幾年前，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的不斷發(fā)展就已經(jīng)成為事實(shí)。機(jī)器(節(jié)點(diǎn))之間的相互通信，為智慧農(nóng)業(yè)、智能家居以及車聯(lián)網(wǎng)等一些應(yīng)用鋪平了道路，這些應(yīng)用有望對(duì)我們生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵要素之一就是，機(jī)器之間的無線通信，也稱為“機(jī)器到機(jī)器(M2M)”通信。與4G或者WiFi網(wǎng)絡(luò)等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不同，相當(dāng)大比例的M2M通信都以非常低的傳輸速度、非常小的數(shù)據(jù)包和數(shù)量巨大的設(shè)備為特征。從協(xié)調(diào)電信網(wǎng)絡(luò)的角度來看，這些特征帶來了重大挑戰(zhàn)。
創(chuàng)新
由于通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的隨機(jī)接入方案，最近的研究提出的高效率、低復(fù)雜度的算法，使衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)變得越來越容易實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究的論文發(fā)表在《國際衛(wèi)星通信與網(wǎng)絡(luò)雜志(International Journal of Satellite Communications and Networking)》上，論文作者包括信息和通信技術(shù)部(DTIC)和德國航空航天中心(DLR)研究員朱塞佩·科科(Giuseppe Cocco)以及歐洲航天局的研究人員。
技術(shù)
連接同一顆衛(wèi)星的傳感器數(shù)量可以非常多。
讓我們?cè)O(shè)想一株農(nóng)作物擁有一個(gè)連接至衛(wèi)星的濕度傳感器，只有當(dāng)濕度低于特定臨界值時(shí)，衛(wèi)星才會(huì)傳輸信息。該傳感器可能長時(shí)間不發(fā)送任何信息，并且當(dāng)它真正決定這么做時(shí)，數(shù)據(jù)量非常小(只有幾個(gè)比特)。在這種情況下，需要與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建立連接的控制數(shù)據(jù)的數(shù)量，可能會(huì)超過傳感器傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)(有效載荷)量。
盡管每個(gè)傳感器偶爾傳輸少量數(shù)據(jù)，但總體的數(shù)據(jù)通信量卻非常大。M2M流量中的控制信息對(duì)資源來說是一種極大的浪費(fèi)，但是為了避免干擾，它也是必要的。
如果只是應(yīng)對(duì)單個(gè)傳感器時(shí)，這似乎并不成問題。但是在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的情況下，連接到單個(gè)衛(wèi)星的傳感器數(shù)量會(huì)非常多。雖然每個(gè)傳感器只是偶爾地傳輸少量數(shù)據(jù)，但總體流量卻很大。此外，刪除或者減少M(fèi)2M通信量中的控制信息，會(huì)導(dǎo)致來自不同傳感器的信號(hào)相互干擾，從而引起發(fā)送的信息丟失，在大流量的情況下，甚至?xí)鹁W(wǎng)絡(luò)崩潰。
在這個(gè)背景下，為了避免干擾，M2M流量控制信息是一種顯著卻必要的資源浪費(fèi)。這就會(huì)導(dǎo)致需要采用更寬的帶寬、更大且更昂貴的衛(wèi)星或者更多數(shù)量的衛(wèi)星，從而帶來更高的M2M通信成本以及對(duì)IoT開發(fā)產(chǎn)生負(fù)面影響。
為了解決這個(gè)問題，近年來，多隨機(jī)接入的新型先進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)在開發(fā)中，它將極大地限制控制信息，并且不影響網(wǎng)絡(luò)性能。這些系統(tǒng)工作得非常違反直覺，也就是說，并不是試圖避免干擾，而是增加干擾，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸同一條信息的多份拷貝，而并不知道其他節(jié)點(diǎn)是否同時(shí)在傳輸信息。
科科解釋道：“這個(gè)訣竅在于接收器利用這個(gè)干擾去凈化接收到的信息，從中提取有用的信息。為了理解這些系統(tǒng)是如何工作的，你可以思考一下你是如何吃洋薊的，每次你摘下一片葉子，吃掉好吃的那一點(diǎn)點(diǎn)，但是下面的葉子也松弛了，所以每一次至少可以摘下一片新葉子。”
價(jià)值
他們開發(fā)的高效率、低復(fù)雜度的算法，可以增強(qiáng)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中的通信系統(tǒng)。
國際科研期刊上的幾篇論文已經(jīng)證實(shí)，基于每條信息的多份拷貝傳輸?shù)碾S機(jī)多接入非常有前景。這項(xiàng)研究的作者們解釋道，然而，這些研究采用了簡(jiǎn)化方案(需要通過方程和模擬進(jìn)行更簡(jiǎn)單的處理)，而不允許在真實(shí)環(huán)境中評(píng)估這些系統(tǒng)的性能。
科科總結(jié)道：“我們的貢獻(xiàn)超越了這些簡(jiǎn)化方案。我們研究了對(duì)于真實(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種元件(例如許多作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的低成本電子器件中的缺陷)組成的整體系統(tǒng)的影響，以及開發(fā)出可幫助針對(duì)它們?cè)鰪?qiáng)系統(tǒng)的算法。因此，我們對(duì)于開發(fā)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和低復(fù)雜度的算法作出了特殊的努力，所以通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于每一個(gè)人來說效率越來越高，也越來越容易接近。”
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