基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法，旨在解决现有技术中存在的当系统严重过载时系统吞吐量较低的技术问题，实现步骤为：利用多包接收获取接收帧的数据包数量概率分布P(m)；若当前帧各时隙数据包数量的最大值小于等于多包接收参数K，计算所有时隙数据包数量的均值作为系统负载G的估计值

Satellite random access congestion control method based on multi packet reception

The invention provides a multi packet reception satellite random access congestion control method based on system aims to solve the serious overload system throughput with low technical problems existing in the prior art, the implementation steps are: using the multi packet reception receiving frame number of the data packets of the probability distribution of P (m); if the current frame each slot number of packets maximum value is less than or equal to the multi packet reception parameter K, calculate the number of data packets of all time slots as the average load estimate of G

【技术实现步骤摘要】
基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法
本专利技术属于卫星通信
，涉及一种卫星随机接入系统拥塞控制方法，具体涉及采用多包接收技术，对随机接入系统进行负载估计与拥塞控制的方法，可用于卫星物联网的随机接入系统。
技术介绍
物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络，将网络用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。其在灾害预警，航海导航等方面发挥着极为重要的作用。当前的LTE物联网的组网不灵活，基础设施建造代价高等缺点，限制了LTE物联网的进一步发展。而卫星由于波束覆盖范围大，组网灵活方便等优点，使得卫星物联网技术受到了较大的关注。而正是卫星波束覆盖范围大的特点，使得卫星通信系统允许有海量的设备突发通信，这会造成系统严重的拥塞，降低了系统吞吐量，进而增大了接入时延。在一些特定场景中的物联网应用对数据实时性的要求较高，这对卫星通信技术提出了较高的要求。而当系统中大量用户节点同时请求随机接入时，采用现有的接入方案会造成系统严重的拥塞，进而使得应用数据丢失，最坏情况下，吞吐量甚至会降低到0，使系统无法工作。如在SA(时隙ALOHA)随机接入中，10000个用户同时请求接入时，系统的接入时延可能高达几十个小时，这对实时性要求高的物联网应用是极为不利的。所以如何让海量用户快速接入卫星物联网，成为了急需解决的问题。目前，提高系统吞吐量，降低接入时延的有效方法就是利用ACB策略进行拥塞控制，即给所有用户设置接入概率，每个用户在请求随机接入时，会首先产生一个0～1之间的数，并和接入概率值进行比较，若小于该概率值，系统允许该用户请求随机接入，否则拒绝该用户此次的随机接入请求。而此方案的前提是系统必须能准确地估计出系统负载。当多个用户同时请求随机接入时，卫星接收端可以根据当前帧的时隙中有0个、1个或两个及以上的数据包，分别将该时隙划分为空闲、成功或冲突状态。并且随着系统负载量的变化，处于上述三种状态的时隙数比例会发生改变。现阶段，随机接入系统的负载估计方法，一般首先检测随机接入接收帧所有时隙的状态，然后根据当前帧各个时隙的状态信息，构造估计函数对当前系统的负载进行估计，进而利用该估计值，计算接入概率并广播，实现对系统的拥塞控制。例如Hong-JunNoh等人于2013年在IEEEMilitaryCommunicationsConference上发表的文章“PerformanceEvaluationofAccessControlforCRDSAandR-CRDSAunderHighTrafficLoads(2013,1365-1370)”中，公开了一种实现拥塞控制的方法。该方法首先分别统计出当前随机接入接收帧所有时隙中，处于空闲状态，成功状态和冲突状态的时隙数，然后构造最大似然函数并求解得到系统负载估计值，并根据随机接入系统中，吞吐量最大时对应的系统负载量，设置最佳的接入概率，然后通过广播该接入概率，实现对系统的拥塞控制。该方法在系统负载量较小时，可以提高系统吞吐量，实现对系统有效的拥塞控制。但是在系统严重过载的情况下，利用各状态时隙数量固定的信息进行负载估计时，不能获得准确的估计结果，而利用该结果设置系统中用户的接入概率会导致系统的吞吐量降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法，旨在解决现有技术中存在的当系统严重过载时系统吞吐量较低的技术问题。本专利技术的技术思路是，将多包接收技术用于卫星接收端的负载估计方法中，由多包接收技术检测并提供一帧内N个时隙的数据包数量信息，进而在卫星接收端构造估计函数实现对系统负载的准确估计。当系统负载超过估计极限时，在负载估计的基础上进行指数级的调整，利用调整后的负载估计值计算系统中用户的接入概率，提高了系统的吞吐量，实现对系统的拥塞控制。根据上述技术思路，实现本专利技术目的采取的技术方案包括如下步骤：(1)卫星接收端采用多包接收方法，获取随机接入接收帧的数据包数量概率分布，实现步骤为：(1a)卫星接收端接收用户以帧为单位发送的数据，并缓存当前帧N个时隙的数据；(1b)卫星接收端对缓存的当前帧N个时隙的数据包数量进行检测，并判断各时隙的数据包数量m是否小于等于多包接收参数K，若是，标记该时隙的数据包数量为m，否则标记该时隙的数据包数量为∞；(1c)卫星接收端对数据包数量标记为m的时隙进行统计，得到含有m个数据包的时隙数n；(1d)卫星接收端利用含有m个数据包的时隙数n，计算当前帧N个时隙中任一时隙含有m个数据包的概率P(m)，得到当前帧的数据包数量概率分布；(2)卫星接收端判断当前帧N个时隙中数据包数量的最大值mmax是否小于等于K，若是，执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；(3)卫星接收端对当前系统负载G进行估计：卫星接收端利用概率分布P(m)，计算当前帧N个时隙数据包数量的均值m，作为对当前系统负载G的估计值(4)卫星接收端对当前系统负载G进行估计：(4a)卫星接收端根据概率分布P(m)，计算m从0到K取值范围内P(m)的累加概率p；(4b)卫星接收端根据累加概率p与当前系统负载G之间的关系，构造最大似然函数f(G)，并求解f(G)，得到当前系统负载G的估计值(5)卫星接收端判断当前系统吞吐量与当前系统负载G的估计值对应的最大吞吐量是否相等：卫星接收端检测当前系统的吞吐量，并判断检测出的吞吐量与当前系统负载G的估计值对应最大吞吐量是否相等，若是，则继续以当前系统中用户的接入概率pac控制系统中用户的接入，否则，执行步骤(6)；(6)卫星接收端判断当前系统负载G的估计值是否在预先设定的准确估计范围内，若是，执行步骤(7)，否则，设置估计状态为不准确，并执行步骤(9)；(7)卫星接收端判断当前系统负载估计状态是否准确，若是，根据当前系统负载G的估计值计算对应的系统中用户的接入概率p’ac，并将该接入概率p’ac广播给系统中所有的用户，否则执行步骤(8)；(8)卫星接收端对当前系统负载G的估计值进行调整：(8a)卫星接收端检测当前系统中用户的接入概率pac；(8b)卫星接收端根据当前系统中用户的接入概率pac，对当前系统负载G的估计值进行调整，得到调整后的当前系统负载G的估计值并执行步骤(10)；(9)卫星接收端对当前系统负载G的估计值进行调整：(9a)卫星接收端检测系统对的指数级调整次数T，其中T的初始值为0；(9b)卫星接收端将系统对的指数级调整次数T作为指数，对当前系统负载G的估计值进行指数级调整,得到调整后的当前系统负载G的估计值并将系统对指数级调整次数T加1后存储；(10)卫星接收端根据调整后的当前系统负载G的估计值计算系统中用户的接入概率p’ac，并将该接入概率p’ac广播给系统中所有的用户。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1、本专利技术由于卫星接收端对当前系统负载进行估计时，采用多包接收方法，充分利用了随机接入接收帧的信息，可以增大负载估计的极限值；同时当系统负载量超过负载估计的极限值时，通过对估计结果进行调整，并利用调整后的负载估计值设置系统中用户的接入概率，提高了系统的吞吐量，与现有技术相比，有效地提高了拥塞控制的效果。2、本专利技术由于在求解负载估计的最大似然函数时，使用了牛顿切线法，并设置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)卫星接收端采用多包接收方法，获取随机接入接收帧的数据包数量概率分布，实现步骤为：(1a)卫星接收端接收用户以帧为单位发送的数据，并缓存当前帧N个时隙的数据；(1b)卫星接收端对缓存的当前帧N个时隙的数据包数量进行检测，并判断各时隙的数据包数量m是否小于等于多包接收参数K，若是，标记该时隙的数据包数量为m，否则标记该时隙的数据包数量为∞；(1c)卫星接收端对数据包数量标记为m的时隙进行统计，得到含有m个数据包的时隙数n；(1d)卫星接收端利用含有m个数据包的时隙数n，计算当前帧N个时隙中任一时隙含有m个数据包的概率P(m)，得到当前帧的数据包数量概率分布；(2)卫星接收端判断当前帧N个时隙中数据包数量的最大值mmax是否小于K，若是，执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；(3)卫星接收端对当前系统负载G进行估计：卫星接收端利用概率分布P(m)，计算当前帧N个时隙数据包数量的均值

【技术特征摘要】
1.一种基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)卫星接收端采用多包接收方法，获取随机接入接收帧的数据包数量概率分布，实现步骤为：(1a)卫星接收端接收用户以帧为单位发送的数据，并缓存当前帧N个时隙的数据；(1b)卫星接收端对缓存的当前帧N个时隙的数据包数量进行检测，并判断各时隙的数据包数量m是否小于等于多包接收参数K，若是，标记该时隙的数据包数量为m，否则标记该时隙的数据包数量为∞；(1c)卫星接收端对数据包数量标记为m的时隙进行统计，得到含有m个数据包的时隙数n；(1d)卫星接收端利用含有m个数据包的时隙数n，计算当前帧N个时隙中任一时隙含有m个数据包的概率P(m)，得到当前帧的数据包数量概率分布；(2)卫星接收端判断当前帧N个时隙中数据包数量的最大值mmax是否小于K，若是，执行步骤(3)，否则执行步骤(4)；(3)卫星接收端对当前系统负载G进行估计：卫星接收端利用概率分布P(m)，计算当前帧N个时隙数据包数量的均值作为对当前系统负载G的估计值(4)卫星接收端对当前系统负载G进行估计：(4a)卫星接收端根据概率分布P(m)，计算m从0到K取值范围内P(m)的累加概率p；(4b)卫星接收端根据累加概率p与当前系统负载G之间的关系，构造最大似然函数f(G)，并求解f(G)，得到当前系统负载G的估计值(5)卫星接收端判断当前系统吞吐量与当前系统负载G的估计值对应的最大吞吐量是否相等：卫星接收端检测当前系统的吞吐量，并判断检测出的吞吐量与当前系统负载G的估计值对应最大吞吐量是否相等，若是，则继续以当前系统中用户的接入概率pac控制系统中用户的接入，否则，执行步骤(6)；(6)卫星接收端判断当前系统负载G的估计值是否在预先设定的准确估计范围内，若是，执行步骤(7)，否则，设置估计状态为不准确，并执行步骤(9)；(7)卫星接收端判断当前系统负载估计状态是否准确，若是，根据当前系统负载G的估计值计算对应的系统中用户的接入概率p’ac，并将该接入概率p’ac广播给系统中所有的用户，否则执行步骤(8)；(8)卫星接收端对当前系统负载G的估计值进行调整：(8a)卫星接收端检测当前系统中用户的接入概率pac；(8b)卫星接收端根据当前系统中用户的接入概率pac，对当前系统负载G的估计值进行调整，得到调整后的当前系统负载G的估计值并执行步骤(10)；(9)卫星接收端对当前系统负载G的估计值进行调整：(9a)卫星接收端检测系统对的指数级调整次数T，其中T的初始值为0；(9b)卫星接收端将系统对的指数级调整次数T作为指数，对当前系统负载G的估计值进行指数级调整,得到调整后的当前系统负载G的估计值并将系统对指数级调整次数T加1后存储；(10)卫星接收端根据调整后的当前系统负载G的估计值计算系统中用户的接入概率p’ac，并将该接入概率p’ac广播给系统中所有的用户。2.根据权利要求1所述的基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法，其特征在于，步骤(1d)中所述的计算当前帧N个时隙中任一时隙含有m个数据包的概率P(m)，计算公式为：其中，N为当前帧的时隙数，n为当前帧N个时隙中含有m个数据包的时隙数。3.根据权利要求1所述的基于多包接收的卫星随机接入拥塞控制方法，其特征在于，步骤(3)中所述的计算当前帧N个时隙数据包数量的均值计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：任光亮，华敬利，张会宁，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61