基于多包接收码分时隙ALOHA随机接入系统性能分析

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在海量机器通信(massive machine type communications,m MTC)中,大量设备需要通过带宽受限的无线信道接入网络。海量设备接入网络会造成频繁信道争用;同时传统基于调度来获取信道资源的通信方式会带来巨大的信令开销。以上挑战给海量接入系统的性能提升带来了极大的困难。传统基于调度来获取信道资源的通信方式将迎来重大改变。在此基础上,免授权的海量接入技术通过避免终端与基站之间的握手阶段和/或所有终端之间的调度大大减少了信令开销,已经成为海量接入的理想和极有前景的实现方法。码分时隙ALOHA(Coded Slotted ALOHA,CSA)方案具有较强的碰撞解决能力,是一种有潜力的无需调度的随机多址接入协议。由于多址接入信道特性和物理层技术的不同,CSA方案应用于无线多址时的性能评估具有重要的意义和挑战性。本文研究了在基站能够在碰撞信号中检索多个数据包,并且传输过程中存在数据包擦除或时隙擦除情况下CSA方案的性能。首先,将衰落信道建模为数据包擦除信道。通过对数据包恢复过程中连续干扰消除的迭代过程分析,得到了CSA方案解码失败概率的隐式表达式。在此基础上,对基于重复编码和最大距离分离(maximal distance separate,MDS)编码的两种CSA系统的解码失败概率进行了表征。并详细推导了基于重复编码和MDS编码的CSA系统的丢包率、吞吐量和能量效率。同时以闭式形式给出了最大化能量效率的最佳传输功率。研究发现,在基站采用多包接收的情况下,吞吐量性能较单包接收的基站有明显提升;使用相同的分布,MDS编码可以达到比重复编码更高的吞吐量;且选取恰当的用户度分布将有助于抑制由信道擦除引起的误码平台;最后可以得到结论,通过优化传输功率,可以显著提高系统的能量效率。其次,将某个特定时隙受到外部强干扰场景建模为时隙擦除信道。通过建立用户时隙传输二分图框架,分析基于二分图框架下时隙端节点解码失败概率和用户端节点解码失败概率的迭代过程,得到了CSA方案解码失败概率的迭代表达式。基于给出的迭代表达式,得到了关于丢包率、吞吐量和能量效率的显式表达。后续求出了使得能量效率最大的传输功率。仿真结果表明,基于基站多包接收能力,时隙擦除信道下的CSA方案的吞吐量性能也实现明显提升。综上,本文提出的基于多包接收的码分时隙ALOHA随机接入系统在提升吞吐量、优化能量效率方面有显著优势,能为海量接入系统的部署与设计提供理论参考和技术指导。
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