导读

背景

几年前，物联网（IoT）的不断发展就已经成为事实。机器（节点）之间的相互通信，为智慧农业、智能家居以及车联网等一些应用铺平了道路，这些应用有望对我们生活产生深远的影响。

物联网的关键要素之一就是，机器之间的无线通信，也称为“机器到机器（M2M）”通信。与4G或者WiFi网络等移动网络不同，相当大比例的M2M通信都以非常低的传输速度、非常小的数据包和数量巨大的设备为特征。从协调电信网络的角度来看，这些特征带来了重大挑战。

创新

由于通过卫星实现了先进的随机接入方案，最近的研究提出的高效率、低复杂度的算法，使卫星物联网变得越来越容易实现。这项研究的论文发表在《国际卫星通信与网络杂志（International Journal of Satellite Communications and Networking）》上，论文作者包括信息和通信技术部（DTIC）和德国航空航天中心（DLR）研究员朱塞佩科科（Giuseppe Cocco）以及欧洲航天局的研究人员。

（图片来源：庞培法布拉大学）

技术

让我们设想一株农作物拥有一个连接至卫星的湿度传感器，只有当湿度低于特定临界值时，卫星才会传输信息。该传感器可能长时间不发送任何信息，并且当它真正决定这么做时，数据量非常小（只有几个比特）。在这种情况下，需要与卫星网络建立连接的控制数据的数量，可能会超过传感器传输的有用数据（有效载荷）量。

尽管每个传感器偶尔传输少量数据，但总体的数据通信量却非常大。M2M流量中的控制信息对资源来说是一种极大的浪费，但是为了避免干扰，它也是必要的。

如果只是应对单个传感器时，这似乎并不成问题。但是在卫星网络的情况下，连接到单个卫星的传感器数量会非常多。虽然每个传感器只是偶尔地传输少量数据，但总体流量却很大。此外，删除或者减少M2M通信量中的控制信息，会导致来自不同传感器的信号相互干扰，从而引起发送的信息丢失，在大流量的情况下，甚至会引起网络崩溃。

在这个背景下，为了避免干扰，M2M流量控制信息是一种显著却必要的资源浪费。这就会导致需要采用更宽的带宽、更大且更昂贵的卫星或者更多数量的卫星，从而带来更高的M2M通信成本以及对IoT开发产生负面影响。

2019年5月24日发射的60颗Starlink卫星（图片来源：维基百科）

为了解决这个问题，近年来，多随机接入的新型先进系统已经在开发中，它将极大地限制控制信息，并且不影响网络性能。这些系统工作得非常违反直觉，也就是说，并不是试图避免干扰，而是增加干扰，让每个节点传输同一条信息的多份拷贝，而并不知道其他节点是否同时在传输信息。

科科解释道：“这个诀窍在于接收器利用这个干扰去净化接收到的信息，从中提取有用的信息。为了理解这些系统是如何工作的，你可以思考一下你是如何吃洋蓟的，每次你摘下一片叶子，吃掉好吃的那一点点，但是下面的叶子也松弛了，所以每一次至少可以摘下一片新叶子。”

价值

他们开发的高效率、低复杂度的算法，可以增强卫星物联网中的通信系统。

国际科研期刊上的几篇论文已经证实，基于每条信息的多份拷贝传输的随机多接入非常有前景。这项研究的作者们解释道，然而，这些研究采用了简化方案（需要通过方程和模拟进行更简单的处理），而不允许在真实环境中评估这些系统的性能。

科科总结道：“我们的贡献超越了这些简化方案。我们研究了对于真实系统中出现的各种元件（例如许多作为物联网节点的低成本电子器件中的缺陷）组成的整体系统的影响，以及开发出可帮助针对它们增强系统的算法。因此，我们对于开发同时实现高效率和低复杂度的算法作出了特殊的努力，所以通过卫星实现的物联网对于每一个人来说效率越来越高，也越来越容易接近。”