带标记方式的CRDSA++协议性能分析*

高 倩，张更新

（中国人民解放军陆军工程大学，江苏 南京 210007）

0 引 言

随着交互式卫星终端不断向着小型化、低成本化发展，大大促进了卫星物联网的研究和发展，尤其是低轨卫星物联网的研究，迎来了新的发展机遇期。在低轨卫星物联网的应用中，大多数用户终端经常传输的数据量较小，具有突发性特点，传输周期并不频繁，也有少量的用户终端需要不定时传输一些数据量较大的信息。这就需要一个有效的多址接入协议，能够处理大量用户终端共享卫星有限的资源（由于卫星覆盖范围大，连接终端数目庞大），并能适应负载的动态变化。按需分配多址接入（Demand Assignment Multiple Access，DAMA）协议在传输较大或者周期性数据包时，能够有效利用带宽表现出较好的性能。但时，在传输突发性数据包时，性能却大打折扣，传输时延也较长。随机接入协议对突发性数据包的传输有先天性优势，然而传统的随机接入协议在卫星系统应用中性能表现较差。在过去的几十年间，几种基于时隙Aloha（Slotted ALOHA，SA）[1]的随机多址接入协议被提出。其中，分集时隙Aloha（Diversity Slotted ALOHA，DSA）[2]协议采用了将数据包重复发送两次的策略，负载较小时，比SA协议的系统吞吐量（定义为每时隙成功传输的数据包，单位为packets/slot）性能略好。竞争解决分集时隙ALOHA协议（Contention Resolution Diversity Slotted Aloha，CRDSA）[3]在DSA协议的基础上引入了干扰消除（Interference Cancellation，IC）信号处理技术[4-6]来恢复部分碰撞的数据包，使得系统吞吐量性能得到明显提高，吞吐量最高可达0.55 packets/slot，而SA协议的系统吞吐量最高只有0.37 packets/slot。为了进一步提高系统吞吐量性能，降低数据包丢失率（Packet Loss Ratio，PLR），对CRDSA协议做了改进，形成了CRDSA++协议[7]。改进如下：（1）增加每帧发送数据包的次数，3～5次为宜；（2）利用捕获效应[8]在接收到的数据包功率不平衡时，进一步提高系统吞吐量性能。由文献[7]可知，当重复发送数据包次数为3次且不考虑捕获效应的情况下，CRDSA++协议的系统最高吞吐量几乎接近0.7 packets/slot。因此，CRDSA++协议是可以应用于低轨卫星物联网中较理想的接入协议，可大大改善传统随机接入协议的性能，且比DAMA协议的传输时延小很多。然而，CRDSA++协议有个致命的缺陷，当系统吞吐量达到最大值后，随着负载的继续增加，系统吞吐量性能将急剧下降。为解决这个问题，本文提出了一种带标记方式的CRDSA++协议。这种标记方式最初被应用于大容量的无线射频识别系统中[9]。当终端有数据要发送时，先发送1 bit标记信号。卫星在很短时间内通过接收到的标记信号估计出需要发送数据的终端数，发送广播信令对终端的接入时间进行控制，从而保证在不同负载条件下系统的吞吐量性能一直保持在较高水平。

1 系统模型

图1是研究的应用系统模型，STs（Satellite Terminals）通过卫星和地面信关站将MD（Message Data）传输到数据库服务器中。每个ST都有自己唯一的ID号，设为28 bit。表1列出了该应用系统的关键参数，卫星高度为1 500 km，用户链路使用L波段，馈线链路使用Ka波段，用户链路和馈线链路都使用频分双工（FDD）方式进行双向通信。卫星终端的发送功率是1W，数据包长度为1 000 bit。假设该系统模型中卫星和终端一直保持时间同步。

图1 应用系统模型

表1 应用系统参数

2 带标记方式的CRDSA++协议

如果没有特别强调，暂时不考虑捕获效应，假设接收到的数据包功率基本保持平衡。在CRDSA++协议里，每一帧有n个时隙，每个终端在每帧最多只能发送一个数据包，即使发生碰撞，也不能在同一帧里重传该数据包。归一化负载G表示每时隙平均传输的数据包数目，单位为packets/slot。归一化吞吐量为每时隙成功接收的数据包数目，单位为packets/slot。当终端发送数据包时，会在同一帧里任意选择t个不同的时隙将该数据包发送t次，t一般取值为3～5，且每个数据包都包含同一帧里它的其他副本的时隙位置信息。确定t值后，整个传输过程中t值不变，所有发送的数据包都重复发送t次。当数据包被成功接收后，通过它包含的副本时隙位置信息找到其他副本所在时隙，进而消除其他副本对所在时隙中其他数据包的干扰。该过程迭代若干次后，可以达到比CRDSA协议更好的系统性能。如图2所示，当PLR=10-5时，CRDSA++协议的系统吞吐量可高达5×10-1packets/slot。如此显著的性能提升得益于增加了碰撞数据包的多样性，使其通过迭代能更好地恢复出碰撞数据包。

这里用二分图法表示协议中干扰消除这一迭代过程，如图3所示。为了方便理解，{B1,B2,B3,B4,B5…}表示发送的数据包集，{S1,S2,S3,S4,S5…}表示每帧的时隙集，一条边代表发送了一个数据包。因此，一个数据包节点有几条边，就代表这个数据包重复发送了几次；一个时隙节点有几条边，就代表该时隙有几个数据包发生碰撞。这里列举了t=3时的干扰消除迭代过程。如果数据包能够被成功接收，则对应的边标记为1，否则标记为0。每个数据包都重复发送3次，因此每个包节点都有3条边。

图2 SA、CRDSA和CRDSA++的吞吐量、PLR与归一化负载

图3 迭代过程的二分图表示法

如图3（a）所示，初始状态每条边都标记为0，迭代开始。

图3（b）能够成功译码B1，因为它在第一个时隙S1里没有其他干扰，B1对应的三条边都标记为1并从图中删除。继续寻找时隙节点中只有一条边的节点，这些节点代表了经过一次迭代后该时隙内的数据包可以被成功译码。

图3（c）中在S2能成功接收B2，B2所有副本数据包在其他时隙造成的干扰都能被消除，对应的边都标记为1，然后从图中删除。

如图3（d）所示，第三次迭代恢复出B5；

如图3（e）所示，第四次迭代恢复出B3；

如图3（f）所示，第五次迭代恢复出B4。

设系统吞吐量最大时，对应的负载为GTH。如图2所示，当G≤GTH时，CRDSA++协议的迭代干扰消除过程可以恢复出大部分碰撞数据包，系统吞吐量性能很好。然而，当G≤GTH时，由于每帧传输的数据包数目太多，使干扰消除过程进入阻塞状态，几乎无法恢复出碰撞数据包，导致数据包丢失率急剧上升，系统吞吐量性能急剧下降。为避免这种现象的发生，下面介绍一种带标记方式的CRDSA++协议。该协议通过发送标记的方式，可以在很短时间内估计出发送数据终端的数目，进而控制发送数据终端的发送时间，实现有效的接入控制，使系统能够一直保持良好的性能。

如图4所示，ST发送数据时要经过两个阶段。第一个阶段是发送标记阶段，可以在很短时间内估计出要发送数据的终端数。卫星广播发送标记的控制信号，终端ST收到广播信号后，需要发送数据的ST通过上行链路发送标记信号FG，卫星根据接收到的总信号功率估计出发送数据的终端数目。第二个阶段是发送数据阶段，可以利用发送标记阶段中估计的终端数进行有效的接入控制，使系统吞吐量性能保持在较高水平。卫星广播发送数据的控制信号sMD中包含了终端ID掩码值。需要发送数据的终端ST收到广播信号后，对照自身ID号，当与卫星广播的ID掩码匹配时，发送数据信息MD。

图4 ST发送数据过程

2.1 发送标记阶段

在发送标记阶段，卫星向所覆盖区域广播控制信令sFG。有数据需要发送的终端先发送一个标记信号（FG），功率为1 W。卫星接收到所有的标记信号进行累加计算总功率，根据接收到的总功率值估计出发送数据的终端数目。假设卫星能承受的接收功率足够大，负载为GTH时，所对应的接收功率为PTH。要使系统性能保持良好，就要控制负载不超过GTH，那么接收到的总功率Pm就不能超过PTH。卫星通过设置D掩码值m来改变接入的终端数目。表2给出了m与D的关系，当m=0时，卫星覆盖区域下所有需要发送数据的终端都可以向卫星发送FG。当m=3时，只有D号后3位为000的终端可以发送FG。

表2 掩码值

如图5所示，卫星不断发送sFGm信号，并根据接收到的总信号功率Pm不断调整m的值，直到Pm不超过PTH，此时m值确定。

整个发送标记阶段的流程如图6所示。由于发送FG和sFGm的数据包很小，所以发送标记阶段的时延也很短。文献[10]中有详细比较，表明发送标记阶段所用的时间相比发送数据阶段所用的时间几乎可以忽略，卫星可以很快估计出需要发送数据的终端数，并设置合适的m值实现接入控制。

图5 发送标记阶段

图6 发送标记阶段流程

2.2 发送数据阶段

卫星在发送标记阶段确定好合适的m值后，进入发送数据阶段。卫星通过控制终端的发送时间进行接入控制，允许发送数据的终端采用CRDSA++协议进行数据传输。如图7所示，完成一次数据传输需要个帧，例如 mˆ= 3 时，第一帧只允许ID号后三位为000的终端发送数据，第二帧只允许ID号后三位为001的终端发送数据。以此类推，直到ID号后三位为111的终端发送完数据。卫星重新发送sFGm信号，进行下一轮数据传输。

图7 发送数据阶段

3 性能分析

表3给出了一些重要仿真参数的值。为了缩短仿真时延，终端数和帧长都设定得较小。由于ID号是28bit，实际可以为更多终端分配唯一的ID号。这里假设所有终端都与卫星保持同步，卫星发送的广播信号sFGm和确认信号ACK都能被所有终端正确接收。

表3 仿真参数

本文仿真了重复发送次数为3次的CRDSA++协议和带标记方式的CRDSA++协议。由图8的仿真结果可以看出，带标记方式的CRDSA++协议系统性能明显优于CRDSA++协议的系统性能。CRDSA++协议的系统吞吐量达到最高点后，随着负载的增加，吞吐量性能急剧下降，PLR(PLR=1-T/G)，（T为归一化吞吐量，G为归一化负载）也急剧上升，在负载很大时接近于1。而带标记方式的CRDSA++协议随着负载的增加，系统吞吐量也在增加，即使在负载很大时，PLR也保持在0.25左右。

图8 CRDSA++ 3和带控制的CRDSA++ 3的吞吐量和PLR与归一化负载的关系曲线

4 结 语

本文提出了一种带标记方式的CRDSA++协议。该协议能适应负载动态变化的应用场景，在不同负载条件下都能够保持较高的吞吐量性能，是可以应用于低轨卫星物联网的较理想的多址接入协议。通过仿真，证明了该协议比CRDSA++协议具有更好的系统性能，且克服了CRDSA++协议达到吞吐量最大值后，吞吐量性能随着负载的增加急剧下降的缺陷。