CN112969241B - 一种多用户竞争通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户竞争通信的方法，包括1)系统负载估计：用户在发送信息后，如果指定时间内没有收到回复，则很大可能竞争失败。用户根据连续竞争失败的计数k来估计信道负载G；2)最佳竞争窗口计算：根据负载G与吞吐量之间存在函数关系。当G取特定的数值时，可以保证吞吐量最大。通过改变竞争窗口，改变当前的信道负载G，以实现吞吐量最大。本发明提供的一种多用户竞争通信的方法，在多用户竞争发送数据时，通过对竞争窗口的精确控制来提升系统吞吐量，在时隙aloha系统中，本申请方案可以达到0.3以上的系统吞吐量，优于指数退避方法。

Description

一种多用户竞争通信的方法

技术领域

本发明涉及多用户通信技术领域，具体是一种多用户竞争通信的方法，可以减少消息间的冲突，提高信道效率。

背景技术

在多用户通信的场景，当多个用户在同一个信道上发送数据时，需要避免用户间的冲突的问题，所以出现了各种多址技术，如时分多址、频分多址、码分多址和空分多址。时分多址技术要求在一个信道内某一个时间只能有一个用户发送数据，通信系统会为不同用户分配时隙资源，每个用户只能在预分配的时间内发送数据，但这依赖于多个收发用户之间的时间同步，在很多场景下，如用户向网络发送接入消息时，此时为非同步状态，最常用的还是ALOHA竞争接入方案。

ALOHA是20世纪70年代，在夏威夷大学首次试验成功的随机接入技术。ALOHA技术的实现使得地理上分散的用户，通过无线电来使用中心计算机成为了可能。由于无线电信道是一个公用信道，一个站发送的信息可以同时被多个站收到，而每个站是随机发送的，因此这种系统是一个随机接入系统。

纯ALOHA(Pure ALOHA)是最经典的ALOHA。它可以在无线信道工作，也可以工作在总线式网络中。为讨论纯ALOHA是如何实现的，采用图1所示的模型。图1表示一个经典的纯ALOHA系统的工作原理。在这个系统之中，每一个站点都被允许任意地发送数据帧，而不受任何的时间空间上的限制。如图2所示，当用户1发送第一个数据帧的时候，此时其他用户都没有在同时发送数据，因此用户1成功发送数据帧1。由用户2和用户n-1发送的第二个数据帧和第三个数据帧在随后在时间上发生了重叠，发生了“竞争失败”。竞争失败的结果是，竞争失败双方(有时可能是多方)发送的数据发生错误。接收端无法准确地解读出待传送的数据帧，因此传输失败，必须进行再一次传输(此处暂时不考虑竞争失败后的捕捉)。Aloha系统采用相应的退避算法作为重传策略，即让每个站点在重传前等待一段随机的时间。如果再次竞争失败，则需要等待一段随机时间，直到重新传输成功，最小等待时间与最大等待时间的差值为竞争窗口，如图5所示。

为了提高ALOHA系统的吞吐量，将时间划分为等长的时隙(slot)，记为T₀，同时规定，只能在每个时隙开始时才能发送一个数据帧。这样的ALOHA系统叫做时隙ALOHA或S-ALOHA。与纯ALOHA不同，当每个数据包产生时，时隙ALOHA并不是立即发送，而是等待下一个时隙开始时才在信道中进行数据包的发送。

根据概率知识，在一个时隙内，有k个用户发送的概率符合泊松分布，表示为：

G表示系统的总负载，即在一个时隙内所有用户平均发送的数据的次数。系统吞吐量，亦即所有用户发送成功的数据帧的数目表示为：

在ALOHA系统中，所发送的数据帧可能竞争失败而必须重传，且重传还要经过一段随机的时延。二进制指数退避算法用于时隙aloha时，竞争窗口为n倍T₀，而n是一个从1到某一个事先确定的正整数2^K之间的随机选择出的一个整数(每次重传都要随机选择一次)，K为传输失败的次数，T₀为时隙长度。

二进制指数退避算法根据竞争失败次数确定竞争窗口的大小，竞争窗口长度随着竞争失败次数呈指数增长，但这并不能保证调整后的窗口与当前负载匹配，因此不能实现吞吐量最大化，为此本发明提出了一种新的竞争窗口控制方法。

发明内容

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种多用户竞争通信的方法，多用户竞争发送数据时，本发明通过对竞争窗口的精确控制来提升系统吞吐量。在时隙aloha系统中，本发明可以达到30％以上的系统吞吐量，优于指数退避方法。

其中，具体技术方案是：

一种多用户竞争通信的方法，如图3，该方法包括两部分，1)系统负载估计：用户在发送信息后，在指定时间内没有收到回复，则判断竞争失败，用户根据连续竞争失败的计数k来估计信道负载G；2)最佳竞争窗口计算：根据负载G与吞吐量之间存在函数关系；当G取特定的数值时，保证吞吐量最大，通过改变竞争窗口，改变当前的信道负载G，以实现吞吐量最大。

1)负载估计：

认为观测到的事件为大概率事件，当一个用户发送数据时，若发送失败，则认为发送失败概率大于0.5；根据概率知识，多用户随机选择时隙发送数据时，在一个时隙内有k个用户发送的概率为：

G表示系统的总负载，即在一个时隙内所有用户平均发送的数据的次数；

则一个时隙可用的概率为：

p(0)＝e^-G

连续M次均不可用的概率为：

(1-p(0))^M＝(1-e^-G)^M

连续M次发送失败，意味着(1-e^-G)^M＞0.5，信道负载的估计值为：

2)竞争窗口计算：

根据前面分析，系统吞吐量：

S＝G.p(0)

＝G.e^-G

当负载G＝1时，吞吐量最大；

竞争窗口长度L设置为：

对于时隙aloha系统，L的单位是时隙长度T_slot。

3)重新发送：

从用户完成数据发送到由于竞争失败而重新发送的时间为退避时间，退避时间为等待时间加上随机时间；等待时间内，用户等待基站的反馈，以便确认是否发送失败，用T表示；对于指定系统，T取固定值，随机时间为竞争窗口内取的随机时间，对于时隙aloha系统，如果竞争窗口长度为L，则产生一个随机数x，x服从0到L之间的均匀分布u(0，L)；

则退避时延为：

D＝T+x*T_slot。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：根据前面的分析不难得出结论，较大的竞争窗口可以有效减少竞争失败概率，但可能会出现信道空闲的情况，导致系统吞吐量不高。较小的竞争窗口会导致较高的竞争失败概率，当负载达到一定的程度时，几乎所有的消息都被发送失败，系统吞吐量同样很低，如图4所示。本发明提供一种多用户竞争通信的方法，在多用户竞争发送数据时，通过对竞争窗口的精确控制来提升系统吞吐量，在时隙aloha系统中，本申请方案可以达到0.3以上的系统吞吐量，优于指数退避方法。

附图说明

图1为纯ALOHA系统的工作原理示意图。

图2为本申请方案原理示意图。

图3为本申请方案原理示意图。

图4为竞争窗口计算曲线示意图。

图5为为本申请方案原理示意图。

具体实施方式

本发明内容包括两个部分，如附图3所示：

1、系统负载估计：用户在发送信息后，如果指定时间内没有收到回复，则很大可能竞争失败。用户根据连续竞争失败的计数k来估计信道负载G。

2、最佳竞争窗口计算：根据负载G与吞吐量之间存在函数关系。当G取特定的数值时，可以保证吞吐量最大。通过改变竞争窗口，改变当前的信道负载G，以实现吞吐量最大。

具体为：

1、负载估计

认为观测到的事件为大概率事件，当一个用户发送数据时，若发送失败，则认为发送失败概率大于0.5。根据概率知识，多用户随机选择时隙发送数据时，在一个时隙内有k个用户发送的概率为：

G表示系统的总负载，即在一个时隙内所有用户平均发送的数据的次数。

则一个时隙可用的概率为：

p(0)＝e^-G

连续M次均不可用的概率为：

(1-p(0))^M＝(1-e^-G)^M

连续M次发送失败，意味着(1-e^-G)^M＞0.5，信道负载的估计值为：

2、竞争窗口计算

根据前面分析，系统吞吐量：

S＝G.p(0)

＝G.e^-G

绘制曲线如图4所示，可以看出当负载G＝1时，吞吐量最大。

竞争窗口长度L设置为：

对于时隙aloha系统，L的单位是时隙长度T_slot。

3、重新发送

从用户完成数据发送到由于竞争失败而重新发送的时间为退避时间。退避时间为等待时间加上随机时间。等待时间内，用户等待基站的反馈，以便确认是否发送失败，用T表示。对于指定系统，T取固定值。随机时间为竞争窗口内取的随机时间，对于时隙aloha系统，如果竞争窗口长度为L，则产生一个随机数x，x服从0到L之间的均匀分布u(0，L)。

则退避时延为：

D＝T+x*T_slot。

Claims (2)

1.一种多用户竞争通信的方法，其特征在于：

该方法包括两部分：

1)系统负载估计：用户在发送信息后，在指定时间内没有收到回复，则判断竞争失败，用户根据连续竞争失败的计数k来估计信道负载G；

2)最佳竞争窗口计算：根据负载G与吞吐量之间存在函数关系；当G取特定的数值时，保证吞吐量最大，通过改变竞争窗口，改变当前的信道负载G，以实现吞吐量最大；

负载估计：

认为观测到的事件为大概率事件，当一个用户发送数据时，若发送失败，则认为发送失败概率大于0.5；根据概率知识，多用户随机选择时隙发送数据时，在一个时隙内有k个用户发送的概率为：

G表示系统的总负载，即在一个时隙内所有用户平均发送的数据的次数；

则一个时隙可用的概率为：

p(0)＝e^-G；

连续M次均不可用的概率为：

1-(p(0))^M＝(1-e^-G)^M；

连续M次发送失败，意味着(1-e^-G)^M＞0.5,信道负载的估计值为：

竞争窗口计算：

根据前面分析，系统吞吐量：

S＝G.p(0)

＝G.e^-G；

当负载G＝1时，吞吐量最大；

竞争窗口长度L设置为：

对于时隙aloha系统，L的单位是时隙长度Tslot。

2.如权利要求1所述的一种多用户竞争通信的方法，其特征在于：

重新发送：

从用户完成数据发送到由于竞争失败而重新发送的时间为退避时间，退避时间为等待时间加上随机时间；等待时间内，用户等待基站的反馈，以便确认是否发送失败，用T表示；对于指定系统，T取固定值，随机时间为竞争窗口内取的随机时间，对于时隙aloha系统，如果竞争窗口长度为L，则产生一个随机数x，x服从0到L之间的均匀分布u(0，L)；

则退避时延为：

D＝T+x*Tslot。