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面向低轨卫星物联网短包通信的GFRA前导码设计与活跃设备检测技术研究

代健美 张梦晨 李可盈 苏琪 程颖 王贤鹏 许容

代健美, 张梦晨, 李可盈, 苏琪, 程颖, 王贤鹏, 许容. 面向低轨卫星物联网短包通信的GFRA前导码设计与活跃设备检测技术研究[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250609
引用本文: 代健美, 张梦晨, 李可盈, 苏琪, 程颖, 王贤鹏, 许容. 面向低轨卫星物联网短包通信的GFRA前导码设计与活跃设备检测技术研究[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250609
DAI Jianmei, ZHANG Mengchen, LI Keying, SU Qi, CHENG Ying, WANG Xianpeng, XU Rong. Research on GFRA Preamble Design and Active Device Detection Technology for Short-Packet Communication in LEO Satellite IoT[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250609
Citation: DAI Jianmei, ZHANG Mengchen, LI Keying, SU Qi, CHENG Ying, WANG Xianpeng, XU Rong. Research on GFRA Preamble Design and Active Device Detection Technology for Short-Packet Communication in LEO Satellite IoT[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250609

面向低轨卫星物联网短包通信的GFRA前导码设计与活跃设备检测技术研究

doi: 10.11999/JEIT250609 cstr: 32379.14.JEIT250609
详细信息
    作者简介:

    代健美:男,副教授,研究方向为天基信息智能传输,涵盖优化理论、机器学习及其在无线网络、无线多媒体传输和卫星通信领域的应用

    张梦晨:女,硕士生,研究方向为低轨卫星大规模接入等

    李可盈:女,博士生,研究方向为低轨卫星大规模接入等

    苏琪:男,副教授,研究方向为卫星通信、通信网络中的资源分配与优化等

    程颖:女,硕士生,研究方向为卫星通信,非正交多址接入技术等

    王贤鹏:男,硕士生,研究方向为速率分割多址在卫星通信中的应用等

    许容:女,硕士生,研究方向为空间信息网络与安全等

    通讯作者:

    代健美 jammy_dane@hgd.edu.cn

  • 中图分类号: TN927.2

Research on GFRA Preamble Design and Active Device Detection Technology for Short-Packet Communication in LEO Satellite IoT

  • 摘要: 在低轨卫星物联网(LEO-IoT)短包通信场景中,大规模设备随机接入过程面临前导码冲突与检测复杂度高的问题。传统随机接入方案受限于导码池容量有限、检测算法效率不足,难以实现海量设备高可靠接入。为此,该文在免授权随机接入(GFRA)框架下提出了一种新的前导码结构和检测方法。首先,构建了一种带循环前缀的叠加前导码结构,在不增加系统时频资源开销的前提下,将导码池容量提升至传统方案的3.2倍,有效缓解了多设备接入场景下的前导码冲突问题。进一步地,针对叠加前导码的检测需求,提出一种基于空闲前导码搜索的动态检测算法,与传统穷举搜索方法相比,该算法在保持99.5%检测准确率的同时,将计算复杂度降低至原方案的18.7%。与压缩感知方法相比,该算法在检测精度和计算复杂度之间取得了优异的平衡,其多项式级的复杂度使其更适合部署在低轨卫星物联网系统中。理论推导证明,所提方案在误码率(BER)为10–5时可实现3.8 dB的系统信干噪比(SINR)增益。仿真验证进一步证明,即使在设备激活率超过80%的高负载场景下,该方案仍能保持低于2%的漏检率,且在异步接入环境下具备良好鲁棒性。
  • 图  1  低轨卫星上行异步免授权接入系统模型

    图  2  上行帧结构

    图  3  叠加前导码的帧结构

    图  4  选择前导码数对碰撞概率的影响

    图  5  前导码总数对碰撞概率的影响

    图  6  活跃设备数对碰撞概率的影响

    图  7  不同活跃度对搜索次数的影响

    图  8  不同活跃设备检测方法中阈值对PM的影响

    图  9  不同活跃设备检测方法中阈值对PF的影响

    图  10  不同信噪比下本文活跃设备检测算法的PM和PF

    图  11  不同天线数量下本文活跃设备检测算法的PM和PF

    图  12  不同活跃设备数下各算法的检测错误率对比 (SNR=10dB)

    图  13  不同算法的归一化平均运行时间对比

    图  14  同步与异步场景下本文算法的PM和PF对比 (K=79, N=40)

    表  1  不同前导码选择数的性能对比(K=79,N=15,M=10)

    前导码选择数l 导码池容量 碰撞概率 检测复杂度(相对值) 误码率(dB) (BER=10–5)
    1 79 18.2% 1.0 –2.1 (SINR)
    2 3081 0.53% 23.7 0.9 (SINR)
    3 24310 2.8×10–4 100.0 3.8 (SINR增益)
    4 191919 1.1×10–6 687.2 3.9 (SINR增益)
    下载: 导出CSV

    1  基于空闲前导码搜索的动态检测算法

     输入:$ K,L,N,M,\beta ,TH $
     1.将去CP后的前导码信号$ {\boldsymbol{Y}}_{P}^{\prime} $与单个前导码$ {{\boldsymbol{a}}}_{l} $进行相关运算得到相关检测结果:$ {{\boldsymbol{g}}}_{l}={{\boldsymbol{Y}}}_{p}{}^{\prime}{{\boldsymbol{a}}}_{l} $
     2.将相关检测结果$ {\left| {{\boldsymbol{g}}}_{l}\right| }^{2} $与阈值$ \beta $进行比较:$ {\left| {{\boldsymbol{g}}}_{l}\right| }^{2} < \beta $,得到空闲前导码集合
     3.非空闲前导码集合中相关检测结果进行两两内积运算:$ {C}_{ij}={{\boldsymbol{g}}}_{i}{}^{{\mathrm{T}}}\cdot {{\boldsymbol{g}}}_{j} $
     4.将内积与阈值$ \mathrm{TH} $进行比较:$ C_{ij} < \mathrm{TH} $,则无活跃设备选择这两个前导码组合
     5.此两正交前导码组合与非空闲前导码集合任一正交前导码组成叠加前导码都没有活跃设备选择
     6.筛选后的就是活跃设备选择的叠加前导码
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-06-27
  • 修回日期:  2025-12-31
  • 录用日期:  2025-12-31
  • 网络出版日期:  2026-01-09

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