传感器数据收集卫星系统低功耗接入技术研究

• 作 者: 邓恬
• 出 处: 国防科技大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 传感器数据收集卫星系统 MAC协议 低功耗 LoRa 低轨卫星 无人机

传感器数据收集卫星(Sensor Data Collection Satellite,SDCS)系统作为地面传感网的重要补充,能有效填补偏远地区信息搜集的空白,形成天、空、地一体化的信息获取与传输系统。传感器终端一般部署在恶劣、无人值守的区域,能量补给困难,故在SDCS系统中设计低功耗接入协议具有重大实用价值。SDCS系统中的介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议设计受到卫星信道特性、终端低功耗等限制,面临节点能量有限、系统接入用户数量多、低轨卫星通信时间短的问题,而现有卫星接入协议不能很好的适用于SDCS系统。针对上述问题,论文对SDCS系统低功耗接入技术进行了以下几方面的研究。首先阐述了卫星数据收集系统的发展概况与接入技术研究现状,介绍了低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)的几种代表技术,指出LoRa(Long Range)技术及LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)协议的优势,并分析了其物理层、MAC层的特性。然后论文介绍了OPNET仿真平台的应用,包括网络域、节点域、进程域三层模型域,以及基于离散事件、数据包、接口控制信息的通信仿真机制。在该仿真平台上,论文设计了基于OPNET的SDCS系统模型,包括卫星轨道与无人机覆盖模型、系统物理层传输模型、系统节点模型。接着论文根据应用场景不同,设计了两种低功耗SDCS系统网络结构,包括基于空天接入和基于地面网关接入的SDCS系统网络结构。在空天接入的SDCS系统中,从基于位置信息自适应控制方案、自适应动态调整占空比方案、基于网络规模的重传机制三个方面来降低系统的能量消耗,延长网络的生存周期,有效提高网络的性能。在基于地面网关接入的SDCS系统中,相比空天接入架构增加地面网关,提供不间断通信机制,降低传感器终端的负载压力。在该架构中结合802.11的点协调功能(Point Coordination Function,PCF)和LoRaWAN的CLASS B模式,设计了一种基于可预见延迟的综合接入协议。在协议中分析了移动场景下的地面网关时间分配方案以及传感器终端开启的短接收窗口数量与信息中心的数据包生成速率的关系。论文的工作围绕SDCS系统的建模、协议设计展开,根据不同的应用场景提出不同的MAC接入协议,并通过仿真验证协议的有效性。