帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議性能分析*

高 倩，張更新

（中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引 言

隨著交互式衛(wèi)星終端不斷向著小型化、低成本化發(fā)展，大大促進(jìn)了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的研究和發(fā)展，尤其是低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的研究，迎來了新的發(fā)展機(jī)遇期。在低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，大多數(shù)用戶終端經(jīng)常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，具有突發(fā)性特點，傳輸周期并不頻繁，也有少量的用戶終端需要不定時傳輸一些數(shù)據(jù)量較大的信息。這就需要一個有效的多址接入?yún)f(xié)議，能夠處理大量用戶終端共享衛(wèi)星有限的資源（由于衛(wèi)星覆蓋范圍大，連接終端數(shù)目龐大），并能適應(yīng)負(fù)載的動態(tài)變化。按需分配多址接入（Demand Assignment Multiple Access，DAMA）協(xié)議在傳輸較大或者周期性數(shù)據(jù)包時，能夠有效利用帶寬表現(xiàn)出較好的性能。但時，在傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)包時，性能卻大打折扣，傳輸時延也較長。隨機(jī)接入?yún)f(xié)議對突發(fā)性數(shù)據(jù)包的傳輸有先天性優(yōu)勢，然而傳統(tǒng)的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議在衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用中性能表現(xiàn)較差。在過去的幾十年間，幾種基于時隙Aloha（Slotted ALOHA，SA）[1]的隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議被提出。其中，分集時隙Aloha（Diversity Slotted ALOHA，DSA）[2]協(xié)議采用了將數(shù)據(jù)包重復(fù)發(fā)送兩次的策略，負(fù)載較小時，比SA協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量（定義為每時隙成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，單位為packets/slot）性能略好。競爭解決分集時隙ALOHA協(xié)議（Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA）[3]在DSA協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了干擾消除（Interference Cancellation，IC）信號處理技術(shù)[4-6]來恢復(fù)部分碰撞的數(shù)據(jù)包，使得系統(tǒng)吞吐量性能得到明顯提高，吞吐量最高可達(dá)0.55 packets/slot，而SA協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量最高只有0.37 packets/slot。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量性能，降低數(shù)據(jù)包丟失率（Packet Loss Ratio，PLR），對CRDSA協(xié)議做了改進(jìn)，形成了CRDSA++協(xié)議[7]。改進(jìn)如下：（1）增加每幀發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)，3～5次為宜；（2）利用捕獲效應(yīng)[8]在接收到的數(shù)據(jù)包功率不平衡時，進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量性能。由文獻(xiàn)[7]可知，當(dāng)重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包次數(shù)為3次且不考慮捕獲效應(yīng)的情況下，CRDSA++協(xié)議的系統(tǒng)最高吞吐量幾乎接近0.7 packets/slot。因此，CRDSA++協(xié)議是可以應(yīng)用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中較理想的接入?yún)f(xié)議，可大大改善傳統(tǒng)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的性能，且比DAMA協(xié)議的傳輸時延小很多。然而，CRDSA++協(xié)議有個致命的缺陷，當(dāng)系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大值后，隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，系統(tǒng)吞吐量性能將急劇下降。為解決這個問題，本文提出了一種帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議。這種標(biāo)記方式最初被應(yīng)用于大容量的無線射頻識別系統(tǒng)中[9]。當(dāng)終端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，先發(fā)送1 bit標(biāo)記信號。衛(wèi)星在很短時間內(nèi)通過接收到的標(biāo)記信號估計出需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端數(shù)，發(fā)送廣播信令對終端的接入時間進(jìn)行控制，從而保證在不同負(fù)載條件下系統(tǒng)的吞吐量性能一直保持在較高水平。

1 系統(tǒng)模型

圖1是研究的應(yīng)用系統(tǒng)模型，STs（Satellite Terminals）通過衛(wèi)星和地面信關(guān)站將MD（Message Data）傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器中。每個ST都有自己唯一的ID號，設(shè)為28 bit。表1列出了該應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，衛(wèi)星高度為1 500 km，用戶鏈路使用L波段，饋線鏈路使用Ka波段，用戶鏈路和饋線鏈路都使用頻分雙工（FDD）方式進(jìn)行雙向通信。衛(wèi)星終端的發(fā)送功率是1W，數(shù)據(jù)包長度為1 000 bit。假設(shè)該系統(tǒng)模型中衛(wèi)星和終端一直保持時間同步。

圖1 應(yīng)用系統(tǒng)模型

表1 應(yīng)用系統(tǒng)參數(shù)

2 帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議

如果沒有特別強(qiáng)調(diào)，暫時不考慮捕獲效應(yīng)，假設(shè)接收到的數(shù)據(jù)包功率基本保持平衡。在CRDSA++協(xié)議里，每一幀有n個時隙，每個終端在每幀最多只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，即使發(fā)生碰撞，也不能在同一幀里重傳該數(shù)據(jù)包。歸一化負(fù)載G表示每時隙平均傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目，單位為packets/slot。歸一化吞吐量為每時隙成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)目，單位為packets/slot。當(dāng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)包時，會在同一幀里任意選擇t個不同的時隙將該數(shù)據(jù)包發(fā)送t次，t一般取值為3～5，且每個數(shù)據(jù)包都包含同一幀里它的其他副本的時隙位置信息。確定t值后，整個傳輸過程中t值不變，所有發(fā)送的數(shù)據(jù)包都重復(fù)發(fā)送t次。當(dāng)數(shù)據(jù)包被成功接收后，通過它包含的副本時隙位置信息找到其他副本所在時隙，進(jìn)而消除其他副本對所在時隙中其他數(shù)據(jù)包的干擾。該過程迭代若干次后，可以達(dá)到比CRDSA協(xié)議更好的系統(tǒng)性能。如圖2所示，當(dāng)PLR=10-5時，CRDSA++協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量可高達(dá)5×10-1packets/slot。如此顯著的性能提升得益于增加了碰撞數(shù)據(jù)包的多樣性，使其通過迭代能更好地恢復(fù)出碰撞數(shù)據(jù)包。

這里用二分圖法表示協(xié)議中干擾消除這一迭代過程，如圖3所示。為了方便理解，{B1,B2,B3,B4,B5…}表示發(fā)送的數(shù)據(jù)包集，{S1,S2,S3,S4,S5…}表示每幀的時隙集，一條邊代表發(fā)送了一個數(shù)據(jù)包。因此，一個數(shù)據(jù)包節(jié)點有幾條邊，就代表這個數(shù)據(jù)包重復(fù)發(fā)送了幾次；一個時隙節(jié)點有幾條邊，就代表該時隙有幾個數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞。這里列舉了t=3時的干擾消除迭代過程。如果數(shù)據(jù)包能夠被成功接收，則對應(yīng)的邊標(biāo)記為1，否則標(biāo)記為0。每個數(shù)據(jù)包都重復(fù)發(fā)送3次，因此每個包節(jié)點都有3條邊。

圖2 SA、CRDSA和CRDSA++的吞吐量、PLR與歸一化負(fù)載

圖3 迭代過程的二分圖表示法

如圖3（a）所示，初始狀態(tài)每條邊都標(biāo)記為0，迭代開始。

圖3（b）能夠成功譯碼B1，因為它在第一個時隙S1里沒有其他干擾，B1對應(yīng)的三條邊都標(biāo)記為1并從圖中刪除。繼續(xù)尋找時隙節(jié)點中只有一條邊的節(jié)點，這些節(jié)點代表了經(jīng)過一次迭代后該時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包可以被成功譯碼。

圖3（c）中在S2能成功接收B2，B2所有副本數(shù)據(jù)包在其他時隙造成的干擾都能被消除，對應(yīng)的邊都標(biāo)記為1，然后從圖中刪除。

如圖3（d）所示，第三次迭代恢復(fù)出B5；

如圖3（e）所示，第四次迭代恢復(fù)出B3；

如圖3（f）所示，第五次迭代恢復(fù)出B4。

設(shè)系統(tǒng)吞吐量最大時，對應(yīng)的負(fù)載為GTH。如圖2所示，當(dāng)G≤GTH時，CRDSA++協(xié)議的迭代干擾消除過程可以恢復(fù)出大部分碰撞數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)吞吐量性能很好。然而，當(dāng)G≤GTH時，由于每幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目太多，使干擾消除過程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，幾乎無法恢復(fù)出碰撞數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失率急劇上升，系統(tǒng)吞吐量性能急劇下降。為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，下面介紹一種帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議。該協(xié)議通過發(fā)送標(biāo)記的方式，可以在很短時間內(nèi)估計出發(fā)送數(shù)據(jù)終端的數(shù)目，進(jìn)而控制發(fā)送數(shù)據(jù)終端的發(fā)送時間，實現(xiàn)有效的接入控制，使系統(tǒng)能夠一直保持良好的性能。

如圖4所示，ST發(fā)送數(shù)據(jù)時要經(jīng)過兩個階段。第一個階段是發(fā)送標(biāo)記階段，可以在很短時間內(nèi)估計出要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端數(shù)。衛(wèi)星廣播發(fā)送標(biāo)記的控制信號，終端ST收到廣播信號后，需要發(fā)送數(shù)據(jù)的ST通過上行鏈路發(fā)送標(biāo)記信號FG，衛(wèi)星根據(jù)接收到的總信號功率估計出發(fā)送數(shù)據(jù)的終端數(shù)目。第二個階段是發(fā)送數(shù)據(jù)階段，可以利用發(fā)送標(biāo)記階段中估計的終端數(shù)進(jìn)行有效的接入控制，使系統(tǒng)吞吐量性能保持在較高水平。衛(wèi)星廣播發(fā)送數(shù)據(jù)的控制信號sMD中包含了終端ID掩碼值。需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端ST收到廣播信號后，對照自身ID號，當(dāng)與衛(wèi)星廣播的ID掩碼匹配時，發(fā)送數(shù)據(jù)信息MD。

圖4 ST發(fā)送數(shù)據(jù)過程

2.1 發(fā)送標(biāo)記階段

在發(fā)送標(biāo)記階段，衛(wèi)星向所覆蓋區(qū)域廣播控制信令sFG。有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的終端先發(fā)送一個標(biāo)記信號（FG），功率為1 W。衛(wèi)星接收到所有的標(biāo)記信號進(jìn)行累加計算總功率，根據(jù)接收到的總功率值估計出發(fā)送數(shù)據(jù)的終端數(shù)目。假設(shè)衛(wèi)星能承受的接收功率足夠大，負(fù)載為GTH時，所對應(yīng)的接收功率為PTH。要使系統(tǒng)性能保持良好，就要控制負(fù)載不超過GTH，那么接收到的總功率Pm就不能超過PTH。衛(wèi)星通過設(shè)置D掩碼值m來改變接入的終端數(shù)目。表2給出了m與D的關(guān)系，當(dāng)m=0時，衛(wèi)星覆蓋區(qū)域下所有需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端都可以向衛(wèi)星發(fā)送FG。當(dāng)m=3時，只有D號后3位為000的終端可以發(fā)送FG。

表2 掩碼值

如圖5所示，衛(wèi)星不斷發(fā)送sFGm信號，并根據(jù)接收到的總信號功率Pm不斷調(diào)整m的值，直到Pm不超過PTH，此時m值確定。

整個發(fā)送標(biāo)記階段的流程如圖6所示。由于發(fā)送FG和sFGm的數(shù)據(jù)包很小，所以發(fā)送標(biāo)記階段的時延也很短。文獻(xiàn)[10]中有詳細(xì)比較，表明發(fā)送標(biāo)記階段所用的時間相比發(fā)送數(shù)據(jù)階段所用的時間幾乎可以忽略，衛(wèi)星可以很快估計出需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端數(shù)，并設(shè)置合適的m值實現(xiàn)接入控制。

圖5 發(fā)送標(biāo)記階段

圖6 發(fā)送標(biāo)記階段流程

2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)階段

衛(wèi)星在發(fā)送標(biāo)記階段確定好合適的m值后，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)階段。衛(wèi)星通過控制終端的發(fā)送時間進(jìn)行接入控制，允許發(fā)送數(shù)據(jù)的終端采用CRDSA++協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖7所示，完成一次數(shù)據(jù)傳輸需要個幀，例如 m?= 3 時，第一幀只允許ID號后三位為000的終端發(fā)送數(shù)據(jù)，第二幀只允許ID號后三位為001的終端發(fā)送數(shù)據(jù)。以此類推，直到ID號后三位為111的終端發(fā)送完數(shù)據(jù)。衛(wèi)星重新發(fā)送sFGm信號，進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)階段

3 性能分析

表3給出了一些重要仿真參數(shù)的值。為了縮短仿真時延，終端數(shù)和幀長都設(shè)定得較小。由于ID號是28bit，實際可以為更多終端分配唯一的ID號。這里假設(shè)所有終端都與衛(wèi)星保持同步，衛(wèi)星發(fā)送的廣播信號sFGm和確認(rèn)信號ACK都能被所有終端正確接收。

表3 仿真參數(shù)

本文仿真了重復(fù)發(fā)送次數(shù)為3次的CRDSA++協(xié)議和帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議。由圖8的仿真結(jié)果可以看出，帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于CRDSA++協(xié)議的系統(tǒng)性能。CRDSA++協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最高點后，隨著負(fù)載的增加，吞吐量性能急劇下降，PLR(PLR=1-T/G)，（T為歸一化吞吐量，G為歸一化負(fù)載）也急劇上升，在負(fù)載很大時接近于1。而帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議隨著負(fù)載的增加，系統(tǒng)吞吐量也在增加，即使在負(fù)載很大時，PLR也保持在0.25左右。

圖8 CRDSA++ 3和帶控制的CRDSA++ 3的吞吐量和PLR與歸一化負(fù)載的關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

本文提出了一種帶標(biāo)記方式的CRDSA++協(xié)議。該協(xié)議能適應(yīng)負(fù)載動態(tài)變化的應(yīng)用場景，在不同負(fù)載條件下都能夠保持較高的吞吐量性能，是可以應(yīng)用于低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的較理想的多址接入?yún)f(xié)議。通過仿真，證明了該協(xié)議比CRDSA++協(xié)議具有更好的系統(tǒng)性能，且克服了CRDSA++協(xié)議達(dá)到吞吐量最大值后，吞吐量性能隨著負(fù)載的增加急劇下降的缺陷。