一种支持区分服务的卫星信道S‑ALOHA接入系统及方法与流程
本发明涉及一种支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统及方法，属于通信技术领域。
背景技术：
现有的卫星信道s-aloha接入存在如下问题：
(1)通常情况下，所有用户的s-aloha协议参数为固定配置，不能根据整个卫星通信系统的状态进行调整，导致用户在不同时间不同位置无法获得一致的接入服务质量和可预期的接入时延。
(2)s-aloha协议本身不支持不同用户间的区分服务特性，无法满足高优先级用户在接入阶段的优先服务需求。
(3)通常情况下，采用s-aloha协议进行接入的卫星通信系统不对系统的总业务到达率进行控制，当用户数量增加时，有可能导致系统进入s-aloha协议的不稳定区，加重了信道冲突，严重影响用户接入效率。
根据上述分析，传统的s-aloha协议在灵活性、稳定性和支持区分服务能力方面存在短板，在广域覆盖的卫星通信系统中，传统s-aloha协议很难适应未来通信容量增加、用户数量增大、业务类型增多和接入服务质量要求增强的发展趋势。
技术实现要素：
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种支持区分服务的卫星信道s-aloha接入方法，利用该方法可以在确保s-aloha协议稳定的前提下，满足不同等级用户的区分服务接入需求。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现：一种支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统，包括：用户总业务到达率计算单元、用户优先级划分单元、时隙碰撞概率计算单元、用户接入延迟估计单元、s-aloha协议稳定性评估单元和迭代计算单元；
用户总业务到达率计算单元：根据用户(地面用户)的新业务到达率和当前单个时隙传输的碰撞概率，计算出该用户的总业务到达率。假设用户的新业务到达率为λi，当前单个时隙的碰撞概率为1-p(0)，其中p(0)为时隙成功传输概率，则用户成功传输所需要的平均尝试次数为
于是，用户总业务到达率的为
时隙成功传输是指当前时隙用户发送的信号未发生碰撞，碰撞是指不同用户在相同的时隙发送信号，即认定为发生碰撞，否则时隙失败传输。
在时间轴划分为若干个相同间隔的时间段，每一个时间段为一个时隙，每个时隙内每个用户可以发送一个消息(分组)。
第一个信息(分组)第一次被某个用户发送，成为这个用户的新业务，若该新业务未成功传输，用户在之后的某个时隙重新发送该信息，称为重传业务，总业务中包括新业务和重传业务。
用户优先级划分单元：对所有用户组成的集合进行划分，将不同的用户划分到不同的优先级集合中，将划分后的优先级集合进行顺序编号，编号值越大的集合所对应的优先级越高，为不同的优先级集合设定不同的重复发送因子，同时将优先级集合的重复发送因子设定为该集合的编号值。假设系统中重复发送因子的取值范围为[1,n]，则经过用户优先级划分后的系统总业务到达率为
把系统总业务到达率送给时隙碰撞概率计算单元。
重复发送因子的值为重复发送的次数。
到达率是指单位时间内到达的业务量，单位时间包括一个多个时隙。
时隙碰撞概率计算单元：按照系统业务到达服从泊松过程进行计算，根据系统的总业务到达率λ可以得到单个时隙的碰撞概率p(0)＝e-λt，再根据用户总业务到达率λ与单个时隙的碰撞概率的关系联立方程组计算出p(0)，送至用户接入延迟估计单元。t为单个时隙的持续时间。
方程组如下：
用户接入延迟估计单元：对用户的接入延迟进行估计，假设当前用户的重复发送因子为ki，当前时隙的碰撞概率为1-p(0)，则单次接入信号(分组)成功传输的概率为
s-aloha协议稳定性评估单元：对优先级划分后的用户接入采用的s-aloha协议稳定性进行评估，若λt＞1，则s-aloha协议不稳定，若λt≤1，则s-aloha协议稳定。
迭代计算单元：根据用户的平均接入延迟ti和对接入延迟的要求，对用户优先级划分进行调整，逐步增加不满足接入时延要求用户的优先级和重复发送因子；对用户优先级划分进行调整后，当所有用户的接入时延满足需求或到达设定的调整最大次数时，将最后一次调整的用户优先级确定为最终的用户优先级。如图3所示，迭代计算的步骤如下
首先将所有用户划分为编号为1的优先级集合，在这种情况下所有用户的重复发送因子为1，通过方程组计算单个时隙的碰撞概率p(0)，分别对用户平均接入延迟和协议稳定性进行判定。
通过单个时隙的碰撞概率p(0)和用户的重复发送因子计算出用户接入的平均接入延迟ti，并与该用户的平均接入延迟需求ti′进行对比，若ti≤t′i则表示该用户的接入时延需求得到满足。
通过每个用户的新业务到达率λi和单个时隙的碰撞概率p(0)之间的关系计算出该用户的总业务到达率λ′i，进一步计算系统所有用户的总业务到达率λ，通过所有用户的总业务到达率λ与时隙长度t之间的乘积是否小于或等于1来判断协议是否稳定。
若所有用户的接入时延需求均得到满足且协议稳定，则迭代算法成功结束，将用户的优先级划分方式作为迭代计算单元的输出结果；若协议不稳定，则说明迭代计算单元无法计算出可行解，需要考虑调整用户业务到达率或接入时延需求重新进行迭代计算；若某些用户的接入时延无法得到满足，则依次将这些用户划分到比当前所在优先级集合对应的重复发送因子大1的优先级集合中，重新进行迭代计算。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明允许对接入时延要求较高的用户可以采用重复发送策略，即在未接收到接入应答分组的前提下可以连续发送多个接入请求分组，若用户一次性连续发送k个接入请求分组，每个分组独立传输的成功概率为p(0)，则用户本次成功接入的概率为1-(1-p(0))k，k越大，单次成功接入概率越高，用户接入时延越短。将连续发送接入请求分组的数量k与用户的优先级相关以实现用户间的区分服务。
(2)本发明给出了一种支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统和方法，建立了用户业务到达率数学模型，给出了用户接入时延的估算方法。在此基础上，对用户集合进行划分形成多个优先级集合，给出了优先级集合与重复发送因子的映射关系，利用不同的重复发送因子实现不同用户的区分服务。
(3)本发明给出了用户优先级划分的迭代算法，将s-aloha协议的稳定性纳入迭代算法的判据中，迭代计算的结果需保证s-aloha协议的稳定性，在实际应用中确保了采用s-aloha协议的接入系统处于稳定状态。
附图说明
图1为本发明涉及到的各单元关系示意图；
图2为迭代计算单元算法执行流程图；
图3为采用重复发送策略的s-aloha接入协议重传示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体示例对本发明做进一步介绍。
本发明涉及一种支持区分服务的卫星信道s-aloha(时隙aloha)接入系统及方法，在s-aloha协议基础上，采用了重复发送策略降低高优先级用户的接入时延，实现区分服务；本发明研究了用户在卫星信道条件下采用s-aloha动态接入的时延与总业务到达率关系的基础上，改进了用户接入请求的确认方式，提出了重复发送策略，即用户可以在未收到接入请求确认情况下可连续发送多个请求，通过对不同终端重复发送因子的控制实现区分服务。这种方法可以简单有效地提升卫星通信系统在用户接入阶段时的区分服务能力，给出用户接入时延的定量估计，为保障用户的qos提供辅助决策支持。
本发明支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统，包括：用户总业务到达率计算单元、用户优先级划分单元、时隙碰撞概率计算单元、用户接入延迟估计单元、s-aloha协议稳定性评估单元和迭代计算单元，如图1所示；
用户总业务到达率计算单元：根据用户(地面用户)的新业务到达率和信号在单个时隙传输的碰撞概率，计算出该用户的总业务到达率。假设用户的新业务到达率为λi，p(0)为信号在单个时隙成功传输的概率，因此信号在单个时隙传输的碰撞概率为1-p(0)，，则到信号在时隙成功传输为止，用户的平均尝试次数为
于是，用户总业务到达率的为
信号碰撞是指两个或两个以上的用户在相同的时隙进行传输，信号碰撞会导致相关用户信号传输失败。信号在时隙成功传输是指当前时隙用户发送的信号未发生碰撞。
将时间轴划分为若干个相同的时间段，每一个时间段称为一个时隙，每个用户可以在任何一个时隙内发送至多一个消息(分组)。
用户第一次发送的信号(分组)称为该用户的新业务，若该信号(分组)未成功传输，则用户将在之后的某个时隙重新发送该信号(分组)，将这些重传信号(分组)称为重传业务。用户的总业务包括新业务和重传业务。
用户优先级划分单元：对所有用户组成的集合进行划分，将不同的用户划分到不同的优先级集合中，将划分后的优先级集合进行顺序编号，编号值越大的集合所对应的优先级越高，同时将优先级集合的重复发送因子设定为该集合的编号值。假设系统中重复发送因子的取值范围为[1,n]，则经过用户优先级划分后的系统总业务到达率为
把系统总业务到达率送给时隙碰撞概率计算单元。
重复发送因子的值为重复发送的次数。
到达率是指单位时间内到达的业务量，单位时间包括一个或多个时隙。
时隙碰撞概率计算单元：按照系统业务到达服从泊松过程进行计算，根据系统的总业务到达率λ可以得到单个时隙的碰撞概率p(0)＝e-λt，再根据用户总业务到达率λ与单个时隙的碰撞概率的关系联立方程组计算出p(0)，送至用户接入延迟估计单元。t为单个时隙的持续时间。
方程组如下：
用户接入延迟估计单元：对用户的接入延迟进行估计，假设当前用户的重复发送因子为ki，当前时隙的碰撞概率为1-p(0)，则单次接入信号(分组)成功传输的概率为
将用户的平均接入延迟ti送至迭代计算单元；
s-aloha协议稳定性评估单元：对优先级划分后的用户接入采用的s-aloha协议的稳定性进行评估，若λt＞1，则s-aloha协议不稳定，若λt≤1，则s-aloha协议稳定。
迭代计算单元：根据用户的平均接入延迟ti和对接入延迟的要求，对用户优先级划分进行调整，逐步增加不满足接入时延要求用户的优先级和重复发送因子；对用户优先级划分进行调整后，当所有用户的接入时延满足需求或到达设定的调整最大次数时，将最后一次调整的用户优先级确定为最终的用户优先级。
支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统通过允许部分用户采用重复发送策略以满足其对接入时延的需求。重复发送策略是指用户采用s-aloha协议发送信号(分组)时可以在未收到应答或反馈超时之前重复发送若干个相同的信号(分组)，如图3所示，只要其中任何一个信号(分组)成功传输就意味着用户信号(分组)传输成功，在时隙碰撞概率不变的前提下，采用重复发送策略可以显著提升信号(分组)成功传输概率。考虑到在卫星通信系统中，用户和卫星之间通信信号的往返传播时延较大，由于信号(分组)碰撞后重传会显著增加用户的接入时延，而采用重复发送策略可以提升用户信号(分组)的成功传输概率，进而降低用户的接入延迟。用户的重复发送因子越大，提升效果越显著，接入延迟就越短，因此可以为不同等级的用户配置不同的重复发送因子以实现区分服务。系统采用了协议是否稳定性和用户接入时延是否得到满足为判据的迭代计算单元，确保接入系统能够在稳定的前提下满足各用户对接入延迟的需求。
根据所有用户对接入时延的需求和s-aloha协议的稳定性要求，迭代计算单元得出的用户优先级划分方式有两种可能的结果。一种是优先级划分方式既能够满足用户对接入时延的需求又能够满足s-aloha协议的稳定性要求，为支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统所期望的结果；另一种是优先级划分方式不能满足接入时延的需求或者不能满足协议的稳定性要求，表明在当前的输入条件下无法找到合理的用户优先级划分方式，需要对系统的输入条件进行调整并重新进行迭代计算。如图3所示，具体的调整策略如下
(1)降低部分用户对接入延迟的需求，使得迭代计算单元不必为这些用户配置更大的重复发送因子，从而降低系统总业务到达率，提高系统稳定裕度，同时也更容易满足用户对接入延迟的需求；
(2)降低部分用户的新业务到达率或增加用户重传发送间隔，等效于降低了这些用户对系统总业务到达率的贡献，从而降低系统总业务到达率，提高系统稳定裕度。
如图2和3所示，迭代计算单元中迭代计算的步骤如下
首先将所有用户划分为编号为1的优先级集合，在这种情况下所有用户的重复发送因子为1，通过方程组计算单个时隙的碰撞概率p(0)，分别对用户平均接入延迟和协议稳定性进行判定。
通过单个时隙的碰撞概率p(0)和用户的重复发送因子计算出用户接入的平均接入延迟ti，并与该用户的平均接入延迟需求t′i进行对比，若ti≤t′i则表示该用户的接入时延需求得到满足。
通过每个用户的新业务到达率λi和单个时隙的碰撞概率p(0)之间的关系计算出该用户的总业务到达率λ′i，进一步计算系统所有用户的总业务到达率λ，通过所有用户的总业务到达率λ与时隙长度t之间的乘积是否小于或等于1来判断协议是否稳定。
若所有用户的接入时延需求均得到满足且协议稳定，则迭代算法成功结束，将用户的优先级划分方式作为迭代计算单元的输出结果；若协议不稳定，则说明迭代计算单元无法计算出可行解，需要考虑调整用户业务到达率或接入时延需求重新进行迭代计算；若某些用户的接入时延无法得到满足，则依次将这些用户划分到比当前所在优先级集合对应的重复发送因子大1的优先级集合中，重新进行迭代计算。
优选系统中有10个用户，每个用户新业务到达率都相同，且都属于优先级集合1，归一化新业务到达率为λt＝0.03，则系统所有用户新业务达到率为10λt＝0.3，用p(0)表示单个时隙成功传输概率，则系统所有用户总业务到达率为
假设其中某个用户要求接入分组成功传输所需要的平均尝试次数不超过1.2，运行迭代算法，将该用户的划分到优先级集合2，则此时系统的归一化新业务到达率为11λt＝0.33，利用方程p(0)lnp(0)＝0.33求解出单个时隙成功传输概率p(0)＝0.547，可以进一步计算出属于优先级集合1的用户接入分组成功传输所需要的平均尝试次数为
通过上述示例可以看出，支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统将其中一个用户的接入分组成功传输所需的平均尝试次数降低为1.2，由于用户的平均接入时延与平均尝试次数成正比，因此相比于传统的s-aloha接入系统，支持区分服务的卫星信道s-aloha接入系统将该用户的平均接入时延降低了36％，满足了该用户对接入时延的需求。同时，该用户的平均接入时延相比于其他用户降低了46％，实现了对该用户的区分服务。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！