第 4期
1999年 4月
电 子 学 报
A A ELE n砌 NICA SlNIo
V0l_27 NO 4
ADr 1999
关麓词
冲突消弱分组预约多址协议及其性能分析‘
牵明远
(西安邮电学院．西安 710061)
朱 毒／ 建东 郭梯云
面j 百-子科技太学，西安710071)
? ~
⋯
J?M
，
／4 堡垫望堡， △盈值匮，玺 羹厶垃 ，分组预约多址协议
Collision Resolution Packet Reservation lvlultiple Access Protoco1
． Li Mir~o3,uan
(xl’ P&T lr~ituts．Xi’d 710061)
Zhu Ying，Li Jiandong，Guo Tiyun
(Xidfan Unit ary，Xi’nn 710071)
Abstract： The sh蝴 rlgs of packet reservation multiple a∞e (PRMA)proto~l a di L晖s。d，and a collision re~o-
lution packet reservation muldp|e ao：酋s(CR—PRMA)protocol is presented．Both the theoretic analysis and cccnputer simula—
t show that the pE ma|1∞of C_~-PRMA protocol is better than that 0f PRMA．
Keywords： Mobile。。mmu 强t ．PcN，Multiple acoess protocol，PRMAprotocol
一
、
； 害 身份码存储在一个先人先出(FrFO)~ 在每一个空
R 闲时隙结束时，基站将广播通知以下信息给所有的通话终端：
近年来，一种适合无线个人通信系统的PRMA协议_l
受到了人们越来越多的重视．简单来说，PRMA协议是预约
ALOHA与TDMA的结合，它首先利用ALOHA竞争空闲信
道(时隙)，竞争成功后，终端以TDMA方式共享信道，PRMA
的主要缺点是有冲突现象：PRMA需要在有声期的开始，通
过竞争来预约一个时隙．由于预约具有随机性，所以各通信终
端之间会产生冲突．因而使时延过长的话音分组被丢弃，降低
了重建话音的质量及整个通信系统的容量
为克服PRMA的这一缺点，本文提出了一种冲突消弱分
组预约多址接人(cR．PRM~)协议 该协议通过分裂空闲时
隙．来减少PRMA中的冲突现象，提高通信系统的容量
二、CR．RqMA协议的原理
CR．PI MA与 PI MA二者的帧结构基本相同，所不同是
在CR．PI MA协议中，每个空闲时隙均被分裂成多个小空闲
时酸 小空闲时隙与每个话音分组的分组头长度相同．CR-
PRMA协议的帧结构见圈 1话音分组的分组头包括同步信
息、源终端身份码(113)，tl的终端身份码等 处于激活期的通
话终端将只用话 音分组 的分组头来竞争小空 闲时 隙．与
PRMA协议相同，各终端以一定的概率接人信道．在一个空
闲时隙中，每个处于激括期的通信终端均有一次接人信道的
机会
如果基站成功地接收到话音分组头后，则将相应的终端
1997年6月收到，1998年 3月修改定穑
卜————一 一 ——————
图1 CR-PILMA协议的帧结构
(1)身份码处于FIFO存贮区顶端的通话终端将获得此
时隙的预约权
(2)其它成功传送话音分组头的终端将处于“等待 状态，
等待获得时隙的预约权而无须再竞争随后的空闲时隙．
显而易见，cR—PRMA可以减少PRMA的冲突现象，所付
出的代价是需要占用一个空闲时隙．
三、CR—PRMA协议的性能分析
类似 PI MA协议的分析l5 J，可以用一个四状态的马尔
可夫过程来近似表征 CR．PRMA协议，并利用平衡点分析
(EPA)法 来近似求解．这四个状态分别是静默(SIL)、竞争
(00N)、等待(WAIT)和预约(REs)，见圈2状态在每个上行
时隙的结束发生变化．分别用 s、c、w和R来表示状志变
量； ，c， 和r来表示处于平衡状态时，各状态的通话终端数
下面，利用 EPA法来求解各状态的稳态值及话音分组的
丢弃率．用 M 表示通话终端致，N表示每帧时隙数，m 表示
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第 4 期 李明远：冲突消弱分组预约多址协议及其性能分析
每个空闲时隙所分裂成 的
小时琼数．
1 用EPA法求稳态值
处于 SIL的终端在话
音激活期的开始进入 CON．
状态转移 概 率为 处于
REs的终端在激活期的结
束，进入SIL，状态转移概率
为 假定状态仅在每时隙
的结束发生变化，则有
图2 CR-PRMA系统的马尔可夫
模型
J=1 唧 (一 ／t2)；y=1 exp( r／t1)； =T
式中：t】、 2分别为话音激活期和静默期的平均长度，T是帧
长 ．
从 CON进入WAIT，需满足以下三个条件：
(1)有空闲时隙；
(2)通话终端选择空闲时隙中的一个小时琼传送相关信
息(分组头)而没有跟其它终端发生冲突；
(3)处于等待状态的终端数(平均值)小于 1
由此可得，从竞争状态进入等待状态的转移概率为：
P=(1 r／N)(1一l／m) ( )
：
在平衡点，进入和离开任一状态的终端数相同，可得
=q(c， )=c(1—1／m)‘。。 ( )
(f_ )+ 舞 ( + )=M
上两式只有两个变量C和"，因此可利用迭代法求解
2 用EPA法求解话音分组的丢弃率
由图2可知，在 CR-PRMA协议中话音分组的丢弃是 由
以下两种原因所形成的：
(1)在 0051的话音分组未能及时进入 WAIT而被丢弃，
丢弃率用 P女表示
(2)在 WAIT的话音分组未能及时进入 RES而被丢弃，
丢弃率用 尸 表示．
现在，首先求 P ．假设话音分组的最大时延为D个时
隙．类似对PRMA协议的 A分析【 ，先求 CR．PRMA协议
中处于 CON的终端未能在当前时琼中进入 WAlT的概率：
l：。l(C，R，W)=1一(1一R／N)(1 1／m) “( )
等待 J时琼才能进入 WAIT的概率为：
(J)：(1一 1) ～． J=1，2，⋯
由上式可得，处于CON各终端的话音分组丢弃率为：
( 1)： ／(1一(1 NT) )
接着，求解 P 由于话音分组在竞争状态已产生时延，
假设这个时延为 个时隙，则处于等待状态的话音终端在
D— 时间内未能进入预约状态，相应的话音分组将被丢
弃 由于 是个随机变量，为了简化计算，用 的期望值来
近似代替 这样 ．话音分组在竞争状态的平均时延为：
( 1)=∑ ．(J)：∑J(卜 ‘) 一 =(卜(1+D)
+ )／(1一 ‘)
处于等待状态的话音终端未能在当前时隙进入预约状态
的概率为：
2=I (1 R／N)=RIN
而如果处于等待状态的终端未能在 D— 时间内进入
预约状态，就会发生话音分组被丢弃的现象，因而可得处于等
待状态的话音分组丢弃率为：
P ( 2)=胡 q／(1一(I—Nr) )
总的话音分组丢弃率为：
( l， 2)=P ( 1)+ h(。2)
1一(1一Ny) 。1一(1一M )
将平衡点的各变量代人上式，即：C=c，R=r，W= 就能求
出话音分组丢弃率
四、分析结果及结论
我们分别用 EPA法和仿真法对 cR_PRMA的性能进行
了分析，计算了不同终端数时，话音分组 的丢弃率，并与
PRMA协议的性能进行了比较．所采用的分折参数见表 1
毫 1 CR-PRMAt~ 的分析参数
定 义 变量 单位 ( PRMA PRMA
信道速率 R kbit 720 720
话音速率 ld~it／s 32 32
帧 长 T trIs l6 l6
分组头长度 H bit 64 64
每帧时瞎c敦 ～ 20 20
小空闲时障封(每空闲时隙) 9 0
最大时延 D～ m 32 32
话音激活期平均长度 I S 1 1
话音静默期平均长度 2 s 1 35 1 35
同时通话终端数 可变 可变
这里，用 EPA法来定性地分析 CR-PRMA的性能，而用
仿真方法定 量地 分析 CR-PRMA的性能 首先，定义一个
PRMA协议的性能指标：系统通过率 "e1． 指的是每帧中成功
传送话音分组的时隙数占总时琼效的比例．显然 =r／,"4．
可用 EPA法求得 CR-PRMA的 玑见图 3从图中可看
出，C PRMA的性能优于PRMA．且增大 空闲时隙中的小时
隙数，可进一步改善CR-PRMA的性能，提高其通过率．
仿真分析的结果见图 4．仿真表明：CR．PRMA协议的性
群
枯
君
蝗
冒
童
匡
系统通过宰
圉 3 CR-PRMA协议的
性能(EVA分析)
静
彘
湘
监
／／
／弋／ ／
CR-PR MA
、 ；
0 35 40 45
同时通话终端致
圉 4 C PRMA协议的
性能(计算机仿真)
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134 电 子 学 报 1999正
能优于 PRMA．采用表 1的参数．在满足话音分组丢弃率小于
1％的条件下，CR-PRMA协议可容纳 40个同时通话的话音
终端，比 PRMA协议所容纳的话音终端数多 3个．多址增益
由PRMA的1．8提高到2．此外，CR-PRMA协议也可以象
CF-PRMA协议那样，有选择地丢弃话音分组 ，这样就不会发
生话音分组被连续丢弃的现象．因此，CR．PRMA协议的性能
实际上会更好一些．
参 考 文 献
1 D．J G00 rIan al Pmzket r'-,=erladon mttttiple且ccess for local、 一
l Ica6∞ l眦 Tmtls．＆I¨Ⅲ_Ⅱ1．1989．37(8)
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cellular system IE珏 TⅫ ．Veh．Tedmol，Aug 1991．4o(3)：584
～ 598
3 D J G,m&nan S X Wei Effieien~ ofpacket吒ser叼t 咖 multi—
ple acoess．IEEETⅫ ．Veh．Teehne1．，Feb．1991，4O(1)：170～176
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pl㈣ l眦 Tram Veh Tedmol，Feb 1991，40(1)：170-176
李明远 1965年生 1988年毕业于清华大
学无线电电子学系，分别于1991年和 1996年获
得西安电子科技大学硬士和博士学位 现为西安
邮电学院电信系副教授、系副主任；西安交通大
学电信学院博士后 主要研究 趣为：移动／十』、
通信、无线 ATM、智能天线技术等．Em~il，liray@
~dyou edu cn
朱 莹 1992年 7月毕业于西安电子科技
大学信息工程系通信工程专业；1995年 3月获
得西安电子科技大学通信与电子系统专业硕士
学位并留校任教．主要从事移动通信 、十』、通信、
通信同计算机仿真方面的研究
(上接第122页)
参 考 文 献
1 A J Viterbi．CDMA~PrincipI罄。fSp trum( rⅡn山1Lc
＆)p) r t 1995 by．~ldksen-W eSley Publishing Company
2 D．Dlug~tR Scholt~Aq山 t 。f卸 d n珊 si als by
adaptive array I眦 T捌 峙．On A。oLlsti曙．Sp。eh舭 d S IaI Pm—
cessing．August 1989，37：1253~1271)
3 R K ～ dya吼h B Aadm11g． duI姗lz 10n and detection of spread
spe吐r咖 gr s in multi~th channels usin~ am目ma arrays M IL—
COM 1995，2：1170
4 J S Lehert．M B Parsley Error pmb~bilities of binary dire~t-se—
que~ce sp~ t-sI：eetram wldl rand。m 酬 Ln s
que~ces．IEEE Tr~ns( n1mlm ．COM一35．1987
5 L．E Brermlm，J D M~llett．I．S Read．R Czmverg~nce in Aaap
tire Arrays lⅡ监 Trat~Aerc~ E1 Syst，1974．AEs_10(6)
_ 一 L
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