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申请/专利权人：西安电子科技大学

摘要：本发明公开了一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法，根据用户对时延的需求程度将用户分为不同优先级，时延需求越高的用户优先传输分组，为满足不同用户的接入时延需求，同时降低性能分析系统的平均时延；进一步，利用粒子群算法求解了优先级的无帧结构ALOHA协议的最佳时隙分配方案；该协议根据用户对时延的需求程度将用户分为不同优先级，时延需求越高的用户可以优先传输分组。进一步，利用粒子群算法求解了优先级的无帧结构ALOHA协议的最佳时隙分配方案。仿真验证了提出的理论分析，同时证明了相比无帧结构ALOHA协议，优先级无帧结构ALOHA协议的平均时延能够降低50％左右，同时满足用户对时延的不同需求。

主权项：1.一种用于优先级无帧结构的ALOHA协议的性能分析方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：u个用户以概率p随机竞争接入基站发送一个分组，接入用户对时延有不同的需求；根据用户对时延的不同需求，用户被分为c个优先级，相应的被分为c个等级的时隙分配给不同的优先级的用户，不同于帧结构ALOHA中时隙数目是固定帧长，在无帧结构ALOHA中时隙数目s根据用户的译码情况即时变化直到大部分用户传输的分组译码成功；步骤2：系统：1）基站和用户的时间同步；2）用户传输分组的时间不大于时隙的时间；基站使用串行干扰消除技术对接收到的分组进行译码并反馈给用户；第i个优先级用户和时隙的度分布用公式（1）表示，其中为用户的度分布，代表用户在分配的时隙内传输同一分组l次的概率；其中为时隙的度分布，代表一个时隙内接收的分组数目为l的概率；用表示用户集合，其中代表第i个优先级用户的数目；相对应，用表示时隙集合，其中代表第i个等级的时隙数目，根据用户译码情况即时变化；第i个等级的时隙度分布可服从二项分布，近似为泊松分布为公式（2），其中为第i个优先级竞争接入基站的用户数目； 是时隙节点收到l个分组或者一个用户发送一个分组l次，k代表的是变量的值，k和是泊松分布公式里面的量，表示第i-1级时隙的分组错误概率Pe；为k的阶乘； （1） （2）步骤3：对反馈过程用户作为接收端时，基于串行干扰消除的分组译码过程进行建模，将第i个等级的所有时隙根据定义1、定义2、定义3划分为不同的集合：定义1为集合：集合元素为接收的所有分组都译码成功的时隙，即度为0的时隙，集合中的元素的数目用表示；定义2为集合:集合元素为接收的所有分组中仍有一个分组未译码成功的时隙，集合中的元素的数目用表示；定义3为集合：集合元素为接收的所有分组中有两个或者两个以上分组未译码成功的时隙，集合中的元素的数目用表示；基站在第i个等级时隙结束后开始对接收到的分组逐个时隙进行译码，定义一个时隙译码完成为一个迭代；每次迭代的完成，根据时隙迭代前后的时隙内未译码成功的分组数目，第i个等级的所有时隙状态所属集合的转移情况有四种：由集合转移到集合；由集合转移到集合；由集合转移到集合；由集合转移到集合；每次迭代能够译码成功的必要条件是集合中的元素不为0，即存在只有一个分组未译码成功的时隙，进行基于串行干扰消除的译码才能继续进行；为了后续对第i个优先级用户的性能进行数值分析，引入以下符号并进行说明： ：每次迭代完成后由集合转移到集合的时隙数目； ：每次迭代完成后由集合转移到集合的时隙数目； ：时隙由集合转移到集合的概率； ：第i个优先级用户的分组丢弃率； ：第i个优先级用户的系统吞吐量； ：第i个优先级用户的平均时延；引入下标n，表示分组译码过程中未译码成功的分组数目；关注从n到n-1的状态转变，代表着一个时隙从集合转移到集合；引入状态如公式（3）和引理1对第i个优先级用户分组译码过程进行分析： （3）；引理1：已知译码过程的译码器当下状态为，当时译码器处于状态的概率由公式（4）计算获得； （4）；其中 公式（4）中：Pr为概率，为前一状态，为每次迭代完成后接收的所有分组中有两个或者两个以上分组未译码成功的时隙的数目，为每次迭代完成后接收的所有分组中仍有一个分组未译码成功的时隙的数目，为每次迭代完成后接收的所有分组中都译码成功的时隙的数目，为所有时隙的数目； （5）；公式（5）中：为时隙里未译码分组数为d的分布，为未译码分组数目为1的所有时隙集合,y为当前时隙；当集合的元素数目为0时即时，此时第i个等级所有时隙内都有两个或者两个以上的分组未译码成功，基于串行干扰消除的过程结束，根据译码器状态机推导得出第i个优先级用户的分组丢弃率表示为公式（6），吞吐量表示为公式（7），平均时延用公式（8）表示，其中表示优先级为i的第j个用户接入的时隙位置； （6）； （7）； （8）；因为基站会在第i个等级时隙结束后向用户发送译码失败的分组信息，译码失败的分组在接下来的第i+1个等级时隙以概率p被重新传输，所以系统分组丢弃率只与最低优先级的分组丢弃率有关，推导为公式（9）；系统吞吐量推导为公式（10），系统平均时延为各个优先级时延的加权平均表示为公式（11）； （9）；其中， （10）； （11）；上式中：为系统分组丢弃率，为第c个优先级用户的分组丢弃率，为第c个优先级竞争接入基站的用户数目，为系统吞吐量；步骤4：假设在c个优先级用户中，有个优先级用户对时延有需求；优先级为i的用户对时延的需求用表示，即第i个优先级用户的平均时延；在满足优先级对时延需求的同时，系统性能能够最优化，即系统吞吐量能够最大化，同时系统的分组丢弃率满足，则系统的问题建模为公式（12）： （12）由于公式（4）~（6）第i个优先级的分组丢弃率是关于竞争介入用户数目，分配时隙数目及分组传输概率的函数用进行表示；用粒子PSO算法求解公式（12），得出时隙分配方案，在保证优先级用户对时延需求的同时最大化系统性能；基于粒子PSO的时隙分配方案中，分配给不同优先级的时隙数目代表粒子，系统吞吐量为评价函数。

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