一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法

一种用于优先级无帧结构的aloha协议的性能分析方法
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明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。本发明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，本发明提出了基于粒子群(pso)的时隙分配方法。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：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：
5.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；
6.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；
7.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λi(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ωi(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,...,uc}表示用户集合，其中ui代表第i个优先级用户的数目；相对应，用s＝{s1,s2,...,sc}表示时隙集合，其中si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；
8.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zi：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zi中的元素的数目用zi表示；
[0013]
定义2为集合ri: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ri中的元素的数目用ri表示；
[0014]
定义3为集合ci：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ci中的元素的数目用ci表示；
[0015]
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ci转移到集合ci；由集合ci转移到集合ri；由集合ri转移到集合ri；由集合ri转移到集合zi；每次迭代能够译码成功的必要条件是集合ri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；
[0016]
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：
[0017]
每次迭代完成后由集合ci转移到集合ri的时隙数目；
[0018]
每次迭代完成后由集合ri转移到集合zi的时隙数目；
[0019]
时隙由集合ci转移到集合ri的概率；
[0020]
pei：第i个优先级用户的分组丢弃率；
[0021]
ti：第i个优先级用户的系统吞吐量；
[0022]di
：第i个优先级用户的平均时延；
[0023]
引入下标n，表示分组译码过程中未译码成功的分组数目；关注从n到n-1的状态转变，代表着一个时隙从集合ri转移到集合zi；引入状态如公式(3)和引理1对第i个优先级用户分组译码过程进行分析：
[0024][0025]
引理1：已知译码过程的译码器当下状态为当时译码器处于状态的概率由公式(4)计算获得；
[0026][0027]
其中
[0028][0029]
公式(4)中：pr为概率，为前一状态，为每次迭代完成后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的数目，为每次迭代完成后接收的所有分组中
仍有一个分组未译码成功的时隙的数目，为每次迭代完成后接收的所有分组中都译码成功的时隙的数目，si为所有时隙的数目；
[0030][0031]
公式(5)中：ωd为时隙里未译码分组数为d的分布，为未译码分组数目为1的所有时隙集合,y为当前时隙；
[0032]
当集合ri的元素数目为0时即时，此时第i个等级所有时隙内都有两个或者两个以上的分组未译码成功，基于串行干扰消除的过程结束，根据译码器状态机推导得出第i个优先级用户的分组丢弃率表示为公式(6)，吞吐量表示为公式(7)，平均时延用公式(8)表示，其中表示优先级为i的第j个用户接入的时隙位置；
[0033][0034][0035][0036]
因为基站会在第i个等级时隙结束后向用户发送译码失败的分组信息，译码失败的分组可以在接下来的第i+1个等级时隙以概率p被重新传输，所以系统分组丢弃率只与最低优先级的分组丢弃率有关，推导为公式(9)；系统吞吐量推导为公式(10)，系统平均时延为各个优先级时延的加权平均表示为公式(11)；
[0037][0038]
其中，
[0039][0040][0041]
上式中：pe为系统分组丢弃率，pec为第c个优先级用户的分组丢弃率，为第c个优先级竞争接入基站的用户数目，t为系统吞吐量；
[0042]
步骤4：优先级的无帧结构aloha通过将不同等级的时隙分配给对时延需求不同的用户，有效降低用户的接入时延，满足不同用户对时延的不同需求；然而，如果时隙分配方案不合理，如将大量时隙资源分配给高优先级用户，会导致低优先级用户较高的分组丢弃率，从而系统性能会受到较大的影响的问题；因此，需要寻找合理的时隙分配方案确保在满足高优先级用户对时延需求的同时，确保系统性能的稳定；
[0043]
假设在c个优先级用户中，有cr个优先级用户对时延有需求；优先级为i的用户对时延的需求用dr表示，即第i个优先级用户的平均时延在满足优先级对时延需求的同时，系统性能能够最优化，即系统吞吐量能够最大化，同时系统的分组丢弃率满足pe≤per，则系统的问题建模为公式(12)：
[0044][0045]
由于公式(4)～(6)第i个优先级的分组丢弃率是关于竞争介入用户数目，分配时隙数目及分组传输概率的函数用进行表示；
[0046]
通过遍历的方法求取公式(12)为最优解，得到最优化系统性能的时隙分配方案；由于函数的复杂性，遍历的方式会大大增加计算时间的成本；为了减少计算
时间成本，计算函数的次数，提出用粒子pso算法求解公式(12)，得出时隙分配方案，在保证优先级用户对时延需求的同时最大化系统性能；基于粒子pso的时隙分配方案中，分配给不同优先级的时隙数目代表粒子，系统吞吐量为评价函数。
[0047]
优选的，所述步骤1中第i个优先级的用户在分配的第i个等级的时隙内可以多次传输其分组，用户未能传输成功的分组在接下第i+1个等级时隙内以概率p被重新传输。
[0048]
优选的，所述步骤2中对于优先级i的用户，基站会在第i个等级时隙结束后向用户发送译码失败的分组信息，译码失败的分组在接下来的第i+1个等级时隙以概率p被重新传输。
[0049]
有益效果:
[0050]
本发明提供了一种用于优先级无帧结构的aloha协议的性能分析方法，具有以下有益效果：
[0051]
(1)满足随机多址接入系统中用户的不同时延需求；
[0052]
(2)粒子群算法能够以较低的计算成本得到使系统较优的时隙分配方案。
附图说明
[0053]
图1为本发明的系统模型示意图；
[0054]
图2为本发明的分组丢弃率理论分析和仿真随拟合图；
[0055]
图3为本发明的吞吐量理论分析和仿真随拟合图；
[0056]
图4为本发明的基于粒子群算法时隙分配方案迭代结果示意图。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
实施例:如图1-4所示的本发明的一种用于优先级无帧结构的aloha协议的性能分析方法，具体步骤见表1。
[0059]
表1基于pso的时隙分配方案
[0060][0061][0062]
性能分析：
[0063]
a.仿真验证
[0064]
为了评估3.1用户和系统性能理论推导的有效性，首先给出优先级用户和系统性能理论分析和仿真结果的拟合图如图2和图3。分析用户数u＝8，用户接入概率为p＝0.5，时隙数目为s＝32，用户和时隙集合分别为u＝{4,4}s＝{s,31-s1}＝{9～28,31-s1}时系统的性能。从图2可以看出，在给定的时隙资源分配范围内，当分配给高优先级用户时隙资源逐渐增多时，高优先级用户的分组丢弃率会逐渐降低，但随之而来由于低优先级用户得到的时隙资源逐渐减少，会导致系统整体的分组丢弃率逐渐增加。同时由图3可以看出，当时隙分配在一定范围内时即s1＝9～28，高优先级用户和低优先级用户吞吐量处于互补状态，即此时能够译码器能够解码的分组数目处于比较稳定状态，所以系统整体的吞吐量处于比较稳定状态，当s1＞20时由于时隙资源分配的不合理，对于高优先级用户来说造成了时隙资源浪费，而对于低优先级用户来说由于会由于时隙资源较少造成能够译码成功的分组减少，因此系统整体的吞吐量会逐渐下降。
[0065]
b.性能对比
[0066]
首先按照表2的参数设置，利用穷举方法找出在满足时延和分组丢弃率条件下使系统吞吐量最优的时隙分配方案如表2。然后给定相同用户和相同时隙资源情况下，对无帧
结构aloha和优先级无帧结构aloha系统的性能进行分析对比如表3。由表3可以看出虽然相比与无帧结构aloha，优先级的无帧结构aloha在系统吞吐量和分组丢弃率上有所下降，但优先级的无帧结构aloha能够满足高优先级用户对时延的需求同时系统的平均时延相对较低。
[0067]
表2无帧结构aloha与优先级无帧结构aloha性能对比
[0068][0069]
表3基于粒子群和穷举法的时隙分配方案对比
[0070][0071]
按照表2参数设置，用粒子群算法确定最优的时隙分配方案并与穷举法确定的时隙分配方案进行对比。图4是粒子群算法的迭代结果，粒子群的规模n＝10，最大迭代次数为10，表3是两种方案的对比结果，其中代表两种方案的计算成本(计算函数的次数)，根据公式(6)(10)(12)可以得出穷举法的计算成本c
穷举
＝(s-1)*c，基于粒子群的时隙分配方法的计算成本为c
pso
＝c*n*i
max
。从表3可以看出相比穷举法的时隙分配方法，基于pso的时隙分配机制可以在较低的计算成本下得到较优的时隙分配方案。
[0072]
为了满足随机多址接入系统中用户的不同时延需求，提出了一种优先级的无帧结构aloha协议。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。进一步，仿真数据证明了粒子群算法能够以较低的计算成本得到使系统较优的时隙分配方
案。
[0073]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0074]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。