帶標記方式的CRDSA++協議性能分析*

高 倩，張更新

（中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210007）

0 引 言

隨著交互式衛星終端不斷向著小型化、低成本化發展，大大促進了衛星物聯網的研究和發展，尤其是低軌衛星物聯網的研究，迎來了新的發展機遇期。在低軌衛星物聯網的應用中，大多數用戶終端經常傳輸的數據量較小，具有突發性特點，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據量較大的信息。這就需要一個有效的多址接入協議，能夠處理大量用戶終端共享衛星有限的資源（由于衛星覆蓋范圍大，連接終端數目龐大），并能適應負載的動態變化。按需分配多址接入（Demand Assignment Multiple Access，DAMA）協議在傳輸較大或者周期性數據包時，能夠有效利用帶寬表現出較好的性能。但時，在傳輸突發性數據包時，性能卻大打折扣，傳輸時延也較長。隨機接入協議對突發性數據包的傳輸有先天性優勢，然而傳統的隨機接入協議在衛星系統應用中性能表現較差。在過去的幾十年間，幾種基于時隙Aloha（Slotted ALOHA，SA）[1]的隨機多址接入協議被提出。其中，分集時隙Aloha（Diversity Slotted ALOHA，DSA）[2]協議采用了將數據包重復發送兩次的策略，負載較小時，比SA協議的系統吞吐量（定義為每時隙成功傳輸的數據包，單位為packets/slot）性能略好。競爭解決分集時隙ALOHA協議（Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA）[3]在DSA協議的基礎上引入了干擾消除（Interference Cancellation，IC）信號處理技術[4-6]來恢復部分碰撞的數據包，使得系統吞吐量性能得到明顯提高，吞吐量最高可達0.55 packets/slot，而SA協議的系統吞吐量最高只有0.37 packets/slot。為了進一步提高系統吞吐量性能，降低數據包丟失率（Packet Loss Ratio，PLR），對CRDSA協議做了改進，形成了CRDSA++協議[7]。改進如下：（1）增加每幀發送數據包的次數，3～5次為宜；（2）利用捕獲效應[8]在接收到的數據包功率不平衡時，進一步提高系統吞吐量性能。由文獻[7]可知，當重復發送數據包次數為3次且不考慮捕獲效應的情況下，CRDSA++協議的系統最高吞吐量幾乎接近0.7 packets/slot。因此，CRDSA++協議是可以應用于低軌衛星物聯網中較理想的接入協議，可大大改善傳統隨機接入協議的性能，且比DAMA協議的傳輸時延小很多。然而，CRDSA++協議有個致命的缺陷，當系統吞吐量達到最大值后，隨著負載的繼續增加，系統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記方式的CRDSA++協議。這種標記方式最初被應用于大容量的無線射頻識別系統中[9]。當終端有數據要發送時，先發送1 bit標記信號。衛星在很短時間內通過接收到的標記信號估計出需要發送數據的終端數，發送廣播信令對終端的接入時間進行控制，從而保證在不同負載條件下系統的吞吐量性能一直保持在較高水平。

1 系統模型

圖1是研究的應用系統模型，STs（Satellite Terminals）通過衛星和地面信關站將MD（Message Data）傳輸到數據庫服務器中。每個ST都有自己唯一的ID號，設為28 bit。表1列出了該應用系統的關鍵參數，衛星高度為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）方式進行雙向通信。衛星終端的發送功率是1W，數據包長度為1 000 bit。假設該系統模型中衛星和終端一直保持時間同步。

圖1 應用系統模型

表1 應用系統參數

2 帶標記方式的CRDSA++協議

如果沒有特別強調，暫時不考慮捕獲效應，假設接收到的數據包功率基本保持平衡。在CRDSA++協議里，每一幀有n個時隙，每個終端在每幀最多只能發送一個數據包，即使發生碰撞，也不能在同一幀里重傳該數據包。歸一化負載G表示每時隙平均傳輸的數據包數目，單位為packets/slot。歸一化吞吐量為每時隙成功接收的數據包數目，單位為packets/slot。當終端發送數據包時，會在同一幀里任意選擇t個不同的時隙將該數據包發送t次，t一般取值為3～5，且每個數據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，所有發送的數據包都重復發送t次。當數據包被成功接收后，通過它包含的副本時隙位置信息找到其他副本所在時隙，進而消除其他副本對所在時隙中其他數據包的干擾。該過程迭代若干次后，可以達到比CRDSA協議更好的系統性能。如圖2所示，當PLR=10-5時，CRDSA++協議的系統吞吐量可高達5×10-1packets/slot。如此顯著的性能提升得益于增加了碰撞數據包的多樣性，使其通過迭代能更好地恢復出碰撞數據包。

這里用二分圖法表示協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…}表示發送的數據包集，{S1,S2,S3,S4,S5…}表示每幀的時隙集，一條邊代表發送了一個數據包。因此，一個數據包節點有幾條邊，就代表這個數據包重復發送了幾次；一個時隙節點有幾條邊，就代表該時隙有幾個數據包發生碰撞。這里列舉了t=3時的干擾消除迭代過程。如果數據包能夠被成功接收，則對應的邊標記為1，否則標記為0。每個數據包都重復發送3次，因此每個包節點都有3條邊。

圖2 SA、CRDSA和CRDSA++的吞吐量、PLR與歸一化負載

圖3 迭代過程的二分圖表示法

如圖3（a）所示，初始狀態每條邊都標記為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對應的三條邊都標記為1并從圖中刪除。繼續尋找時隙節點中只有一條邊的節點，這些節點代表了經過一次迭代后該時隙內的數據包可以被成功譯碼。

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

如圖3（d）所示，第三次迭代恢復出B5；

如圖3（e）所示，第四次迭代恢復出B3；

如圖3（f）所示，第五次迭代恢復出B4。

設系統吞吐量最大時，對應的負載為GTH。如圖2所示，當G≤GTH時，CRDSA++協議的迭代干擾消除過程可以恢復出大部分碰撞數據包，系統吞吐量性能很好。然而，當G≤GTH時，由于每幀傳輸的數據包數目太多，使干擾消除過程進入阻塞狀態，幾乎無法恢復出碰撞數據包，導致數據包丟失率急劇上升，系統吞吐量性能急劇下降。為避免這種現象的發生，下面介紹一種帶標記方式的CRDSA++協議。該協議通過發送標記的方式，可以在很短時間內估計出發送數據終端的數目，進而控制發送數據終端的發送時間，實現有效的接入控制，使系統能夠一直保持良好的性能。

如圖4所示，ST發送數據時要經過兩個階段。第一個階段是發送標記階段，可以在很短時間內估計出要發送數據的終端數。衛星廣播發送標記的控制信號，終端ST收到廣播信號后，需要發送數據的ST通過上行鏈路發送標記信號FG，衛星根據接收到的總信號功率估計出發送數據的終端數目。第二個階段是發送數據階段，可以利用發送標記階段中估計的終端數進行有效的接入控制，使系統吞吐量性能保持在較高水平。衛星廣播發送數據的控制信號sMD中包含了終端ID掩碼值。需要發送數據的終端ST收到廣播信號后，對照自身ID號，當與衛星廣播的ID掩碼匹配時，發送數據信息MD。

圖4 ST發送數據過程

2.1 發送標記階段

在發送標記階段，衛星向所覆蓋區域廣播控制信令sFG。有數據需要發送的終端先發送一個標記信號（FG），功率為1 W。衛星接收到所有的標記信號進行累加計算總功率，根據接收到的總功率值估計出發送數據的終端數目。假設衛星能承受的接收功率足夠大，負載為GTH時，所對應的接收功率為PTH。要使系統性能保持良好，就要控制負載不超過GTH，那么接收到的總功率Pm就不能超過PTH。衛星通過設置D掩碼值m來改變接入的終端數目。表2給出了m與D的關系，當m=0時，衛星覆蓋區域下所有需要發送數據的終端都可以向衛星發送FG。當m=3時，只有D號后3位為000的終端可以發送FG。

表2 掩碼值

如圖5所示，衛星不斷發送sFGm信號，并根據接收到的總信號功率Pm不斷調整m的值，直到Pm不超過PTH，此時m值確定。

整個發送標記階段的流程如圖6所示。由于發送FG和sFGm的數據包很小，所以發送標記階段的時延也很短。文獻[10]中有詳細比較，表明發送標記階段所用的時間相比發送數據階段所用的時間幾乎可以忽略，衛星可以很快估計出需要發送數據的終端數，并設置合適的m值實現接入控制。

圖5 發送標記階段

圖6 發送標記階段流程

2.2 發送數據階段

衛星在發送標記階段確定好合適的m值后，進入發送數據階段。衛星通過控制終端的發送時間進行接入控制，允許發送數據的終端采用CRDSA++協議進行數據傳輸。如圖7所示，完成一次數據傳輸需要個幀，例如 m?= 3 時，第一幀只允許ID號后三位為000的終端發送數據，第二幀只允許ID號后三位為001的終端發送數據。以此類推，直到ID號后三位為111的終端發送完數據。衛星重新發送sFGm信號，進行下一輪數據傳輸。

圖7 發送數據階段

3 性能分析

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

表3 仿真參數

本文仿真了重復發送次數為3次的CRDSA++協議和帶標記方式的CRDSA++協議。由圖8的仿真結果可以看出，帶標記方式的CRDSA++協議系統性能明顯優于CRDSA++協議的系統性能。CRDSA++協議的系統吞吐量達到最高點后，隨著負載的增加，吞吐量性能急劇下降，PLR(PLR=1-T/G)，（T為歸一化吞吐量，G為歸一化負載）也急劇上升，在負載很大時接近于1。而帶標記方式的CRDSA++協議隨著負載的增加，系統吞吐量也在增加，即使在負載很大時，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與歸一化負載的關系曲線

4 結 語

本文提出了一種帶標記方式的CRDSA++協議。該協議能適應負載動態變化的應用場景，在不同負載條件下都能夠保持較高的吞吐量性能，是可以應用于低軌衛星物聯網的較理想的多址接入協議。通過仿真，證明了該協議比CRDSA++協議具有更好的系統性能，且克服了CRDSA++協議達到吞吐量最大值后，吞吐量性能隨著負載的增加急劇下降的缺陷。