CN115412971A - 一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，涉及无线通信的技术领域，解决了当前多空口设备和单空口设备共存时，容易产生的数据包冲突问题以及单空口设备的吞吐量下降的问题。在多空口设备MRD和单空口设备SRD共存的Aloha场景下，对整体系统的吞吐量进行优化，设定不同设备单元内的吞吐量公平性约束比例，并统计总设备数量，根据公平性约束比例和总设备数量来调整各设备单元的传输概率以改变设备单元的吞吐量，在多空口设备和单空口设备共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，能够有效保证单空口设备组的组吞吐量需求，满足公平性需求，保证设备正常运转。

Description

一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，特别涉及一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法。

背景技术

时隙Aloha(S-Aloha,Slotted-Aloha)协议作为一种经典的介质访问控制(MAC)方案，将传输时间拆分为若干个离散的时隙，允许用户设备在不受集中调度的情形下共享无线信道资源，对众多无线传输技术和网络系统中有着重要的作用。

随着网络系统的不断演进和无线通信环境的逐渐复杂，单空口设备SRD(SRD，Single-radioDevice)有限的数据传输能力已经难以满足水涨船高的未来通信服务质量的多样化需求，SRD的局限性推动了多空口技术的诞生和发展。多空口技术允许在单个多空口设备MRD(MRD，Multi-radioDevice)内部聚合多个空中接口(air-interface)，从而具备了在不同链路上的同时传输和接收的能力。MRD在单个时隙内能够同时参与多个无线链路上的竞争，提升数据包的成功传输概率和信道的利用率，然而，在MRD和SRD共存的环境中需要注意的是，竞争机会的增加使得各链路内数据包的碰撞概率上升，MRD所采取的传输策略会影响SRD的传输行为和数据包成功传输概率，不利于SRD的吞吐量性能，因此，在MRD和SRD共存网络下的参数调整对随机接入网络的吞吐量的优化性能极为重要。

Aloha协议发展至今，仍在众多无线传输技术中发挥着重要的作用，例如：LoRa、SigFox、NB-IoT等。然而，到目前为止，业界内仍缺乏Aloha网络架构下多空口设备与单空口设备工作的网络性能的讨论，这对于多空口技术在上述无线场景下的应用未来无疑是不利的。同时，在实际的物联网应用场景下，通信业务往往存在着对自身的服务质量(QoS，Qualityof Service)的最低需求，这是保证物联网智能设备维持正常运转的实际需要。例如，当设备在一段时间内的QoS中的吞吐量性能过低，可能会进一步导致设备选择停机和进入休眠状态，这对于网络中设备的工作状况无疑是不利的。基于上述需求，除了优化系统的总体吞吐量，如何进一步考虑设备自身的QoS需求，并将其转化为对于链路内参与竞争的不同设备之间的吞吐量公平性，也是需要解决的问题。

现有技术公开了一种实现网络吞吐量最大化和公平性的方法，首先根据推导出的吞吐量公式以及活跃用户设备的统计信息，设计平均竞争窗口，实现各个SF中用户设备吞吐量的最大化，并通过调节扩频因子SF的分配距离使得不同SF用户设备的吞吐量差值最小化，实现网络吞吐量的整体公平性。

发明内容

为解决多空口设备和单空口设备共存时，容易产生的数据包冲突问题以及单空口设备的吞吐量下降的问题，本发明提出一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，在多空口设备和单空口设备共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，能够有效保证单空口设备组的组吞吐量需求，满足公平性需求，保证设备正常运转。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，包括以下：

S1.在网络内建立基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化系统，所述系统包括多个单空口设备SRD和多个多空口设备MRD；

S2.确定网络内可用信道的数量和各信道上的单空口设备SRD数量，按信道将网络中的单空口设备SRD划分为若干个空口设备单元，将网络中的所有多空口设备MRD划分在同一个多空口设备单元；

S3.由多空口设备单元中的多空口设备MRD分别统计不同设备单元内的设备的数量和吞吐量公平性约束比例；

S4.判断单空口设备单元内的单空口设备SRD是否存在吞吐量公平性需求，若是，根据各设备单元设备数量设定各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，执行S5；否则，根据各设备单元的设备数量和吞吐量公平性约束比例设定各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，执行S5；

在步骤S4中，若β^(g)＝0，单空口设备单元内的单空口设备SRD不存在吞吐量公平性需求；若β^(g)>0,单空口设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求。

S5.经过预设时间后，利用多空口设备单元收集各设备单元的吞吐量，根据收集的各设备单元的吞吐量获取网络的总吞吐量；

S6.判断网络是否处于最佳工作状态或网络内的各设备单元中是否出现新的设备，若是，则返回S1；否则，维持当前网络状态。

在本技术方案中，首先基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化系统，在多空口设备MRD和单空口设备SRD共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，在网络内设定一定数量的可用信道，为多空口设备MRD和单空口设备SRD之间提供传输链路，然后设定不同设备单元内的吞吐量公平性约束比例，并统计总设备数量，接着判断单空口设备单元内的单空口设备SRD是否存在吞吐量公平性需求，再根据公平性约束比例和总设备数量来调整各设备单元的传输概率以改变设备单元的吞吐量，使各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，在多空口设备和单空口设备共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，能够有效保证单空口设备组的组吞吐量需求，满足公平性需求，保证设备正常运转。

优选地，在步骤S1中，每一个单空口设备SRD均设有单个无线电台，每一个多空口设备MRD均设有多个无线电台。

优选地，设网络内可用信道的数量为L_m，将网络内的单空口设备SRD划分为L个单空口设备单元，L≤L_m，并将网络中所有多空口设备MRD划分在同一个多空口设备单元，设为第M个设备单元；通过多空口设备MRD分别统计L+1个设备单元内的设备数量n⁽ⁱ⁾，i∈{1，2，...，L，M}和L个单空口设备单元中设备的吞吐量公平性约束比例β^(g)≥0，g∈{1，2，...，L}，其中，β(g)表示第g个单空口设备单元的单元吞吐量与多空口设备单元在第g条信道上的相应吞吐量的比例关系。

优选地，所述每一个设备均依照传输概率q⁽ⁱ⁾∈(0，1)发起传输请求。

优选地，在步骤S2中，所述信道的数量L_m不超过多空口设备单元中的所有多空口设备MRD的无线电台数量，若单空口设备单元内的设备没有最低吞吐量需求，则将相应的吞吐量公平性约束比例值β^(g)设为0并传输至多空口设备单元。

在此，设定信道的数量L_m不超过多空口设备单元中的所有多空口设备MRD的无线电台数量，使得所有的多空口设备MRD都能在单空口设备单元和多空口设备单元之间设定的全部信道上参与信道传输机会竞争，如果单空口设备单元内的设备没有最低吞吐量需求，直接将公平性约束比例值β^(g)设为0并传输至多空口设备单元。

优选地，在步骤S4中，每个单空口设备单元和多空口设备单元均以最优传输概率发起传输请求。

优选地，在步骤S4中，若β^(g)＝0，单空口设备单元内的单空口设备SRD不存在吞吐量公平性需求；若β^(g)＞0，单空口设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求。

优选地，当单空口设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求时，且公平性比例值β^(g)不满足β⁽¹⁾＝β⁽²⁾＝…＝β^(L)＝β＞0的关系，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g)，F的计算公式为：

其中，β^(g)表示第g个单空口单元的单元吞吐量与多空口设备单元在第g条信道上的相应吞吐量的比例关系；n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量；n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量；q^(M)，F表示多空口设备单元的最优传输概率；

当前每个多空口设备单元的最优传输概率q^(M)，F的计算公式为：

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

优选地，当单空口设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求时，且公平性比例值β^(g)满足β⁽¹⁾＝β⁽²⁾＝…＝β^(L)＝β＞0的关系，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g)，F，β的计算公式为：

其中，β表示当前所有信道上的的公平性比例值；n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量；

当前每个多空口设备单元的最优传输概率q^(M)，F，β的计算公式为：

其中，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量；

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

其中，L表示网络中的所有单空口设备单元的数量；

优选地，当单空口设备单元内的单空口设备SRD不存在吞吐量公平性需求时，即β^(g)＝0，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g)，*和多空口设备单元的最优传输概率q^(M)，*的计算公式为：

n^(M)q^(M)，*+n^(g)q^(g)，*＝1；

其中，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量；n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量；

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

其中，L表示网络中的所有单空口设备单元的数量。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，首先建立由多个单空口设备SRD和多个多空口设备MRD组成的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化系统，在多空口设备MRD和单空口设备SRD共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，在网络内设定一定数量的可用信道，为多空口设备MRD和单空口设备SRD之间提供传输链路，然后设定不同设备单元内的吞吐量公平性约束比例，并统计总设备数量，接着判断单空口设备单元内的单空口设备SRD是否存在吞吐量公平性需求，再根据公平性约束比例和总设备数量来调整各设备单元的传输概率以改变设备单元的吞吐量，使各设备单元的传输概率达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，在多空口设备和单空口设备共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，能够有效保证单空口设备组的组吞吐量需求，满足公平性需求，保证设备正常运转。

附图说明

图1表示本发明实施例中1提出的一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法的流程图；

图2表示本发明实施例中1提出的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化系统的结构图；

图3表示本发明实施例2中提出的单空口设备单元的结构图；

图4表示本发明实施例2中提出的多空口设备单元的结构图；

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸，“上”“下”等部位方向的描述非对本专利的限制；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，包括以下：

S1.在网络内建立基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化系统，所述系统包括多个单空口设备SRD和多个多空口设备MRD；

S2.确定网络内可用信道的数量和各信道上的单空口设备SRD数量，按信道将网络中的单空口设备SRD划分为若干个空口设备单元，将网络中的所有多空口设备MRD划分在同一个多空口设备单元；

S3.由多空口设备单元中的多空口设备MRD分别统计不同设备单元内的设备的数量和吞吐量公平性约束比例；

S4.判断单空口设备单元内的单空口设备SRD是否存在吞吐量公平性需求，若是，根据各设备单元设备数量设定各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，执行S5；否则，根据各设备单元的设备数量和吞吐量公平性约束比例设定各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，执行S5；

S5.经过预设时间后，利用多空口设备单元收集各设备单元的吞吐量，根据收集的各设备单元的吞吐量获取网络的总吞吐量；

S6.判断网络是否处于最佳工作状态或网络内的各设备单元中是否出现新的设备，若是，则返回S1；否则，维持当前网络状态。

在步骤S6中，通过将已有的网络总吞吐量与S4中的不同情况下网络所能达到的最大吞吐量值进行对比，判断网络是否处于最佳工作状态，或网络中是否出现了新的设备，并进一步判断是否需要对各设备单元的传输概率进行调整，若网络总吞吐量与理论最大值不符，则将返回S1重新运行，否则将维持在现有状态。

在本实施例中，参见图2，首先建立由L个单空口设备和一个多空口设备组成的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法系统，在多空口设备MRD和单空口设备SRD共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，在网络内设定一定数量的可用信道，为多空口设备MRD和单空口设备SRD之间提供传输链路，然后设定不同设备单元内的吞吐量公平性约束比例，并统计总设备数量，接着判断单空口设备单元内的单空口设备SRD是否存在吞吐量公平性需求，再根据公平性约束比例和总设备数量来调整各设备单元的传输概率以改变设备单元的吞吐量，使各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，在多空口设备和单空口设备共存的Aloha场景下，对系统整体的吞吐量进行优化，能够有效保证单空口设备组的组吞吐量需求，满足公平性需求，保证设备正常运转。

实施例2

参见图3及图4，在步骤S1中，每一个单空口设备SRD均设有单个无线电台，每一个多空口设备MRD均设有多个无线电台，设有无线电台的多空口设备MRD和单空口设备SRD均在相应链路上传送数据包，单空口设备SRD向多空口设备MRD传送自身的设备状况和公平性需求，单空口设备SRD向多空口设备MRD传送符合优化要求的传输概率参数。

参见图1及图2，设网络内可用信道的数量为L_m，将网络内的单空口设备SRD划分为L个单空口设备单元，L≤L_m，并将网络中所有多空口设备MRD划分在同一个多空口设备单元，设为第M个设备单元；通过多空口设备MRD分别统计L+1个设备单元内的设备数量n⁽ⁱ⁾，i∈{1，2，...，L，M}和L个单空口设备单元中设备的吞吐量公平性约束比例β^(g)≥0，g∈{1，2，...，L}，其中，β(g)表示第g个单空口设备单元的单元吞吐量与多空口设备单元在第g条信道上的相应吞吐量的比例关系；每一个设备均依照传输概率q⁽ⁱ⁾∈(0，1)发起传输请求，在步骤S2中，所述信道的数量L_m不超过多空口设备单元中的所有多空口设备MRD的无线电台数量，使得所有的多空口设备MRD都能在单空口设备单元和多空口设备单元之间设定的全部信道上参与信道传输机会竞争，所述单空口设备单元的数量L不超过信道的数量L_m，保证单空口设备SRD能够在与多空口设备单元对应的信道内成功发起传输请求，若单空口设备单元内的设备没有最低吞吐量需求，则将相应的吞吐量公平性约束比例值β^(g)设为0并传输至多空口设备单元。

实施例3

参见图2，所述网络处于饱和状态，即每一个设备均有数据包正等待传输，当某个信道在同一时限内若超过一个设备发起了传输数据包请求，则将发生碰撞并导致数据包传输失败，为了控制信道中的单空口设备SRD和多空口设备MRD之间的竞争行为，本实施例中的每一个设备均依照传输概率q⁽ⁱ⁾∈(0，1)发起传输请求，由于单空口设备SRD只能在一个信道内对传输机会进行竞争，而多空口设备MRD具备在多个信道上同时发送数据包的能力，因此各设备单元的的设备将在每个时限开始时，依照概率q⁽ⁱ⁾∈(0，1)分别在L条相互独立的信道上发起传输请求。

参见图1，在步骤S4中，每个单空口设备单元和多空口设备单元均以最优传输概率发起传输请求。

当设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求时，且公平性比例值β^(g)不满足β⁽¹⁾＝β⁽²⁾＝…＝β^(L)＝β＞0的关系，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g)，F的计算公式为：

其中，β^(g)表示第g个单空口单元的单元吞吐量与多空口设备单元在第g条信道上的相应吞吐量的比例关系，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量，n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量，q^(M)，F表示多空口设备单元的最优传输概率；β^(g)旨在保持第g个单空口单元的单元吞吐量在一定的水平之上，而不至于过低；

当前每个多空口设备单元的最优传输概率q^(M)，F的计算公式为：

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

当设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求时，且公平性比例值β^(g)满足β⁽¹⁾＝β⁽²⁾＝…＝β^(L)＝β＞0的关系，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g)，F，β的计算公式为：

其中，β表示当前所有信道上的的公平性比例值；n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量；

当前每个多空口设备单元的最优传输概率q^(M)，F，β的计算公式为：

其中，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量；

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

其中，L表示网络中的所有单空口设备单元的数量。

当设备单元内的单空口设备SRD不存在吞吐量公平性需求时，即β^(g)＝0，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g)，*和多空口设备单元的最优传输概率q^(M)，*的计算公式为：

n^(M)q^(M)，*+n^(g)q^(g)，*＝1；

其中，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量；n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量；

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

其中，L表示网络中的所有单空口设备单元的数量。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，包括以下：

S1.在网络内建立基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化系统，所述系统包括多个单空口设备SRD和多个多空口设备MRD；

S2.确定网络内可用信道的数量和各信道上的单空口设备SRD数量，按信道将网络中的单空口设备SRD划分为若干个空口设备单元，将网络中的所有多空口设备MRD划分在同一个多空口设备单元；

S3.由多空口设备单元中的多空口设备MRD分别统计不同设备单元内的设备的数量和吞吐量公平性约束比例；

S4.判断单空口设备单元内的单空口设备SRD是否存在吞吐量公平性需求，若是，根据各设备单元设备数量设定各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，执行S5；否则，根据各设备单元的设备数量和吞吐量公平性约束比例设定各设备单元达到网络最大吞吐量所需的最优传输概率，执行S5；

S5.经过预设时间后，利用多空口设备单元收集各设备单元的吞吐量，根据收集的各设备单元的吞吐量获取网络的总吞吐量；

S6.判断网络是否处于最佳工作状态或网络内的各设备单元中是否出现新的设备，若是，则返回S1；否则，维持当前网络状态。

2.根据权利要求1所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，在步骤S1中，每一个单空口设备SRD均设有单个无线电台，每一个多空口设备MRD均设有多个无线电台。

3.根据权利要求2所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，设网络内可用信道的数量为L_m，将网络内的单空口设备SRD划分为L个单空口设备单元，L≤L_m，并将网络中所有多空口设备MRD划分在同一个多空口设备单元，设为第M个设备单元；通过多空口设备MRD分别统计L+1个设备单元内的设备数量n⁽ⁱ⁾,i∈{1,2,…,L,M}和L个单空口设备单元中设备的吞吐量公平性约束比例β^(g)≥0,g∈{1,2,…,L}，其中，β^(g)表示第g个单空口设备单元的单元吞吐量与多空口设备单元在第g条信道上的相应吞吐量的比例关系。

4.根据权利要求3所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，所述每一个设备均依照传输概率q⁽ⁱ⁾∈(0,1)发起传输请求。

5.根据权利要求3所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，在步骤S2中，所述可用信道的数量L_m不超过多空口设备单元中的所有多空口设备MRD的无线电台数量，若单空口设备单元内的设备无最低吞吐量需求，则将相应的吞吐量公平性约束比例值β^(g)设为0，并传输至多空口设备单元。

6.根据权利要求4所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，在步骤S4中，每个单空口设备单元和多空口设备单元均以最优传输概率发起传输请求。

7.根据权利要求6所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，在步骤S4中，若β^(g)＝0，单空口设备单元内的单空口设备SRD不存在吞吐量公平性需求；若β^(g)>0,单空口设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求。

8.根据权利要求7所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，当单空口设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求时，且公平性比例值β^(g)不满足β⁽¹⁾＝β⁽²⁾＝…＝β^(L)＝β>0的关系，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g),F的计算公式为：

其中，β^(g)表示第g个单空口单元的单元吞吐量与多空口设备单元在第g条信道上的相应吞吐量的比例关系，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量，n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量，q^(M),F表示多空口设备单元的最优传输概率；

当前每个多空口设备单元的最优传输概率q^(M),F的计算公式为：

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

9.根据权利要求7所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，当单空口设备单元内的单空口设备SRD存在吞吐量公平性需求时，且公平性比例值β^(g)满足β⁽¹⁾＝β⁽²⁾＝…＝β^(L)＝β>0的关系，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g),F,β的计算公式为：

其中，β表示当前所有信道上的的公平性比例值；n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量；

当前每个多空口设备单元的最优传输概率q^(M),F,β的计算公式为：

其中，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量；

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

其中，L表示网络中的所有单空口设备单元的数量。

10.根据权利要求7所述的基于Aloha协议的多空口网络吞吐量优化方法，其特征在于，当单空口设备单元内的单空口设备SRD不存在吞吐量公平性需求时，即β^(g)＝0，当前每个单空口设备单元的最优传输概率q^(g),*和多空口设备单元的最优传输概率q^(M),*的计算公式为：

n^(M)q^(M),*+n^(g)q^(g),*＝1；

其中，n^(M)表示多空口设备单元内的设备数量；n^(g)表示第g个单空口设备单元内的设备数量；

当前网络的最大吞吐量

的计算公式为：

其中，L表示网络中的所有单空口设备单元的数量。

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