一种低轨卫星下NB-IoT终端随机接入参数动态配置方法

本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法。

背景技术：

1、窄带物联网(narrow band internet of things，nb-iot)是基于授权频谱低功耗广覆盖(low power wide area，lpwa)物联网的一种重要的体制，其具有强覆盖、低功耗、大连接、低成本四个关键特征。相比于其他需要独立设计和组网的体系架构，融合地面nb-iot技术的卫星物联网拥有完备的网络架构和成熟的运营模式，在与卫星集成时无须对核心功能进行重大修改，有助于大规模使用降低运营成本。在融合nb-iot的低轨卫星场景下的主要挑战之一是阻碍不同通信阶段(如随机接入(ra,random access)过程)的长时延。nb-iot为了实现增强20db覆盖的目标，通过重复传输来扩展覆盖范围，重复次数不足会导致前导码检测概率低，通过提高重传次数可以提高终端接入成功率，保证终端的正常运行，但是重复传输带来了功耗浪费的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，以解决现有融合nb-iot的低轨卫星场景下随机接入成功率低，从而必须提升重复上传次数，从而导致功耗浪费的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、本发明提供了一种低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，包括：

4、获取低轨卫星和nb-iot终端的间距以及随机接入过程中发起随机接入请求的nb-iot终端的数量；

5、基于所述间距和发起随机接入请求的nb-iot终端的数量，计算所述nb-iot终端的随机接入成功率和随机接入功耗；

6、以所述随机接入成功率和所述随机接入功耗为优化目标，以所述nb-iot终端的重传参数为优化变量，构建多目标优化问题模型；

7、采用nsga-ii遗传算法对所述多目标优化问题模型进行求解，获取所述重传参数的优化结果；

8、根据所述优化结果进行随机接入参数动态配置。

9、可选的，所述基于所述间距和发起随机接入请求的nb-iot终端的数量，计算所述nb-iot终端的随机接入成功率包括：

10、根据所述间距计算相应nb-iot终端的信干噪比；

11、根据所述信干噪比和低轨卫星的前导码检测阈值计算相应nb-iot终端的单次前导码检测概率；

12、根据所述单次前导码检测概率结合nb-iot终端的重传机制计算相应nb-iot终端的前导码检测概率；

13、根据所述发起随机接入请求的nb-iot终端的数量计算nb-iot终端的信道竞争成功率；

14、根据所述前导码检测概率和所述信道竞争成功率相乘获取相应nb-iot终端的随机接入成功率。

15、可选的，所述信干噪比sinr为：

16、

17、

18、式中，sinr为目标nb-iot终端的信干噪比，ps、g0为低轨卫星对目标nb-iot终端的接收信号功率和接收增益，pi、gm为低轨卫星对波束覆盖范围内除目标nb-iot终端外其余mi个nb-iot终端的接收信号功率和接收增益，r-α、r为低轨卫星和目标nb-iot终端之间传输路径损耗和间距，α为路径损耗常量，rm为低轨卫星和mi个nb-iot终端中第m个nb-iot终端之间传输路径损耗和间距，σ2为噪声功率，im为除目标nb-iot终端外其余mi个nb-iot终端对目标nb-iot终端产生的干扰总和。

19、可选的，所述单次前导码检测概率pc为：

20、

21、式中，pc为目标nb-iot终端的单次前导码检测概率，γth为低轨卫星的前导码检测阈值，r0-α、r0、rmin、rmax低轨卫星和目标nb-iot终端之间传输路径损耗分布、间距分布、间距最小值和间距最大值，re为地球半径，x为干扰卫星和目标nb-iot终端之间的间距，λ为nb-iot终端在低轨卫星的波束覆盖范围内的分布密度；fr(r)为概率密度函数：

22、

23、可选的，所述前导码检测概率pcd为：

24、

25、式中，pcd为目标nb-iot终端的前导码检测概率，pε为预设的减少因子，nrep为前导码重传的次数。

26、可选的，所述nb-iot终端的信道竞争成功率pu为：

27、

28、式中，tmax为随机接入周期的数量，nacc、ni为随机接入过程中和第i个随机接入周期中发起随机接入请求的nb-iot终端数量，nis为第i个随机接入周期中随机接入成功的nb-iot终端数量，为前导码重传的最大次数，为第i个随机接入周期中第n次重新发起随机接入请求且随机接入成功的nb-iot终端数量，s为子载波数量；p为随机接入失败后的退避概率：

29、

30、式中，len为随机接入失败后的退避时间内随机接入周期的数量，wbo为回退窗口大小，trar为随机接入响应窗口大小，rtd为低轨卫星和nb-iot终端的往返延迟，startrar为随机接入响应窗口的开始时间，trao为随机接入周期的大小；为第i-k个随机接入周期中第n-1次重新发起随机接入请求且随机接入失败的nb-iot终端数量；

31、可选的，所述随机接入功耗e为：

32、e＝nrep·etrans+(nrep-1)·econnected

33、式中，etrans为传输一次前导码的平均功耗，econnected为nb-iot终端处于rrc连接态下退避的平均功耗。

34、可选的，所述多目标优化问题模型为：

35、

36、

37、st.c1:tmg1+rtd+t0+trar+tcr≤trao<t

38、

39、

40、式中，ps1为随机接入成功率，为nb-iot终端的重传参数，tmsg1为第nrep次重传前导码所需的接入时延，t0为延迟常量，tcr为退避时间，tpre为前导码的时间窗口大小，t为低轨卫星的波束覆盖时间。

41、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

42、本发明提供的一种低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，能够在低轨卫星场景下有效解决重复传输带来的功耗浪费问题，并在有限的功耗限制下提高随机接入成功率，以达到提高系统整体的吞吐量与降低功耗提升设备寿命的目的。

技术特征：

1.一种低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，所述基于所述间距和发起随机接入请求的nb-iot终端的数量，计算所述nb-iot终端的随机接入成功率包括：

3.根据权利要求2所述的低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，所述信干噪比sinr为：

4.根据权利要求3所述的低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，所述单次前导码检测概率pc为：

5.根据权利要求4所述的低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，所述前导码检测概率pcd为：

6.根据权利要求5所述的低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，所述nb-iot终端的信道竞争成功率pu为：

7.根据权利要求6所述的低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，所述随机接入功耗e为：

8.根据权利要求7所述的低轨卫星下nb-iot终端随机接入参数动态配置方法，其特征在于，所述多目标优化问题模型为：

技术总结
本发明公开了一种低轨卫星下NB‑IoT终端随机接入参数动态配置方法，包括获取低轨卫星和NB‑IoT终端的间距以及随机接入过程中发起随机接入请求的NB‑IoT终端的数量；基于所述间距和发起随机接入请求的NB‑IoT终端的数量，计算所述NB‑IoT终端的随机接入成功率和随机接入功耗；以所述随机接入成功率和所述随机接入功耗为优化目标，以所述NB‑IoT终端的重传参数为优化变量，构建多目标优化问题模型；采用NSGA‑II遗传算法对所述多目标优化问题模型进行求解，获取所述重传参数的优化结果；根据所述优化结果进行随机接入参数动态配置；本发明能够在有限的功耗限制下提高随机接入成功率，同时提高系统整体的吞吐量。

技术研发人员：洪涛,于啸,李治,张更新
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10