一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法技术

本发明专利技术公开了一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法，根据用户对时延的需求程度将用户分为不同优先级，时延需求越高的用户优先传输分组，为满足不同用户的接入时延需求，同时降低性能分析系统的平均时延；进一步，利用粒子群算法求解了优先级的无帧结构ALOHA协议的最佳时隙分配方案；该协议根据用户对时延的需求程度将用户分为不同优先级，时延需求越高的用户可以优先传输分组。进一步，利用粒子群算法求解了优先级的无帧结构ALOHA协议的最佳时隙分配方案。仿真验证了提出的理论分析，同时证明了相比无帧结构ALOHA协议，优先级无帧结构ALOHA协议的平均时延能够降低50％左右，同时满足用户对时延的不同需求。同时满足用户对时延的不同需求。同时满足用户对时延的不同需求。

A performance analysis method of ALOHA protocol for priority frameless structure

【技术实现步骤摘要】
一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法


[0001]本专利技术涉及通信
，具体为一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法。

技术介绍

[0002]随机多址接入协议是解决访问用户如何高效共享一个公共信道的技术。ALOHA协议是由美国夏威夷大学开发的一种网络协议。ALOHA采用的是一种随机接入的信道访问方式，处于OSI模型中的数据链路层。它属于随机存取协议(Random Access Protocol)中的一种。时隙ALOHA(Slotted ALOHA)协议是对纯ALOHA协议的一个改进，思想是用时钟来统一用户的数据发送。改进之处在于，它把频道在时间上分段，每个传输点只能在一个分段的开始处进行传送。用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，每次传送的数据必须少于或者等于一个频道的一个时间分段。这样很大的减少了传输频道的冲突。从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。时隙ALOHA是典型的随机多址接入协议之一，被广泛应用在卫星网络和蜂窝移动通信网络中。然而，由于用户随机传输分组，当接入用户数目较高时，时隙内分组产生碰撞的概率较高，产生碰撞的分组无法进行译码会被丢弃，碰撞的分组在之后的时隙重新传输，这样会导致系统的吞吐量时延等性能下降。1983年，Choudhury等人提出了DSA(Diversity Slotted ALOHA)协议，通过在不同时隙内传输两次相同的分组能够减少分组重传次数，降低用户时延，提高系统吞吐量。然而，虽然通过同一个分组传输2次的方式可以减少分组重传次数，但是会增加时隙内分组碰撞概率，串行干扰消除技术(SIC)通过将接收的信号按其强度从大到小进行排队，然后用户被依次解扩。一旦某个信号被检出，接收机将对该信号重构，再把它从接收信号中消除，从而减少对剩余信号的干扰，可以有效解决时隙ALOHA中时隙内多个分组碰撞不能译码的问题，提高系统容量。2007年，Casini等人提出了CRDSA协议，首次将SIC技术应用在S
‑
ALOHA中，通过发端在传输周期内重复发送2次分组，接收端应用SIC技术对接收的分组进行译码的方式有效解决了时隙内分组碰撞不能译码的问题，减少了分组重传带来的时延，大幅度提高了系统性能。SIC技术在S
‑
ALOHA协议中的应用极大地改变了随机多址接入协议的性能，推动了基于SIC的S
‑
ALOHA协议的发展和研究，这些协议统称帧结构ALOHA协议。相比DSA协议，帧结构ALOHA协议可以大幅度提高系统吞吐量，但是由于串行干扰技术的引入，接受端的译码复杂度增加。2013年，Stefanovic等人首次将无速率码的思想应用到S
‑
ALOHA协议的研究中，在帧结构ALOHA的基础上提出了无帧结构ALOHA协议。在无帧结构ALOHA协议中，传输周期根据基站即时反馈的译码情况变化，相比于帧结构ALOHA协议，无帧结构ALOHA协议可以减少时隙资源的浪费，提高信道利用率。基于无帧结构ALOHA传输周期灵活性，大量基于无帧结构ALOHA协议的系统性能分析被相继提出，这些研究大部分集中在对系统吞吐量的提升，鲜有关于无帧结构ALOHA协议时延性能的研究分析。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术实施例提供一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法，在无帧结构ALOHA协议的基础上提出了一种优先级的无帧结构ALOHA协议，通过将用户分优先级的方式可以满足不同用户的接入时延需求，同时降低系统的平均时延。本专利技术给出了优先级无帧结构ALOHA协议性能的理论分析并进行了仿真验证。同时，为了得到在满足高优先级用户时延需求的同时保证系统性能较优的时隙分配方案，本专利技术提出了基于粒子群(PSO)的时隙分配方法。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法，根据用户对时延的需求程度将用户分为不同优先级，时延需求越高的用户优先传输分组，为满足不同用户的接入时延需求，同时降低性能分析系统的平均时延；进一步，利用粒子群算法求解了优先级的无帧结构ALOHA协议的最佳时隙分配方案；具体包括如下步骤：
[0005]步骤1：u个用户以概率p随机竞争接入基站发送一个分组，接入用户对时延有不同的需求；根据用户对时延的不同需求，用户被分为c个优先级，相应的被分为c个等级的时隙分配给不同的优先级的用户，不同于帧结构ALOHA中时隙数目是固定帧长，在无帧结构ALOHA中时隙数目s根据用户的译码情况即时变化直到大部分用户传输的分组译码成功；
[0006]步骤2：为了简化后续系统的理论分析，假设系统：1)基站和用户的时间同步；2)用户传输分组的时间不大于时隙的时间；基站使用串行干扰消除技术对接收到的分组进行译码并反馈给用户；
[0007]为了分析系统性能，引入度分布来描述用户发送分组和时隙接受分组情况；第i个优先级用户和时隙的度分布用公式(1)表示，其中Λ
i
(x)为用户的度分布，代表用户在分配的时隙内传输同一分组l次的概率；其中Ω
i
(x)为时隙的度分布，代表一个时隙内接收的分组数目为l的概率；用U＝{u1,u2,...,u
c
}表示用户集合，其中u
i
代表第i个优先级用户的数目；相对应，用S＝{s1,s2,...,s
c
}表示时隙集合，其中s
i
代表第i个等级的时隙数目，根据用户译码情况即时变化；第i个等级的时隙度分布可服从二项分布近似为泊松分布为公式(2)，其中为第i个优先级竞争接入基站的用户数目；
[0008]x
l
是时隙节点收到l个分组或者一个用户发送一个分组l次，k代表的是变量的值，k和e
‑
λ
是泊松分布公式里面的量，Pe
i
‑1表示第i
‑
1级时隙的分组错误概率Pe；k！为k的阶乘；
[0009][0010][0011]步骤3：对反馈过程用户作为接收端时，基于串行干扰消除的分组译码过程进行建
模，将第i个等级的所有时隙根据定义1、定义2、定义3划分为不同的集合：
[0012]定义1为集合Z
i
：集合元素为接收的所有分组都译码成功的时隙，即度为0的时隙，集合Z
i
中的元素的数目用z
i
表示；
[0013]定义2为集合R
i
:集合元素为接收的所有分组中仍有一个分组未译码成功的时隙，集合R
i
中的元素的数目用r
i
表示；
[0014]定义3为集合C
i
：集合元素为接收的所有分组中有两个或者两个以上分组未译码成功的时隙，集合C
i
中的元素的数目用c
i
表示；
[0015]基站在第i个等级时隙结束后开始对接收到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法，其特征在于，根据用户对时延的需求程度将用户分为不同优先级，时延需求越高的用户优先传输分组，为满足不同用户的接入时延需求，同时降低性能分析系统的平均时延；进一步，利用粒子群算法求解了优先级的无帧结构ALOHA协议的最佳时隙分配方案；具体包括如下步骤：步骤1：u个用户以概率p随机竞争接入基站发送一个分组，接入用户对时延有不同的需求；根据用户对时延的不同需求，用户被分为c个优先级，相应的被分为c个等级的时隙分配给不同的优先级的用户，不同于帧结构ALOHA中时隙数目是固定帧长，在无帧结构ALOHA中时隙数目s根据用户的译码情况即时变化直到大部分用户传输的分组译码成功；步骤2：为了简化后续系统的理论分析，假设系统：1)基站和用户的时间同步；2)用户传输分组的时间不大于时隙的时间；基站使用串行干扰消除技术对接收到的分组进行译码并反馈给用户；为了分析系统性能，引入度分布来描述用户发送分组和时隙接受分组情况；第i个优先级用户和时隙的度分布用公式(1)表示，其中Λ
i
(x)为用户的度分布，代表用户在分配的时隙内传输同一分组l次的概率；其中Ω
i
(x)为时隙的度分布，代表一个时隙内接收的分组数目为l的概率；用U＝{u1,u2,...,u
c
}表示用户集合，其中u
i
代表第i个优先级用户的数目；相对应，用S＝{s1,s2,...,s
c
}表示时隙集合，其中s
i
代表第i个等级的时隙数目，根据用户译码情况即时变化；第i个等级的时隙度分布可服从二项分布近似为泊松分布为公式(2)，其中为第i个优先级竞争接入基站的用户数目；x
l
是时隙节点收到l个分组或者一个用户发送一个分组l次，k代表的是变量的值，k和e
‑
λ
是泊松分布公式里面的量，Pe
i
‑1表示第i
‑
1级时隙的分组错误概率Pe；k！为k的阶乘；1级时隙的分组错误概率Pe；k！为k的阶乘；步骤3：对反馈过程用户作为接收端时，基于串行干扰消除的分组译码过程进行建模，将第i个等级的所有时隙根据定义1、定义2、定义3划分为不同的集合：定义1为集合Z
i
：集合元素为接收的所有分组都译码成功的时隙，即度为0的时隙，集合Z
i
中的元素的数目用z
i
表示；定义2为集合R
i
:集合元素为接收的所有分组中仍有一个分组未译码成功的时隙，集合R
i
中的元素的数目用r
i
表示；定义3为集合C
i
：集合元素为接收的所有分组中有两个或者两个以上分组未译码成功的时隙，集合C
i
中的元素的数目用c
i
表示；基站在第i个等级时隙结束后开始对接收到的分组逐个时隙进行译码，定义一个时隙
译码完成为一个迭代；每次迭代的完成，根据时隙迭代前后的时隙内未译码成功的分组数目，第i个等级的所有时隙状态所属集合的转移情况有四种：由集合C
i
转移到集合C
i
；由集合C
i
转移到集合R
i
；由集合R
i
转移到集合R
i
；由集合R
i
转移到集合Z
i
；每次迭代能够译码成功的必要条件是集合R
i
中的元素不为0，即存在只有一个分组未译码成功的时隙，进行基于串行干扰消除的译码才能继续进行；为了后续对第i个优先级用户的性能进行数值分析，引入以下符号并进行说明：每次迭代完成后由集合C
i
转移到集合R
i
的时隙数目；每次迭代完成后由集合R
i
转移到集合Z
i
的时隙数目；时隙由集合C

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡雪莲，范逸馨，樊聪，郑静，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：