卫星网络随机接入算法设计与优化

发布时间：2020-03-20 04:49

【摘要】：在针对突发型业务的卫星网络随机接入协议中,冲突是限制网络性能的关键因素。卫星网络具有链路传播时延长、卫星用户位置分散等特征,现有的协作通信、侦听信道等规避冲突的方式无法实现。而精确的时钟同步也难以做到。本文创造性地提出了轻量重传机制,在重传数据包时只发送部分数据。这一机制减轻了卫星网络中实际传输的业务负载,以及单次传输时延,从而有效降低冲突发生的可能性。冲突的减少增强了接收端ZigZag干扰消除的性能,使更多数据包可以从冲突中恢复出来,提高吞吐量。针对轻量重传机制,本文进行了深入研究,从轻量副本构造的角度,通过建立矩阵模型,从理论上研究如何进一步优化随机接入的性能。最终通过仿真实验全面的评估轻量重传及其协议的性能。本文主要研究成果如下:(1)本文提出轻量重传机制的基本概念和定义,通过减少数据包重传时实际发送的数据量来减少卫星网络中的冲突,作为优化随机接入性能的基本策略。同时,设计了基于轻量重传的随机接入协议,提供了轻量重传的应用方法,保证了研究体系的完整性。(2)以基于轻量重传的随机接入协议为框架,形式化地描述了轻量重传问题,将卫星网络吞吐量最大化作为优化目标,以数据包传输过程的基本特征作为约束条件,构建一个多约束非线性规划问题。通过规约到多维背包问题,证明该问题是NP困难。形式化的过程准确地表达了本文研究内容,是后文数学理论分析的基础。(3)本文提出两种轻量副本的构造方法,间接地解决该NP困难问题。第一种是规则构造,即选取数据包中固定一段比特作为轻量副本;第二种是随机构造,随机地选取不定数量的比特。通过证明基本场景下两个数据包成功解码的三个充分条件,得出随机构造中的轻量副本包含的比特应按序组织,且副本长度服从理想孤子分布。(4)参照轻量重传问题的形式化表达,建立矩阵模型来表示发送比特和接收比特之间的映射关系,并将ZigZag解码过程类比成线性方程组的求解过程,从而推导成功解码概率的上下界。该矩阵模型可应用在任何构造方法下,是考察轻量重传对随机接入性能优化效果的理论分析工具。(5)根据解码概率边界发现规则构造存在弱尾效应,即不能加入轻量副本的发送比特解码可能性明显较低。而随机构造的成功解码概率整体上优于规则构造。而通过NS2仿真结果更进一步表明基于轻量重传的随机接入协议在随机构造下的性能优于规则构造以及其他相关协议。
【图文】：

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图 1-2 帧同步的随机接入框架Fig.1-2 Frame-Synchronous Random Access Framework基于SIC的随机接入方案中都是基于帧同步的框架。如图1-2所示，，若干个时隙组成一个发送帧，全局用户保持同步。每个用户选取若干个时隙，并在这些时隙内重复地发送数据包。接收端则运用SIC对收到的一帧内的信号进行解码。为了提升SIC的解码能力，现有的研究都着重优化帧内数据包重传的次数。通过图论推出重传次数服从一定分布时，最高的吞吐量可以接近1 / 。然而，基于SIC的方案是需要在帧上以及时隙上精确同步。考虑到卫星网络的环境特征，很难做到精确同步。因此，时隙Aloha和基于SIC的全局同步随机接入方案并不适用于卫星网络。2) 非同步的随机接入方案不同于SIC
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN927.2

【参考文献】