NB-IoT体制在低轨卫星物联网场景下的适应性分析及改造.pdfVIP

摘要

目前低功耗广域网（LowPowerWideAreaNetwork,LPWAN）在地面物联网领域逐渐发

展成熟并且发展前景广阔，但是，由于无法在沙漠、海洋等偏远区域建设地面基站或者维护

地面基站的成本过高等限制，仅依靠地面基站支持物联网终端设备的接入会造成LPWAN的

服务能力与实际需求严重不匹配的现象。因此，卫星物联网成为了地面物联网有效的补充和

延伸。它可以有效减少地面物联网在布设基站和连接通信网时受到诸多限制，并具有可实现

全球覆盖、几乎不受空间限制的传感器布设等优势。窄带物联网（Narrow-BandInternetof

Things,NB-IoT）体制由于运营商更低的建网成本和终端设备低成本能够为物联网应用提供更

低成本的连接方式。然而，当前的NB-IoT体制最初针对地面网络的准静态场景设计，而低轨

卫星信道具有高动态特性。因此，近年来，适应性改造NB-IoT体制以融合低轨卫星物联网系

统成为低轨卫星物联网研究的热点。

本文针对低轨卫星高动态性带来的对NB-IoT体制融合低轨卫星物联网系统的影响进行

分析，特别是大尺度动态传播时延所带来的问题。它不仅造成NB-IoT体制终端的功耗和系统

下行通信时延显著增加，对于物联网终端的低功耗特性和通信实时性带来了更大的挑战，同

时，大尺度动态传播时延还造成终端用户和基站之间的时域资源不匹配，从而影响了正常的

随机接入过程。针对低轨卫星物联网高动态场景下大尺度动态传播时延的影响，本文的主要

研究内容如下：

（1）针对低轨卫星物联网场景高动态特性下NB-IoT体制终端的低功耗特性和通信实时

性恶化的问题。本文基于马尔科夫链模型提出了一种利用扩展不连续接收（Extended

DiscontinuousReception,eDRX）和节能模式（PowerSavingMode,PSM）来评估NB-IoT体制

终端时延和功耗的方法，通过不同工作状态的稳态概率和保持时间建立了时延功耗多目标优

化问题。仿真结果表明，相比于传统的固定式工作状态定时器穷举法配置，本文提出的在信

关站通过支持向量机（SupportVectorMachine,SVM）结合非支配排序遗传算法（Non-dominated

SortingGeneticAlgorithms-II,NSGA-II）进行工作状态定时器配置方法，能够实现在低轨卫星

物联网应用场景动态变化下更好的满足NB-IoT体制终端业务时延和终端功耗需求。

（2）针对低轨卫星物联网场景下不具有全球导航卫星系统定位功能的NB-IoT体制终端

无法正常随机接入的问题。本章提出了利用NB-IoT体制终端等周期检测下行链路窄带主同

步信号（NarrowbandPrimarySynchronizationSignal,NPSS）基于循环前缀实现准确的时间偏

差估计方法，以获取低轨卫星在不同时刻进行下行链路定时的到达时间差测量值，将终端的

定时提前（TimingAdvance,TA）估计问题转换为地面终端位置估计。仿真结果表明，考虑到

I

终端检测NPSS周期和发送TA估计值时刻的信道条件等限制，可以保障NB-IoT体制终端在

低轨卫星过顶时间内任意时刻实现正常的随机接入过程。

关键词:低轨卫星物联网，NB-IoT，动态传播时延，时延功耗，多目标优化，定时提

前估计

II

Abstract

Currently,LowPowerWideAreaNetworks(LPWAN)havegraduallymaturedanddeveloped

broadprospectsinthefieldofgroundInternetofThings.However,duetolimitationssuchasthe

inabilitytoconstructgroundbasestationsinremoteareassuchasdesertsandoceans