高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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, 2021, 43(4): 1050-1056. 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, 2021, 43(4): 1050-1056. 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 & Information Technology, 2021, 43(4): 1050-1056. 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 & Information Technology, 2021, 43(4): 1050-1056. 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,博士生,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
    下载: 导出CSV

    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
  • 席博, 洪涛, 张更新. 卫星物联网场景下基于节点选择的协作波束成形技术研究[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(12): 2882–2890. doi: 10.11999/JEIT190707

    XI Bo, HONG Tao, and ZHANG Gengxin. Research on the collaborative beamforming technique based on the node selection for satellite internet of things[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2020, 42(12): 2882–2890. doi: 10.11999/JEIT190707
    钱志鸿, 王义君. 面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(1): 215–227. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00876

    QIAN Zhihong and WANG Yijun. Internet of things-oriented wireless sensor networks review[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2013, 35(1): 215–227. doi: 10.3724/SP.J.1146.2012.00876
    张更新, 揭晓, 曲至诚. 低轨卫星物联网的发展现状及面临的挑战[J]. 物联网学报, 2017, 1(3): 6–9.

    ZHANG Gengxin, JIE Xiao, and QU Zhicheng. Development status and challenges of LEO IoT[J]. Chinese Journal on Internet of Things, 2017, 1(3): 6–9.
    SANCTIS M D, CIANCA E, ARANITI G, et al. Satellite communications supporting internet of remote things[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2016, 3(1): 113–123. doi: 10.1109/JIOT.2015.2487046
    QU Zhicheng, ZHANG Gengxin, HONG Tao, et al. Architecture and network model of time-space uninterrupted space information network[J]. IEEE Access, 2019, 7: 27677–27688. doi: 10.1109/ACCESS.2019.2902134
    芮兰兰, 孟洛明, 邱雪松. 终端业务上下文的定义方法及业务模型[J]. 电子与信息学报, 2010, 32(3): 660–665. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.00181

    RUI Lanlan, MENG Luoming, and QIU Xuesong. Terminal service context definition method and service model[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2010, 32(3): 660–665. doi: 10.3724/SP.J.1146.2009.00181
    METZGER F, HOßFELD T, BAUER A, et al. Modeling of aggregated IoT traffic and its application to an IoT cloud[J]. Proceedings of the IEEE, 2019, 107(4): 679–694. doi: 10.1109/JPROC.2019.2901578
    沈俊, 高卫斌, 张更新. 低轨卫星物联网的发展背景、业务特点和技术挑战[J]. 电信科学, 2019, 35(5): 2019089.

    SHEN Jun, GAO Weibin, and ZHANG Gengxin. Developing background, service characteristics and challenges of LEO IoT[J]. Telecommunications Science, 2019, 35(5): 2019089.
    王海陶, 宋小明, 卢纪宇. 物联网业务特征及业务模型研究[J]. 广西通信技术, 2012(3): 43–49. doi: 10.3969/j.issn.1008-3545.2012.03.011

    WANG Haitao, SONG Xiaoming, and LU Jiyu. The research on characteristics and service model of internet of things[J]. Guangxi Communication Technology, 2012(3): 43–49. doi: 10.3969/j.issn.1008-3545.2012.03.011
    MARTINEZ B, MONTÓN M, VILAJOSANA I, et al. The power of models: Modeling power consumption for IoT devices[J]. IEEE Sensors Journal, 2015, 15(10): 5777–5789. doi: 10.1109/JSEN.2015.2445094
    BACCO M, BOERO L, CASSARA P, et al. IoT applications and services in space information networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2019, 26(2): 31–37. doi: 10.1109/MWC.2019.1800297
    张颖, 高灵君. 基于格拉布斯准则和改进粒子滤波算法的水下传感网目标跟踪[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(10): 2294–2301. doi: 10.11999/JEIT190079

    ZHANG Ying and GAO Lingjun. Target tracking with underwater sensor networks based on Grubbs criterion and improved particle filter algorithm[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2019, 41(10): 2294–2301. doi: 10.11999/JEIT190079
    付娜. 广义泊松过程及其叠加过程研究[D]. [硕士论文], 重庆师范大学, 2012.

    FU Na. Study of generalized Poisson process and its sum[D]. [Master dissertation], Chongqing Normal University, 2012.
    KEMP F. An introduction to geometrical probability: Distributional aspects with applications by A. M. Mathai[J]. Journal of the Royal Statistical Society Series D (The Statistician) , 2001, 50(2): 225–226.
    王艳红, 李蕊, 张文娟. 任务到达时间服从泊松分布的随机排序[J]. 西安工业大学学报, 2016, 36(1): 5–7. doi: 10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.01.002

    WANG Yanhong, LI Rui, and ZHANG Wenjuan. Stochastic scheduling problems of releases times obeying Poisson distribution[J]. Journal of Xian Technological University, 2016, 36(1): 5–7. doi: 10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.01.002
  • 加载中
图(5) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  1762
  • HTML全文浏览量:  668
  • PDF下载量:  222
  • 被引次数: 0
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
  • 刊出日期:  2021-04-20

目录

    /

    返回文章
    返回