背景

幾年前，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的不斷發(fā)展就已經(jīng)成為事實。機器(節(jié)點)之間的相互通信，為智慧農(nóng)業(yè)、智能家居以及車聯(lián)網(wǎng)等一些應用鋪平了道路，這些應用有望對我們生活產(chǎn)生深遠的影響。

物聯(lián)網(wǎng)的關鍵要素之一就是，機器之間的無線通信，也稱為“機器到機器(M2M)”通信。與4G或者WiFi網(wǎng)絡等移動網(wǎng)絡不同，相當大比例的M2M通信都以非常低的傳輸速度、非常小的數(shù)據(jù)包和數(shù)量巨大的設備為特征。從協(xié)調(diào)電信網(wǎng)絡的角度來看，這些特征帶來了重大挑戰(zhàn)。

創(chuàng)新

由于通過衛(wèi)星實現(xiàn)了先進的隨機接入方案，最近的研究提出的高效率、低復雜度的算法，使衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)變得越來越容易實現(xiàn)。這項研究的論文發(fā)表在《國際衛(wèi)星通信與網(wǎng)絡雜志(International Journal of Satellite Communications and Networking)》上，論文作者包括信息和通信技術部(DTIC)和德國航空航天中心(DLR)研究員朱塞佩·科科(Giuseppe Cocco)以及歐洲航天局的研究人員。

技術

連接同一顆衛(wèi)星的傳感器數(shù)量可以非常多。

讓我們設想一株農(nóng)作物擁有一個連接至衛(wèi)星的濕度傳感器，只有當濕度低于特定臨界值時，衛(wèi)星才會傳輸信息。該傳感器可能長時間不發(fā)送任何信息，并且當它真正決定這么做時，數(shù)據(jù)量非常小(只有幾個比特)。在這種情況下，需要與衛(wèi)星網(wǎng)絡建立連接的控制數(shù)據(jù)的數(shù)量，可能會超過傳感器傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)(有效載荷)量。

盡管每個傳感器偶爾傳輸少量數(shù)據(jù)，但總體的數(shù)據(jù)通信量卻非常大。M2M流量中的控制信息對資源來說是一種極大的浪費，但是為了避免干擾，它也是必要的。

如果只是應對單個傳感器時，這似乎并不成問題。但是在衛(wèi)星網(wǎng)絡的情況下，連接到單個衛(wèi)星的傳感器數(shù)量會非常多。雖然每個傳感器只是偶爾地傳輸少量數(shù)據(jù)，但總體流量卻很大。此外，刪除或者減少M2M通信量中的控制信息，會導致來自不同傳感器的信號相互干擾，從而引起發(fā)送的信息丟失，在大流量的情況下，甚至會引起網(wǎng)絡崩潰。

在這個背景下，為了避免干擾，M2M流量控制信息是一種顯著卻必要的資源浪費。這就會導致需要采用更寬的帶寬、更大且更昂貴的衛(wèi)星或者更多數(shù)量的衛(wèi)星，從而帶來更高的M2M通信成本以及對IoT開發(fā)產(chǎn)生負面影響。

2019年5月24日發(fā)射的60顆Starlink衛(wèi)星

為了解決這個問題，近年來，多隨機接入的新型先進系統(tǒng)已經(jīng)在開發(fā)中，它將極大地限制控制信息，并且不影響網(wǎng)絡性能。這些系統(tǒng)工作得非常違反直覺，也就是說，并不是試圖避免干擾，而是增加干擾，讓每個節(jié)點傳輸同一條信息的多份拷貝，而并不知道其他節(jié)點是否同時在傳輸信息。

科科解釋道：“這個訣竅在于接收器利用這個干擾去凈化接收到的信息，從中提取有用的信息。為了理解這些系統(tǒng)是如何工作的，你可以思考一下你是如何吃洋薊的，每次你摘下一片葉子，吃掉好吃的那一點點，但是下面的葉子也松弛了，所以每一次至少可以摘下一片新葉子。”

價值

他們開發(fā)的高效率、低復雜度的算法，可以增強衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中的通信系統(tǒng)。

國際科研期刊上的幾篇論文已經(jīng)證實，基于每條信息的多份拷貝傳輸?shù)碾S機多接入非常有前景。這項研究的作者們解釋道，然而，這些研究采用了簡化方案(需要通過方程和模擬進行更簡單的處理)，而不允許在真實環(huán)境中評估這些系統(tǒng)的性能。

科科總結(jié)道：“我們的貢獻超越了這些簡化方案。我們研究了對于真實系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種元件(例如許多作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的低成本電子器件中的缺陷)組成的整體系統(tǒng)的影響，以及開發(fā)出可幫助針對它們增強系統(tǒng)的算法。因此，我們對于開發(fā)同時實現(xiàn)高效率和低復雜度的算法作出了特殊的努力，所以通過衛(wèi)星實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)對于每一個人來說效率越來越高，也越來越容易接近。”