楊 柳，范平志，郝 莉

(西南交通大學(xué)信息編碼與傳輸省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

0 引言

UMTS系統(tǒng)和 LTE系統(tǒng)中采用的slotted ALOHA協(xié)議［1，2］的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到一定負(fù)荷時(shí)吞吐量和時(shí)延性能會(huì)迅速下降，因此如何改進(jìn)此時(shí)的系統(tǒng)性能是一個(gè)重要研究方向［3，4］，而控制數(shù)據(jù)包堅(jiān)持度概率則是一個(gè)重要的手段［1，2，5-9］。

UMTS系統(tǒng)中采用動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的方式來(lái)控制發(fā)送數(shù)據(jù)包的堅(jiān)持度概率［1，5］，該方案也應(yīng)用在 LTE 系統(tǒng)中［2，6］。方案中存在多個(gè)發(fā)送概率不同的動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)，每個(gè)堅(jiān)持度等級(jí)中為不同接入服務(wù)等級(jí)的多媒體業(yè)務(wù)分配不同的堅(jiān)持度概率，接入服務(wù)等級(jí)越高，堅(jiān)持度概率越大。用戶發(fā)送數(shù)據(jù)包前，用戶終端產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)小于當(dāng)前堅(jiān)持度等級(jí)中該多媒體業(yè)務(wù)的堅(jiān)持度概率，則選擇發(fā)送，反之則退避等待繼續(xù)嘗試發(fā)送。

在UMTS/LTE系統(tǒng)中，堅(jiān)持度等級(jí)會(huì)隨著系統(tǒng)負(fù)載的變化而動(dòng)態(tài)變化，動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)會(huì)由基站進(jìn)行周期性廣播。在采用動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議中，需要采用一些參數(shù)來(lái)估計(jì)當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載情況，從而決定如何變化堅(jiān)持度等級(jí)。文獻(xiàn)［7］提出的動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)制中，動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送次數(shù)的增多而發(fā)生變化，但需要知道網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生碰撞的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。文獻(xiàn)［8］研究了用戶數(shù)目無(wú)限時(shí)的系統(tǒng)性能，提出了2種動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，一種轉(zhuǎn)換機(jī)制需要系統(tǒng)中每個(gè)時(shí)隙新包的數(shù)量以及碰撞后處于阻塞狀態(tài)的數(shù)據(jù)包數(shù)量，而另一種則只需要每個(gè)時(shí)隙中生成的新包數(shù)量。文獻(xiàn)［9］提出了用戶數(shù)目有限情況下2種動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，一種轉(zhuǎn)換機(jī)制需要知道系統(tǒng)中每個(gè)時(shí)隙碰撞后處于阻塞狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，而另一種則只需要知道上一次數(shù)據(jù)包傳輸成功之后的時(shí)隙數(shù)量。在這些文獻(xiàn)中，通常采用每個(gè)時(shí)隙生成新包的數(shù)量以及發(fā)生堵塞的數(shù)據(jù)包數(shù)量來(lái)估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載狀況，從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的變化，但這些參數(shù)都是基站和用戶節(jié)點(diǎn)很難獲得的數(shù)據(jù)。

經(jīng)大量文獻(xiàn)檢索，目前尚未見到采用數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延作為動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)變化參數(shù)的研究工作，而數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延是用戶節(jié)點(diǎn)非常容易獲得的參數(shù)。為此，本文提出一種基于數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延的UMTS/LTE系統(tǒng)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制。在該機(jī)制中，堅(jiān)持度概率會(huì)隨著數(shù)據(jù)包平均傳輸時(shí)延是否達(dá)到轉(zhuǎn)換點(diǎn)的時(shí)延而發(fā)生變化，且不同多媒體業(yè)務(wù)采用不同級(jí)別的堅(jiān)持度概率。該機(jī)制不需要基站調(diào)控，節(jié)點(diǎn)可自適應(yīng)變化動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)。

1 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議性能參數(shù)

本文所提出的動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制應(yīng)用于UMTS/LTE系統(tǒng)中所采用的SlottedALOHA協(xié)議。信道負(fù)載G指的是單位時(shí)間內(nèi)新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包和重傳數(shù)據(jù)包之和，在本文中，信道負(fù)載的計(jì)算結(jié)果為平均每個(gè)時(shí)隙內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)，負(fù)載G從長(zhǎng)期平均來(lái)看保持穩(wěn)定。平均每個(gè)時(shí)隙中傳輸?shù)男掳鼣?shù)S和舊包數(shù)R之和為信道負(fù)載G，即G=S+R，且平均每個(gè)時(shí)隙新包中成功發(fā)送S1個(gè)數(shù)據(jù)包，舊包中成功發(fā)送R1個(gè)數(shù)據(jù)包。本文考慮的是在輸入輸出平衡的信道中的協(xié)議性能，即每成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，才會(huì)生成下一個(gè)數(shù)據(jù)包。在輸入輸出平衡的信道中，由于輸入輸出平衡，成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包就等于新生成的數(shù)據(jù)包數(shù)，即S1+R1=S，因此平均每個(gè)時(shí)隙的吞吐量即為S。

信道的接入成功率由式 (1)定義，表示在某一信道負(fù)載下，單位時(shí)間內(nèi)被成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包比例

系統(tǒng)中的相應(yīng)參數(shù)和指標(biāo)設(shè)定如下:

(1)網(wǎng)絡(luò)中共有n條信道，信道選擇方式為隨機(jī)選擇，沒有優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，從長(zhǎng)期平均的情況可知，每條信道的信道負(fù)載為G/n，吞吐量為S/n;

(2)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的用戶終端數(shù)為M，提供的多媒體業(yè)務(wù)有K種不同類型，每種多媒體業(yè)務(wù)占總業(yè)務(wù)的比例為 Qri(i∈［0，K － 1］);

(3)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包的生成服從泊松分布

(4)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間等于或小于一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度為1ms

(5)數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞后進(jìn)行退避重發(fā)，在UMTS/LTE系統(tǒng)中，退避重發(fā)的算法為均勻退避算法 (uniformbackoff algorithm，UB)，退避窗口的大小為0到960個(gè)時(shí)隙［2］，在本文中，退避窗口大小固定為Wbf個(gè)時(shí)隙。該退避算法表示若每個(gè)時(shí)隙平均產(chǎn)生G個(gè)數(shù)據(jù)包，發(fā)生碰撞后的數(shù)據(jù)包將在n條信道的n×Wbf個(gè)時(shí)隙中任選一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)思想

本文提出動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制是在UMTS系統(tǒng)所采用的基站調(diào)控的動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的轉(zhuǎn)換機(jī)制［1，2，6］上演化而來(lái)。

在UMTS系統(tǒng)所采用的基站調(diào)控的動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的轉(zhuǎn)換機(jī)制中，包含8種不同的優(yōu)先級(jí)，可對(duì)應(yīng)不同的多媒體業(yè)務(wù)。本文討論的多媒體業(yè)務(wù)類型是在3GPP提出的業(yè)務(wù)類型［10］基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，每種業(yè)務(wù)類型的特點(diǎn)見表1。

表1 多媒體業(yè)務(wù)類型設(shè)計(jì)

每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送前都被賦予一個(gè)堅(jiān)持度概率Pd，在數(shù)據(jù)包發(fā)送前，用戶終端產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)小于當(dāng)前多媒體業(yè)務(wù)的堅(jiān)持度概率，則選擇發(fā)送，反之則退避等待下一次嘗試發(fā)送。

堅(jiān)持度概率Pd如表2定義［1］，其中i(1≤i≤8)被稱為動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)，該參數(shù)由基站進(jìn)行廣播，sj(2≤j≤7)被稱為堅(jiān)持度比例因子，可選值為0.2，0.3，…，0.9，遞增步長(zhǎng)為0.1，sj也可由基站進(jìn)行廣播，若基站沒有進(jìn)行廣播，則該參數(shù)默認(rèn)為1。

因此，系統(tǒng)中存在8個(gè)堅(jiān)持度級(jí)別，每個(gè)級(jí)別針對(duì)8種多媒體業(yè)務(wù)有不同的堅(jiān)持度概率，所構(gòu)成的堅(jiān)持度概率矩陣Pd見式 (2)

矩陣中，Pdi，j(i∈［1，8］，j∈［0，7］)表示動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)為i，多媒體業(yè)務(wù)類型為j的數(shù)據(jù)包采用的堅(jiān)持度概率。Pdi，j的定義見式 (3)

每種多媒體業(yè)務(wù)在堅(jiān)持度概率集合中根據(jù)時(shí)延特性分配不同的堅(jiān)持度概率，對(duì)時(shí)延越敏感、接入服務(wù)等級(jí)越高的多媒體業(yè)務(wù)，分配的堅(jiān)持度概率也越高，反之，對(duì)時(shí)延要求相對(duì)較低、接入服務(wù)等級(jí)較低的多媒體業(yè)務(wù)，分配的堅(jiān)持度概率越低。采用不同的堅(jiān)持度等級(jí)會(huì)影響系統(tǒng)性能和各種多媒體業(yè)務(wù)的性能。

設(shè)sj= ［0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4(2 ≤ j≤7)］，每種業(yè)務(wù)類型的業(yè)務(wù)比例Qri以及各堅(jiān)持度級(jí)別的堅(jiān)持度概率Pd的定義見表2。

在圖1中給出的為采用表3中的不同堅(jiān)持度等級(jí)的性能比較，吞吐量和時(shí)延的仿真結(jié)果分別如圖1(a)和圖1(b)所示。仿真環(huán)境為瑞利衰落無(wú)線信道;用戶終端隨機(jī)分布在半徑為1000m的區(qū)域中;信道負(fù)載變化為0～100，每個(gè)信道負(fù)載下均成功發(fā)送50000個(gè)數(shù)據(jù)包，用戶數(shù)量M為100，信道數(shù)量n為4，退避窗口Wbf為10。

圖1 不同堅(jiān)持度等級(jí)的性能比較

表2 堅(jiān)持度概率Pd的定義

表3 動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的參數(shù)

從圖1中可以看出，無(wú)論采用哪個(gè)堅(jiān)持度等級(jí)，吞吐量的最高值均為n×0.368，這是由時(shí)隙ALOHA協(xié)議的吞吐量的理論上限決定的。此外，采用取值高低不同的堅(jiān)持度等級(jí)各有優(yōu)缺點(diǎn)。在系統(tǒng)負(fù)載較輕時(shí)，堅(jiān)持度等級(jí)越高，吞吐量越大，傳輸時(shí)延越小，系統(tǒng)性能越好，而系統(tǒng)負(fù)載較重時(shí)，堅(jiān)持度等級(jí)高時(shí)系統(tǒng)吞吐量接近0，時(shí)延非常高，性能最差，堅(jiān)持度等級(jí)居中時(shí)傳輸時(shí)延性能最好，但吞吐量性能居中，堅(jiān)持度等級(jí)低時(shí)系統(tǒng)吞吐量性能最好，但傳輸時(shí)延居中。因此在系統(tǒng)輕載時(shí)，應(yīng)采用較高的堅(jiān)持度等級(jí)，能盡快把數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，保持好的系統(tǒng)性能，而在系統(tǒng)重載時(shí)，若希望獲得更大吞吐量，則可采用較低的堅(jiān)持度等級(jí)，從而減少數(shù)據(jù)包的碰撞概率，若希望時(shí)延更短，則可采用居中的堅(jiān)持度等級(jí)。在本文中，設(shè)計(jì)機(jī)制的目標(biāo)為獲得更大的吞吐量。

在UMTS系統(tǒng)中，采用的是基于基站調(diào)控的動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)制，在系統(tǒng)輕載時(shí)，采用高堅(jiān)持度等級(jí)，系統(tǒng)的負(fù)載逐漸加重時(shí)，則根據(jù)需要在堅(jiān)持度等級(jí)2到8之間轉(zhuǎn)換，理想的狀態(tài)是吞吐量能保持理論吞吐量的上限，時(shí)延保持為較低的狀態(tài)，即圖2所示的粗實(shí)線所標(biāo)注的系統(tǒng)性能。

圖2 動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)制的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

從圖2中可以看出，為了得到理想的性能，動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)制需要在合適的位置進(jìn)行變化，我們把變化的位置叫做轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如果要獲得最優(yōu)的吞吐量性能，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置是不同堅(jiān)持度等級(jí)的吞吐量曲線的相交點(diǎn)。在前期的研究成果中，大多選擇產(chǎn)生的新包數(shù)量以及發(fā)生堵塞的數(shù)據(jù)包的數(shù)量這些參數(shù)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的信道負(fù)載，從而來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)機(jī)制的轉(zhuǎn)換，但這些參數(shù)通常對(duì)節(jié)點(diǎn)以及基站而言均無(wú)法獲知，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。此外，在UMTS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中，動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的轉(zhuǎn)換是采用基站廣播的形式進(jìn)行，這會(huì)增加周期性廣播的代價(jià)。在本文提出的動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制中，將不用基站調(diào)控，采用節(jié)點(diǎn)成功傳輸數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延來(lái)作為堅(jiān)持度等級(jí)變化的參數(shù)，該參數(shù)對(duì)于節(jié)點(diǎn)而言很容易獲得。

3 協(xié)議原理

動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制的工作原理流程圖如圖3所示。

令 C= ［C1，C2，…，Ct－1］表示轉(zhuǎn)折點(diǎn)集合，Ci= ［CGi，CDi］(i∈［1，7］)表示轉(zhuǎn)換到第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置由動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)為i－1和i的吞吐量曲線相交確定，CGi表示轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的信道負(fù)載，CDi表示采用動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)為i-1時(shí)，負(fù)載為CGi的時(shí)延。

令Succ_nums(s∈［0，M －1］)表示第s個(gè)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，Succ_delays(s∈［0，M －1］)表示第s個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送Succ_nums個(gè)數(shù)據(jù)包總共所消耗的時(shí)隙數(shù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中第s個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生業(yè)務(wù)類型為j的數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送前首先計(jì)算以往發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)延 Succ_delay_avs=Succ_delays/Succ_nums，判斷其落在哪2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)延的區(qū)間，并根據(jù)式 (4)確定本次傳輸采用的堅(jiān)持度概率Pdnow

然后，節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)0到1之間的隨機(jī)數(shù)rand，若rand＜Pdnow，則可發(fā)送數(shù)據(jù)包，反之則在退避窗口Wbf內(nèi)退避后等待繼續(xù)嘗試發(fā)送。發(fā)送數(shù)據(jù)包后，若在下一個(gè)時(shí)隙沒有收到確認(rèn)信息，則在退避窗口Wbf內(nèi)退避后等待重發(fā)，循環(huán)該發(fā)送過程，直到成功發(fā)送為止。發(fā)送成功后，會(huì)在下一個(gè)時(shí)隙收到確認(rèn)信息，令 Succ_nums+1，Succ_delays則增加本次發(fā)送該數(shù)據(jù)包所花費(fèi)的時(shí)隙數(shù)Succ_delay_now。

圖3 動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制的工作原理

4 轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置的確定

本節(jié)將推導(dǎo)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制中轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置的確定。從轉(zhuǎn)折點(diǎn)的定義可知，Ci=［CGi，CDi］(i∈［1，7］)表示轉(zhuǎn)換到第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置由動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)為i-1和i的吞吐量曲線相交確定，CGi表示轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的信道負(fù)載，CDi表示采用動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)為i-1時(shí)，負(fù)載為CGi的時(shí)延。

因此，要確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置，首先要確定第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的吞吐量Si(i∈［0，7］)。若不考慮重傳概率機(jī)制，基于重發(fā)退避的多信道slottedALOHA協(xié)議的吞吐量Sorigin可以表示如式 (5)，其中Gorigin表示每個(gè)時(shí)隙生成的數(shù)據(jù)包數(shù)

若采用第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)，每個(gè)時(shí)隙中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包則根據(jù)不同級(jí)別的業(yè)務(wù)比例和堅(jiān)持度概率而有所減少，因此實(shí)際發(fā)送的負(fù)載Gorigin_i(i∈［0，7］)見式 (6)

聯(lián)立式 (5)、式 (6)可得采用第i組靜態(tài)重傳概率，系統(tǒng)的吞吐量見式 (7)

接下來(lái)，確定第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的時(shí)延Di(i∈［0，7］)。

由式 (1)接入成功率的概念可知，若采用第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)，獲得發(fā)送數(shù)據(jù)包的許可之后，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功的概率為發(fā)送失敗的概率則為因此，每一個(gè)數(shù)據(jù)包從生成到發(fā)送成功的平均發(fā)送次數(shù)H見式 (8)

由于UMTS/LTE系統(tǒng)中采用的是均勻退避算法，則每次退避的的平均時(shí)延為采用第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)時(shí)，數(shù)據(jù)包每次發(fā)送數(shù)據(jù)包前需要嘗試發(fā)送的次數(shù)為每次發(fā)送需要花費(fèi)的平均時(shí)延T珔為每次退避的平均時(shí)延乘以嘗試發(fā)送的次數(shù)，再加上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)送時(shí)隙和確認(rèn)時(shí)隙2個(gè)時(shí)隙，見式 (9)

采用第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)，隨機(jī)接入時(shí)延Di等于每次發(fā)送的平均時(shí)延乘以平均發(fā)送次數(shù)，由式 (8)、式 (9)可得式 (10)

推導(dǎo)得采用第i級(jí)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的吞吐量和時(shí)延性能之后，便可確定轉(zhuǎn)換點(diǎn) Ci=［CGi，CDi］(i∈［1，7］)的位置。聯(lián)立動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)為i-1和i的吞吐量性能式 (7)，在轉(zhuǎn)換點(diǎn)處 Gi－1=Gi，Si－1=Si，即可得到轉(zhuǎn)換點(diǎn)處的負(fù)載CGi，見式 (11)

將式 (11)代入式 (10)，并且堅(jiān)持度等級(jí)為i-1，即可求得轉(zhuǎn)換點(diǎn)的時(shí)延DGi，如式 (12)所示，從而確定轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置

5 仿真結(jié)果

本節(jié)將給出動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制下采用理論轉(zhuǎn)折點(diǎn)得到的吞吐量和時(shí)延的仿真結(jié)果，并比較各種多媒體業(yè)務(wù)的性能。仿真環(huán)境為瑞利衰落無(wú)線信道，使用功率捕獲進(jìn)行數(shù)據(jù)包的恢復(fù)。仿真參數(shù)同圖1。仿真負(fù)載為0到70。仿真采用表1所示的8個(gè)動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)，通過式(11)和式 (12)進(jìn)行理論計(jì)算可以得到如表4所示的7個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

采用理論計(jì)算的轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4所示為采用動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制的系統(tǒng)性能，吞吐量和時(shí)延的仿真結(jié)果分別如圖4(a)和圖4(b)所示，圖4中還標(biāo)注了采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議與另外2種隨機(jī)接入?yún)f(xié)議的比較。一種是UMTS系統(tǒng)中采用基站調(diào)控轉(zhuǎn)換機(jī)制的系統(tǒng)性能，這是自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制的設(shè)計(jì)目標(biāo)，另一種是最優(yōu)接入控制算法，該算法是理想的接入控制算法，它假設(shè)已知同時(shí)接入的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，因此能夠達(dá)到最大的吞吐率和最小的時(shí)延，是其它算法性能的理論上限，但是物理上不能實(shí)現(xiàn)。

表4 轉(zhuǎn)折點(diǎn)參數(shù)

圖4 系統(tǒng)性能比較

圖5 各種多媒體業(yè)務(wù)的性能比較

從圖4中可以看出，自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制能夠比較理想地完成堅(jiān)持度級(jí)別的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，能夠達(dá)到圖2所示UMTS系統(tǒng)基站調(diào)控轉(zhuǎn)換機(jī)制的系統(tǒng)性能。與最優(yōu)接入控制算法比較，在系統(tǒng)負(fù)載小于50時(shí)，采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制能夠接近最優(yōu)接入控制算法的吞吐量和時(shí)延性能;在系統(tǒng)負(fù)載大于50時(shí)，吞吐量性能依然良好，但時(shí)延增加明顯，這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)負(fù)載過大的情況下，為了減少碰撞獲得更大的吞吐量，只有讓更多的數(shù)據(jù)包等待從而增大了時(shí)延。值得說(shuō)明的是，為了獲得最大的吞吐量，在系統(tǒng)負(fù)載過大時(shí)，采用的是較低的堅(jiān)持度等級(jí)，若希望獲得更低的傳輸時(shí)延，此時(shí)應(yīng)采用居中的堅(jiān)持度等級(jí)，但同時(shí)系統(tǒng)的吞吐量性能會(huì)有所損耗。

圖5 所示為采用動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制時(shí)各種多媒體業(yè)務(wù)的性能比較，吞吐量的仿真結(jié)果如圖5(a)所示，時(shí)延的仿真結(jié)果如圖5(b)所示。由于各種多媒體業(yè)務(wù)占總業(yè)務(wù)量的比例不同，為了更清晰地比較出堅(jiān)持度等級(jí)變化對(duì)各種多媒體業(yè)務(wù)性能的影響，對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的吞吐量性能進(jìn)行了歸一化處理。在圖5(a)中，從上至下多媒體業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)等級(jí)為1到8，ASC為從0到7，在圖5(b)中，從上至下多媒體業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)等級(jí)為8到1，ASC為從7到0。從圖中可以看出，隨著信道負(fù)載的增加，堅(jiān)持度等級(jí)隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)為低優(yōu)先級(jí)多媒體業(yè)務(wù)的吞吐量被抑制，時(shí)延迅速增長(zhǎng)，從而保障重載時(shí)高優(yōu)先級(jí)多媒體業(yè)務(wù)的QoS，且ASC為0的緊急通話業(yè)務(wù)得到了有力保障。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制，應(yīng)用在多媒體業(yè)務(wù)隨機(jī)接入?yún)f(xié)議中。該機(jī)制使用各堅(jiān)持度等級(jí)的吞吐量曲線的相交點(diǎn)作為堅(jiān)持度等級(jí)變化的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，采用用戶節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延做為堅(jiān)持度等級(jí)變化的參數(shù)，當(dāng)平均時(shí)延超過轉(zhuǎn)換點(diǎn)處的時(shí)延時(shí)，堅(jiān)持度等級(jí)隨之發(fā)生變化。本文給出了轉(zhuǎn)換點(diǎn)處的理論分析方法，并采用理論分析的轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行了性能仿真。該動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制無(wú)需基站調(diào)控，減少了周期性廣播的資源消耗，需要極小的存儲(chǔ)空間用于存儲(chǔ)發(fā)送數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延，并且會(huì)增加少量的求平均值和比較運(yùn)算。此外，由于平均時(shí)延是通過統(tǒng)計(jì)獲得，因此統(tǒng)計(jì)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)越多，該機(jī)制運(yùn)行越穩(wěn)定。

仿真結(jié)果表明，采用該動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制，可以成功完成動(dòng)態(tài)堅(jiān)持度等級(jí)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換，在系統(tǒng)負(fù)載小于50時(shí)，采用自適應(yīng)轉(zhuǎn)換機(jī)制能夠接近最優(yōu)接入控制算法的吞吐量和時(shí)延性能;在系統(tǒng)負(fù)載大于50時(shí)，吞吐量性能依然良好，但時(shí)延增加明顯。此外，在系統(tǒng)重載時(shí)，能夠抑制低優(yōu)先級(jí)多媒體業(yè)務(wù)的性能，保障高優(yōu)先級(jí)多媒體業(yè)務(wù)的QoS。

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