方 宇,呂 娜,陳柯帆,陳 卓

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安，710077)

作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵通信技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈將傳感器平臺(tái)、武器平臺(tái)以及指揮平臺(tái)有效互聯(lián)為一個(gè)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各平臺(tái)戰(zhàn)術(shù)信息的高效交互，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成體系作戰(zhàn)能力[1]。從Link系列數(shù)據(jù)鏈的信息分發(fā)共享到TTNT、CEC數(shù)據(jù)鏈的協(xié)同打擊，數(shù)據(jù)鏈的信息交互性能需求隨作戰(zhàn)形態(tài)的變化而不斷提高[2]。

TTNT(tactical targeting network technology,TTNT)數(shù)據(jù)鏈面向動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)探測(cè)和精確打擊，戰(zhàn)術(shù)信息傳輸時(shí)延極低(小于2 ms)、傳輸速率高(傳輸速率大于2 Mbps)、可靠性高(最高優(yōu)先級(jí)成功傳輸概率大于99%)、吞吐量高(大于10 Mbps)[3]。針對(duì)戰(zhàn)術(shù)信息傳輸?shù)膰?yán)苛要求，TTNT數(shù)據(jù)鏈采用基于隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)信道接入技術(shù)的SPMA(statistic priority-based multiple access,SPMA)多信道MAC協(xié)議，綜合時(shí)間域和頻率域擴(kuò)展可用信道資源，大幅降低交互過(guò)程中的戰(zhàn)術(shù)信息碰撞概率[4]。但作為一種隨機(jī)多址接入技術(shù)，SPMA協(xié)議未完全解決信息碰撞問(wèn)題，高負(fù)載情況下的碰撞現(xiàn)象仍十分嚴(yán)重，導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)信息的可靠性、時(shí)延遠(yuǎn)低于性能要求，同時(shí)帶來(lái)低優(yōu)先級(jí)信息無(wú)法使用信道發(fā)送的餓死現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)吞吐量不能達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求，信道利用率迅速降低[5-6]。

關(guān)于降低SPMA協(xié)議碰撞概率、提高信道利用率的研究已有一段時(shí)間。文獻(xiàn)[7]提出一種多優(yōu)先級(jí)單閾值接入控制協(xié)議，可以增加無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信道利用率，提高數(shù)據(jù)傳輸成功率和吞吐量。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)出一種混合式信道負(fù)載統(tǒng)計(jì)方法，有效地降低了信道沖突，保證了戰(zhàn)術(shù)信息發(fā)送的實(shí)時(shí)性和高優(yōu)先級(jí)信息較高的成功傳輸概率。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)一種新的動(dòng)態(tài)回避算法提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。但這些研究并未突破SPMA協(xié)議的時(shí)域和頻域信道資源基礎(chǔ)。

近年來(lái)提出的非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)技術(shù)可以在功率域?qū)ο嗤瑫r(shí)頻資源塊上信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，為解決隨機(jī)多址接入的信號(hào)碰撞問(wèn)題提供新的思路，相關(guān)研究已逐步展開(kāi)。文獻(xiàn)[10]提出將NOMA技術(shù)與ALOHA相結(jié)合的思想，分析系統(tǒng)的吞吐量與丟包率等指標(biāo)，仿真結(jié)果說(shuō)明系統(tǒng)性能得以顯著提升。文獻(xiàn)[11]分析了將NOMA技術(shù)應(yīng)用在時(shí)隙ALOHA中的性能，并推導(dǎo)了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)[12]將博弈論思想應(yīng)用到ALOHA-NOMA中，為提升隨機(jī)多址接入技術(shù)性能提供了新的研究方法。

NOMA技術(shù)對(duì)隨機(jī)多址接入系統(tǒng)的性能具有提升作用。因此，本文借鑒NOMA技術(shù)思想[13-14]，針對(duì)SPMA協(xié)議高負(fù)載情況下信道利用率迅速降低的問(wèn)題，提出聯(lián)合功率域的SPMA協(xié)議(sPMA based on joint power domain，SPMA-JPD)的改進(jìn)接入策略。SPMA-JPD協(xié)議引入功率參數(shù)，通過(guò)給同時(shí)同頻信號(hào)分配不同的發(fā)送功率，使用戶信號(hào)進(jìn)一步在功率域得以區(qū)分，將信道資源域擴(kuò)展到時(shí)、頻、功率三域，增加了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的可用信道資源，從而在降低高優(yōu)先級(jí)信息碰撞概率的同時(shí)可增加低優(yōu)先級(jí)信息發(fā)送概率，提高了信道利用率。仿真結(jié)果表明，采用該改進(jìn)策略的SPMA-JPD協(xié)議可承載更大的網(wǎng)絡(luò)流量，有效提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

1 SPMA-JPD協(xié)議的接入策略改進(jìn)

1.1 SPMA協(xié)議接入策略描述

SPMA協(xié)議采用隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間域基礎(chǔ)上劃分頻率域的多信道接入策略[15]，其基本接入控制機(jī)制如圖1所示。

圖1 SPMA協(xié)議接入控制機(jī)制框圖

SPMA協(xié)議通過(guò)將用戶戰(zhàn)術(shù)信息分散到不同頻點(diǎn)的多個(gè)信道上并行發(fā)送，從而有效降低信號(hào)的碰撞概率。然而由于頻譜資源有限，在高負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)仍然無(wú)法承載全部的業(yè)務(wù)信息。為此，SPMA協(xié)議根據(jù)作戰(zhàn)緊急關(guān)系將戰(zhàn)術(shù)信息劃分為不同的優(yōu)先等級(jí)，當(dāng)信道資源無(wú)法滿足全部業(yè)務(wù)信息時(shí)，規(guī)定高優(yōu)先級(jí)信息優(yōu)先接入和使用信道資源，保障緊急信息的可靠傳輸。

如圖2所示，與單信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)CSMA協(xié)議相比，SPMA協(xié)議通過(guò)多信道發(fā)送機(jī)制，增加了信道資源，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量得到了有效提高。同時(shí)，圖2中SPMA協(xié)議的吞吐量曲線穩(wěn)定性也優(yōu)于CSMA協(xié)議。這主要在于SPMA協(xié)議的優(yōu)先級(jí)區(qū)分機(jī)制，即吞吐量達(dá)到飽和后，由于機(jī)制對(duì)低優(yōu)先級(jí)戰(zhàn)術(shù)信息的“發(fā)送抑制”，信道資源首先讓給了高優(yōu)先級(jí)戰(zhàn)術(shù)信息，不同優(yōu)先級(jí)信息有序發(fā)送，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量保持穩(wěn)定。但是，從圖2中可以看出，隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的持續(xù)增加，當(dāng)負(fù)載高到一定程度時(shí)，SPMA協(xié)議的吞吐量仍存在下降。說(shuō)明高優(yōu)先級(jí)信息開(kāi)始出現(xiàn)碰撞，并導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)信息始終無(wú)法使用信道資源，直至最后“餓死”。

圖2 隨機(jī)多址接入技術(shù)負(fù)載與吞吐量關(guān)系圖

因此，從進(jìn)一步改善SPMA協(xié)議吞吐量穩(wěn)定性能，減緩高負(fù)載情況下吞吐量下降趨勢(shì)的角度，SPMA-JPD協(xié)議主要對(duì)SPMA協(xié)議中的信號(hào)發(fā)送機(jī)制與信道檢測(cè)機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。

1.2 信號(hào)發(fā)送機(jī)制的改進(jìn)

SPMA-JPD協(xié)議的信號(hào)發(fā)送機(jī)制改進(jìn)基于SPMA協(xié)議的多信道發(fā)送機(jī)制。圖3為SPMA協(xié)議信號(hào)發(fā)送的時(shí)頻關(guān)系圖。在發(fā)送端，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息按照協(xié)議規(guī)則被分為多個(gè)一定長(zhǎng)度的小數(shù)據(jù)包，發(fā)送調(diào)度算法給不同小數(shù)據(jù)包賦予隨機(jī)的時(shí)間和頻率后，將這些小數(shù)據(jù)包以圖3所示時(shí)頻域形式在信道中發(fā)送；在接收端，采取相應(yīng)的時(shí)頻域關(guān)系接收、解析小數(shù)據(jù)包并恢復(fù)信息。分析SPMA協(xié)議的信號(hào)發(fā)送機(jī)制發(fā)現(xiàn)，由于分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送調(diào)度算法隨機(jī)分配給本節(jié)點(diǎn)小數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間和頻率不可能完全正交，即不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系圖可能重疊，同時(shí)同頻的不同用戶數(shù)據(jù)包在接收端重疊，從而導(dǎo)致碰撞現(xiàn)象的出現(xiàn)。業(yè)務(wù)負(fù)載越高問(wèn)題將越明顯。

圖3 SPMA協(xié)議時(shí)頻關(guān)系圖

針對(duì)SPMA協(xié)議發(fā)送機(jī)制中的上述問(wèn)題，參考NOMA技術(shù)的思想，SPMA-JPD協(xié)議改進(jìn)信號(hào)發(fā)送機(jī)制，令同頻同時(shí)信號(hào)根據(jù)信號(hào)功率的差異進(jìn)一步進(jìn)行功分。SPMA-JPD協(xié)議在給小數(shù)據(jù)包分配不同頻率與時(shí)間的基礎(chǔ)上，增加功率分配參量，同時(shí)賦予其不同的發(fā)射功率。改進(jìn)SPMA協(xié)議的發(fā)送調(diào)度算法具體表述為：首先，根據(jù)收發(fā)信機(jī)功率性能參數(shù)，在調(diào)度算法中設(shè)置Np個(gè)不同的可調(diào)功率；其次，設(shè)計(jì)相應(yīng)的功率分配算法；最后，擴(kuò)展調(diào)度算法的信號(hào)發(fā)送參數(shù)分配機(jī)制，聯(lián)合時(shí)間、頻率和功率發(fā)送數(shù)據(jù)包。由于SPMA協(xié)議在接收端無(wú)法在功率域上對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行區(qū)分，SPMA-JPD協(xié)議需要在接收端添加相應(yīng)的串行干擾刪除(successive interference cancellation,SIC)接收機(jī)制，以正確解碼不同功率的數(shù)據(jù)包。SIC為NOMA技術(shù)的解碼手段，其解碼思想為先對(duì)功率最大的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，將其他數(shù)據(jù)包當(dāng)作干擾信號(hào)處理。在成功解調(diào)出功率最大的數(shù)據(jù)包后，在疊加的數(shù)據(jù)包中減去已被解調(diào)出的數(shù)據(jù)包，對(duì)剩余的數(shù)據(jù)包再次重復(fù)之前的解碼過(guò)程，直到全部數(shù)據(jù)包被成功解調(diào)為止?？紤]到疊加的不同功率數(shù)據(jù)包越多，SIC接收解碼難度越大，功率數(shù)Np不宜設(shè)置過(guò)多。

通過(guò)改進(jìn)SPMA信號(hào)發(fā)送機(jī)制，SPMA-JPD協(xié)議可以使戰(zhàn)術(shù)信息在時(shí)間域、頻率域、功率域3個(gè)維度進(jìn)行傳輸，有效降低高負(fù)載時(shí)的碰撞概率，改善吞吐量的持續(xù)穩(wěn)定性。

1.3 信道檢測(cè)機(jī)制的改進(jìn)

信道檢測(cè)機(jī)制主要用于判斷信道空閑狀態(tài)或使用情況，判斷結(jié)果直接關(guān)系節(jié)點(diǎn)信號(hào)的發(fā)送機(jī)制實(shí)施，影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量。由于SPMA-JPD協(xié)議信號(hào)發(fā)送機(jī)制的改進(jìn)，其信道檢測(cè)機(jī)制也需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)改進(jìn)。SPMA-JPD協(xié)議繼續(xù)采用SPMA協(xié)議的信道偵聽(tīng)方式進(jìn)行檢測(cè)，但在SPMA協(xié)議“軟偵聽(tīng)”的基礎(chǔ)上增加“硬偵聽(tīng)”。

SPMA協(xié)議通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)不同頻率信道的信號(hào)脈沖數(shù)目的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行“軟偵聽(tīng)”，并以此為依據(jù)確定信道的忙閑狀態(tài)。如t時(shí)間內(nèi)偵聽(tīng)到fi頻率的信號(hào)脈沖數(shù)為ni,，記為(fi,ni)。SPMA協(xié)議偵聽(tīng)時(shí)僅對(duì)脈沖的頻率加以區(qū)分，并不考慮信號(hào)功率的大小。

直接采用SPMA協(xié)議的信道檢測(cè)機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致SPMA-JPD協(xié)議無(wú)法充分發(fā)揮功率域上的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致即使網(wǎng)絡(luò)中存在空閑的功率域資源，但因無(wú)法被感知而白白浪費(fèi)，因此SPMA-JPD協(xié)議在偵聽(tīng)信道中信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)的同時(shí)，需要增加對(duì)脈沖信號(hào)功率的偵聽(tīng)(即硬偵聽(tīng))。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各用戶間信道狀態(tài)信息已知，則可以通過(guò)偵聽(tīng)到信號(hào)的功率及一定的算法對(duì)信號(hào)發(fā)射功率進(jìn)行推測(cè)，并根據(jù)發(fā)射功率的不同對(duì)每一個(gè)頻率的信號(hào)脈沖數(shù)進(jìn)行二次統(tǒng)計(jì)。如t時(shí)間內(nèi)SPMA-JPD協(xié)議偵聽(tīng)到fi頻率的信號(hào)脈沖數(shù)共ni,，其中發(fā)射功率為Pj的信號(hào)脈沖分別為nj，則記為(fi,Pj,nij)。

2 SPMA-JPD協(xié)議建模分析

2.1 SPMA-JPD協(xié)議模型

本文中假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間均為單跳傳輸，網(wǎng)絡(luò)中戰(zhàn)術(shù)信息具有多個(gè)優(yōu)先級(jí)且在滿足泊松分布。在分析SPMA-JPD協(xié)議時(shí)，可以參考對(duì)SPMA協(xié)議的分析方法。結(jié)合排隊(duì)論的知識(shí)，SPMA協(xié)議模型如圖4所示，可以將其抽象成M/G/1優(yōu)先級(jí)排隊(duì)模型后再進(jìn)行理論分析[16]。

圖4 SPMA協(xié)議模型

SPMA-JPD協(xié)議同樣可以用排隊(duì)論的知識(shí)對(duì)其分析。與SPMA協(xié)議不同的是，在SPMA-JPD協(xié)議中，戰(zhàn)術(shù)信息根據(jù)其發(fā)射功率需要排不同的隊(duì)列，將之前的單條隊(duì)列變?yōu)槎鄺l隊(duì)列。考慮到SIC技術(shù)對(duì)多功率疊加信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，信號(hào)越多，解調(diào)難度越大，為方便分析，本文假設(shè)發(fā)射機(jī)預(yù)先設(shè)定2個(gè)功率。SPMA-JPD的協(xié)議模型如圖5所示。

圖5 SPMA-JPD協(xié)議模型

2.2 時(shí)隙傳輸概率分析

假設(shè)優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息服從到達(dá)率為λm的泊松分布，則在那么在時(shí)間段t中有k個(gè)優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息的概率為：

(1)

由于SPMA-JPD協(xié)議需要保證高優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息先發(fā)送，其排隊(duì)方式為搶占式，即高優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息到達(dá)時(shí)，如果存在低優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息正處于回退過(guò)程等待發(fā)送時(shí)，高等級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息會(huì)搶占低等級(jí)戰(zhàn)術(shù)信息的位置，而低等級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息將取消回退過(guò)程。本文設(shè)定不同2個(gè)發(fā)射功率，每條戰(zhàn)術(shù)信息的發(fā)送功率滿足兩點(diǎn)分布。對(duì)于一個(gè)優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息來(lái)說(shuō)，在t時(shí)間內(nèi)沒(méi)有比其更高級(jí)的同功率戰(zhàn)術(shù)信息到達(dá)的概率可以表示為：

(2)

假設(shè)優(yōu)先級(jí)0為最高優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)0的退回永遠(yuǎn)不會(huì)中斷。如果在處理期間內(nèi)沒(méi)有優(yōu)先級(jí)更高的戰(zhàn)術(shù)信息出現(xiàn)，則優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息的平均服務(wù)時(shí)間應(yīng)為：

(3)

式中：ls為回退窗長(zhǎng)；γm優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息的回退概率；K為最大回退次數(shù)。優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息經(jīng)n次回退后成功發(fā)送的概率為：

(4)

由式(4)可以得出，戰(zhàn)術(shù)信息沒(méi)有被搶占，則可以被成功發(fā)送的概率為：

(5)

根據(jù)M/G/1排隊(duì)論理論可知，優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息正在發(fā)送中的概率為：

(6)

根據(jù)式(3)、式(5)～(6)，時(shí)隙傳輸概率可以表示為：

(7)

假設(shè)戰(zhàn)術(shù)信息被成功發(fā)送的概率為pout，則信道檢測(cè)窗口內(nèi)出現(xiàn)k條戰(zhàn)術(shù)信息的概率可以表示為：

(8)

當(dāng)優(yōu)先級(jí)m的戰(zhàn)術(shù)信息設(shè)定的閾值小于檢測(cè)到信道中的脈沖數(shù)時(shí)，該戰(zhàn)術(shù)信息將進(jìn)入回退狀態(tài)。假設(shè)優(yōu)先m的戰(zhàn)術(shù)信息對(duì)應(yīng)的閾值為Rm，根據(jù)式(8)可以得出其回退概率為：

(9)

根據(jù)式(7)和式(9)可以得出，存在以下關(guān)系式：

Pout=Γ(PSTP)

(10)

對(duì)式(10)進(jìn)行仿真，即可得出網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙傳輸概率。

2.3 吞吐量分析

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在nodeNUM個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送戰(zhàn)術(shù)信息時(shí)，會(huì)隨機(jī)在2個(gè)功率中選取發(fā)射功率。當(dāng)進(jìn)行信道編碼時(shí)，一條戰(zhàn)術(shù)信息會(huì)被分成Nb個(gè)小數(shù)據(jù)包，在Nf個(gè)頻點(diǎn)上隨機(jī)發(fā)送，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度為lslot。由此可以得出，在單個(gè)信道內(nèi)，每秒會(huì)出現(xiàn)的小數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)為：

(11)

假設(shè)一個(gè)小數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為lb，在單個(gè)信道內(nèi)，如果2個(gè)小數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔小于小數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，2個(gè)小數(shù)據(jù)包就會(huì)發(fā)生碰撞。小數(shù)據(jù)包未發(fā)生碰撞，可以被成功解調(diào)的概率為：

Pbs=e-2lbλ

(12)

由于SPMA-JPD協(xié)議采用Turbo碼的方式進(jìn)行編碼，接收方成功接收至少一半的小數(shù)據(jù)包才能對(duì)戰(zhàn)術(shù)信息進(jìn)行恢復(fù)，單條戰(zhàn)術(shù)信息傳輸成功的概率可以表示為：

(13)

假設(shè)每條戰(zhàn)術(shù)信息的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，由式(10)、(13)可以求出網(wǎng)絡(luò)的吞吐量：

(14)

2.4 平均時(shí)延分析

網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息的平均時(shí)延可以表示為：

(15)

式中：Dm是優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息的等待時(shí)間。由于在網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息，優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息需要等高優(yōu)先的戰(zhàn)術(shù)信息全部發(fā)送后才能進(jìn)行發(fā)送。根據(jù)M/G/1排隊(duì)論理論可知：

(16)

(17)

式中：E(Xm)可由式(3)求出。

Im表示由于SPMA-JPD協(xié)議的搶占式排隊(duì)造成的優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息的等待時(shí)間。當(dāng)優(yōu)先級(jí)為m的戰(zhàn)術(shù)信息正在排隊(duì)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，如果有高優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息到達(dá)，會(huì)搶占該戰(zhàn)術(shù)信息的位置進(jìn)行發(fā)送，而低優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息須進(jìn)入回退狀態(tài)。根據(jù)搶占式排隊(duì)論理論可知：

(18)

Tp表示戰(zhàn)術(shù)信息發(fā)送過(guò)程中需要的時(shí)間。假設(shè)單條戰(zhàn)術(shù)信息被拆分成Nb個(gè)小數(shù)據(jù)包，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為lslot，單條戰(zhàn)術(shù)信息長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則戰(zhàn)術(shù)信息所需的發(fā)送時(shí)間可表示為：

(19)

Tt為戰(zhàn)術(shù)信息在兩節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)間，其大小與節(jié)點(diǎn)間距離有關(guān)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)間距離為D，則傳輸時(shí)間可表示為：

(20)

根據(jù)以上公式即可求出平均時(shí)延。

3 仿真分析

本文采用Matlab平臺(tái)對(duì)SPMA-JPD協(xié)議進(jìn)行仿真。假設(shè)P1、P2為2個(gè)不同的功率，且發(fā)射機(jī)在發(fā)送信號(hào)時(shí)會(huì)隨機(jī)選取其中一個(gè)作為自身的發(fā)送信號(hào)。在仿真時(shí)為網(wǎng)絡(luò)中戰(zhàn)術(shù)信息設(shè)定了4個(gè)優(yōu)先級(jí)，分別為優(yōu)先級(jí)0～優(yōu)先級(jí)3，數(shù)字越小表示該優(yōu)先級(jí)等級(jí)越高，對(duì)應(yīng)的閾值分別為22，18，14，10。這4種不同優(yōu)先級(jí)戰(zhàn)術(shù)信息滿足泊松分布，到達(dá)率之比為λ0∶λ1∶λ2∶λ3=1∶2∶3∶4，其他的仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)

3.1 傳輸成功率

圖6為不同優(yōu)先級(jí)戰(zhàn)術(shù)信息的傳輸成功概率。從圖中可以看出，高優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息具有更高的傳輸成功概率。隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的增加，傳輸成功概率在不斷降低，且優(yōu)先級(jí)低的戰(zhàn)術(shù)信息傳輸成功率下降的更快。不難看出，當(dāng)高負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)犧牲了低優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息的傳輸來(lái)保障高優(yōu)先級(jí)的戰(zhàn)術(shù)信息正常傳輸。使用SPMA-JPD協(xié)議可以保證最高優(yōu)先級(jí)的序列在業(yè)務(wù)負(fù)載為11 Mbps以下時(shí)，達(dá)到99%的傳輸成功率?？梢钥闯?，SPMA-JPD協(xié)議可以協(xié)議TTNT數(shù)據(jù)鏈高可靠性的要求。

圖6 各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸成功率

3.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖7所示為當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中不同優(yōu)先級(jí)戰(zhàn)術(shù)信息的吞吐量。從圖中可以看出，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載達(dá)到12 Mbps時(shí)，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能再承載優(yōu)先級(jí)為3的戰(zhàn)術(shù)信息，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)達(dá)到飽和。達(dá)到飽和時(shí)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量約為11 Mbps。

圖7 各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)吞吐量

圖8對(duì)比了SPMA-JPD協(xié)議與SPMA協(xié)議的吞吐量，從圖中可以看出，在低負(fù)載時(shí)，SPMA協(xié)議與SPMA-JPD協(xié)議吞吐相相差不大，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)有達(dá)到飽和。當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載到達(dá)9 Mbps時(shí)，SPMA協(xié)議達(dá)到飽和狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法承載更多的業(yè)務(wù)流量。通過(guò)對(duì)比可以看出，SPMA-JPD協(xié)議可以使網(wǎng)絡(luò)承載更多的流量，且吞吐量有一定提升。

圖8 SPMA-JPD與SPMA吞吐量對(duì)比圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

圖9所示為當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中不同優(yōu)先級(jí)戰(zhàn)術(shù)信息的時(shí)延。從圖中可以看出，隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的不斷增加，數(shù)據(jù)的時(shí)延也隨之提升，且低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)時(shí)延上升速度更快。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)傳輸速率小于12 Mbps時(shí)，最高優(yōu)先數(shù)據(jù)的時(shí)延始終在0.2 ms左右，最低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的時(shí)延在1.3 ms左右。與SPMA協(xié)議相比，SPMA-JPD協(xié)議具有更低的傳輸時(shí)延，可以更好地滿足TTNT數(shù)據(jù)鏈嚴(yán)苛的低時(shí)延要求。

圖9 各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的平均時(shí)延

4 結(jié)語(yǔ)

NOMA技術(shù)作為 5G的重要技術(shù)之一，可以有效緩解隨機(jī)多址接入中的信息碰撞問(wèn)題。針對(duì)SPMA協(xié)議高負(fù)載情況下，戰(zhàn)術(shù)信息碰撞嚴(yán)重的問(wèn)題，本文提出了一種聯(lián)合功率域的SPMA協(xié)議性能改進(jìn)策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略可以降低碰撞概率，使網(wǎng)絡(luò)承載更多的業(yè)務(wù)流量，能夠有效提高吞吐量、降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。