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低轨卫星星座物联网业务量建模

程一凡 曲至诚 张更新

程一凡, 曲至诚, 张更新. 低轨卫星星座物联网业务量建模[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT200091
引用本文: 程一凡, 曲至诚, 张更新. 低轨卫星星座物联网业务量建模[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT200091
Yifan CHENG, Zhicheng QU, Gengxin ZHANG. Traffic Modeling for Low Earth Orbit Satellite Constellation Internet of Things[J]. Journal of Electronics and Information Technology. doi: 10.11999/JEIT200091
Citation: Yifan CHENG, Zhicheng QU, Gengxin ZHANG. Traffic Modeling for Low Earth Orbit Satellite Constellation Internet of Things[J]. Journal of Electronics and Information Technology. doi: 10.11999/JEIT200091

低轨卫星星座物联网业务量建模

doi: 10.11999/JEIT200091
基金项目: 国家自然科学基金(91738201)
详细信息
    作者简介:

    程一凡:男,1996年生,硕士生,研究方向为卫星物联网方向

    曲至诚:男,1992年生,博士,研究方向为卫星物联网及卫星通信等

    张更新:男,1967年生,教授、博士生导师,研究方向为卫星通信、深空通信、空间信息网络等

    通讯作者:

    程一凡 1218012231@njupt.edu.cn

  • 中图分类号: TN927+.23

Traffic Modeling for Low Earth Orbit Satellite Constellation Internet of Things

Funds: The National Natural Science Foundation of China(91738201)
  • 摘要: 随着物联网(IoT)规模的不断发展,其业务需求呈现出多样化、全球化的趋势。针对地面物联网无法覆盖全球的缺点,卫星物联网尤其是低轨卫星星座(LEOSC)物联网可以有效地为地面物联网提供覆盖性能上的补充和延伸。由于低轨卫星星座物联网系统广覆盖、高动态的特点,其业务量统计特性需要考虑到环境因素造成的影响,这导致其业务量分布与地面物联网存在显著差异。从合理高效利用星上有限资源角度出发,该文研究基于低轨卫星星座的全球物联网业务模型。结合多样化的业务特点以及卫星通信系统特性,采用统计建模理论,得出了全球物联网业务模型框架。并且初步提出了一种基于最高优先级的接入策略,以供设备节点实时选择接入的卫星。仿真结果表明:泊松过程可以用于近似模拟低轨卫星物联网中大量存在的异步流量的叠加过程;由于低轨卫星具有高动态性,其业务源高速变化,导致了卫星业务忙闲不均,峰均比(PAR)较高。
  • 图  1  异步同周期业务量的叠加过程

    图  2  两种业务到达模型对比

    图  3  地理栅格的业务到达模型

    图  4  业务量建模流程图

    图  5  7号卫星业务量曲线

    表  1  典型参数采集类物联网业务的主要模型参数

    参数指标参数值
    激活频率或事件触发 静止参数特性位置或移动特性视频应用特性
    单次数据量(byte)10~5010~50
    平均带宽需求(bit/s)600600128
    移动速度(km/h)0~20
    位置精度m级
    QoS
    通信连续性
    忙时时段(h)0~240~240~24
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    表  2  低轨卫星星座物联网的潜在应用及其特性

    地理环境潜在业务种类业务强度设备部署密度
    水文监测非常低
    周边水文监测较低较低
    岛上环境监测较低
    山体滑坡灾害监测较高中等
    高原地下水监测
    地震灾害医疗物资运转
    平原战场感应非常低
    高效运转的物资体系
    盆地应急指挥中等
    沙漠植被监测系统较低
    沙漠环境监测较低
    冰盖边缘区域浮冰自动提取
    关键区域航空探测
    丘陵土壤墒情监测较低较低
    水资源监测较低
    草原畜禽的生产及管理过程较高
    输电管理系统
    裂谷地裂运动监测
    下载: 导出CSV

    表  3  仿真参数

    仿真参数取值
    卫星星座walker星座
    卫星总数56
    卫星轨道面数9
    轨道高度1000 km
    轨道倾角90°
    采样时间间隔30 s
    采样时间长度24 h
    地球平均半径6371 km
    地球表面区域经度-180°~180°,纬度-70°~70°
    栅格划分精度经度2°,纬度2.5°
    下载: 导出CSV

    表  4  单星业务量的统计量(负载数量/个)

    最大值最小值平均值标准方差
    异步同周期业务量的叠加23060003175037600
    泊松近似22980003176037660
    下载: 导出CSV
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    出版历程
    • 收稿日期:  2020-02-11
    • 修回日期:  2020-09-14
    • 网络出版日期:  2020-09-23

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