效维持上行同步以确保数据传输可靠性，提出一种基于四阶统计量的定时提前更新算法，不但能够同时提升虚警与漏检时的检测性能，而且具有更优的动态门限范围和定时估计精度。本研究的相关成果创新并完善了卫星大规模随机接入理论，可为天基物联网建设提供有力支撑，也可为6G中天地一体融合空口的研究提供前瞻借鉴。. 在本项目资助下，共发表学术论文16篇，其中SCI期刊论文6篇，EI国际会议论文10篇，入选ESI热点论文1篇、高被引论文2篇；申请发明专利5项；培养硕士研究生8名；参加国际会议5次。在项目执行期内，项目负责人获陕西省自然科学优秀论文二等奖1项，先后入选陕西省高校“青年杰出人才支持计划”、陕西省“青年科技新星”。