背景

幾年前，物聯網(IoT)的不斷發展就已經成為事實。機器(節點)之間的相互通信，為智慧農業、智能家居以及車聯網等一些應用鋪平了道路，這些應用有望對我們生活產生深遠的影響。

物聯網的關鍵要素之一就是，機器之間的無線通信，也稱為“機器到機器(M2M)”通信。與4G或者WiFi網絡等移動網絡不同，相當大比例的M2M通信都以非常低的傳輸速度、非常小的數據包和數量巨大的設備為特征。從協調電信網絡的角度來看，這些特征帶來了重大挑戰。

創新

由于通過衛星實現了先進的隨機接入方案，最近的研究提出的高效率、低復雜度的算法，使衛星物聯網變得越來越容易實現。這項研究的論文發表在《國際衛星通信與網絡雜志(International Journal of Satellite Communications and Networking)》上，論文作者包括信息和通信技術部(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

連接同一顆衛星的傳感器數量可以非常多。

讓我們設想一株農作物擁有一個連接至衛星的濕度傳感器，只有當濕度低于特定臨界值時，衛星才會傳輸信息。該傳感器可能長時間不發送任何信息，并且當它真正決定這么做時，數據量非常小(只有幾個比特)。在這種情況下，需要與衛星網絡建立連接的控制數據的數量，可能會超過傳感器傳輸的有用數據(有效載荷)量。

盡管每個傳感器偶爾傳輸少量數據，但總體的數據通信量卻非常大。M2M流量中的控制信息對資源來說是一種極大的浪費，但是為了避免干擾，它也是必要的。

如果只是應對單個傳感器時，這似乎并不成問題。但是在衛星網絡的情況下，連接到單個衛星的傳感器數量會非常多。雖然每個傳感器只是偶爾地傳輸少量數據，但總體流量卻很大。此外，刪除或者減少M2M通信量中的控制信息，會導致來自不同傳感器的信號相互干擾，從而引起發送的信息丟失，在大流量的情況下，甚至會引起網絡崩潰。

在這個背景下，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。這就會導致需要采用更寬的帶寬、更大且更昂貴的衛星或者更多數量的衛星，從而帶來更高的M2M通信成本以及對IoT開發產生負面影響。

2019年5月24日發射的60顆Starlink衛星

為了解決這個問題，近年來，多隨機接入的新型先進系統已經在開發中，它將極大地限制控制信息，并且不影響網絡性能。這些系統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，讓每個節點傳輸同一條信息的多份拷貝，而并不知道其他節點是否同時在傳輸信息。

科科解釋道：“這個訣竅在于接收器利用這個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，吃掉好吃的那一點點，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。”

價值

他們開發的高效率、低復雜度的算法，可以增強衛星物聯網中的通信系統。

國際科研期刊上的幾篇論文已經證實，基于每條信息的多份拷貝傳輸的隨機多接入非常有前景。這項研究的作者們解釋道，然而，這些研究采用了簡化方案(需要通過方程和模擬進行更簡單的處理)，而不允許在真實環境中評估這些系統的性能。

科科總結道：“我們的貢獻超越了這些簡化方案。我們研究了對于真實系統中出現的各種元件(例如許多作為物聯網節點的低成本電子器件中的缺陷)組成的整體系統的影響，以及開發出可幫助針對它們增強系統的算法。因此，我們對于開發同時實現高效率和低復雜度的算法作出了特殊的努力，所以通過衛星實現的物聯網對于每一個人來說效率越來越高，也越來越容易接近。”