[發明專利]一種多用戶競爭通信的方法

在審

• 申請號: 202110142849.2
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN112969241A
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 黃永華;胡征
• 申請（專利權）人: 上海守正通信技術有限公司
• 主分類號: H04W74/08
• 分類號: H04W74/08
• 代理公司: 上海海貝律師事務所 31301
• 代理人: 王文鋒

本發明公開了一種多用戶競爭通信的方法，包括1)系統負載估計：用戶在發送信息后，如果指定時間內沒有收到回復，則很大可能競爭失敗。用戶根據連續競爭失敗的計數k來估計信道負載G；2)最佳競爭窗口計算：根據負載G與吞吐量之間存在函數關系。當G取特定的數值時，可以保證吞吐量最大。通過改變競爭窗口，改變當前的信道負載G，以實現吞吐量最大。本發明提供的一種多用戶競爭通信的方法，在多用戶競爭發送數據時，通過對競爭窗口的精確控制來提升系統吞吐量，在時隙aloha系統中，本申請方案可以達到0.3以上的系統吞吐量，優于指數退避方法。

技術領域

本發明涉及多用戶通信技術領域，具體是一種多用戶競爭通信的方法，可以減少消息間的沖突，提高信道效率。

背景技術

在多用戶通信的場景，當多個用戶在同一個信道上發送數據時，需要避免用戶間的沖突的問題，所以出現了各種多址技術，如時分多址、頻分多址、碼分多址和空分多址。時分多址技術要求在一個信道內某一個時間只能有一個用戶發送數據，通信系統會為不同用戶分配時隙資源，每個用戶只能在預分配的時間內發送數據，但這依賴于多個收發用戶之間的時間同步，在很多場景下，如用戶向網絡發送接入消息時，此時為非同步狀態，最常用的還是ALOHA競爭接入方案。

ALOHA是20世紀70年代，在夏威夷大學首次試驗成功的隨機接入技術。ALOHA技術的實現使得地理上分散的用戶，通過無線電來使用中心計算機成為了可能。由于無線電信道是一個公用信道，一個站發送的信息可以同時被多個站收到，而每個站是隨機發送的，因此這種系統是一個隨機接入系統。

純ALOHA(Pure ALOHA)是最經典的ALOHA。它可以在無線信道工作，也可以工作在總線式網絡中。為討論純ALOHA是如何實現的，采用圖1所示的模型。圖1表示一個經典的純ALOHA系統的工作原理。在這個系統之中，每一個站點都被允許任意地發送數據幀，而不受任何的時間空間上的限制。如圖2所示，當用戶1發送第一個數據幀的時候，此時其他用戶都沒有在同時發送數據，因此用戶1成功發送數據幀1。由用戶2和用戶n-1發送的第二個數據幀和第三個數據幀在隨后在時間上發生了重疊，發生了“競爭失敗”。競爭失敗的結果是，競爭失敗雙方(有時可能是多方)發送的數據發生錯誤。接收端無法準確地解讀出待傳送的數據幀，因此傳輸失敗，必須進行再一次傳輸(此處暫時不考慮競爭失敗后的捕捉)。Aloha系統采用相應的退避算法作為重傳策略，即讓每個站點在重傳前等待一段隨機的時間。如果再次競爭失敗，則需要等待一段隨機時間，直到重新傳輸成功，最小等待時間與最大等待時間的差值為競爭窗口，如圖5所示。

為了提高ALOHA系統的吞吐量，將時間劃分為等長的時隙(slot)，記為T₀，同時規定，只能在每個時隙開始時才能發送一個數據幀。這樣的ALOHA系統叫做時隙ALOHA或S-ALOHA。與純ALOHA不同，當每個數據包產生時，時隙ALOHA并不是立即發送，而是等待下一個時隙開始時才在信道中進行數據包的發送。

根據概率知識，在一個時隙內，有k個用戶發送的概率符合泊松分布，表示為：

G表示系統的總負載，即在一個時隙內所有用戶平均發送的數據的次數。系統吞吐量，亦即所有用戶發送成功的數據幀的數目表示為：

在ALOHA系統中，所發送的數據幀可能競爭失敗而必須重傳，且重傳還要經過一段隨機的時延。二進制指數退避算法用于時隙aloha時，競爭窗口為n倍T₀，而n是一個從1到某一個事先確定的正整數2^K之間的隨機選擇出的一個整數(每次重傳都要隨機選擇一次)，K為傳輸失敗的次數，T₀為時隙長度。

二進制指數退避算法根據競爭失敗次數確定競爭窗口的大小，競爭窗口長度隨著競爭失敗次數呈指數增長，但這并不能保證調整后的窗口與當前負載匹配，因此不能實現吞吐量最大化，為此本發明提出了一種新的競爭窗口控制方法。

發明內容