⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 7（2021）475www.elsevier.com/locate/icteMANET环境下的非正交CSK/SS ALOHA系统小室伸吉a，田本博昌ba千叶大学管理和信息技术研究所，1-b日本茨城县日立市中成泽4 -12- 1茨城大学信息科学系，邮编接收日期：2020年10月26日;接收日期：2021年2月2日;接受日期：2021年3月7日2021年3月23日在线提供摘要将扩频技术与ALOHA系统（不具有载波侦听功能的简单随机接入协议）相结合的扩频ALOHA系统已经被研究为移动自组织网络（MANET）协议。本文研究了非正交码移键控扩频（CSK/SS）ALOHA系统对提高MANET环境下的扩展ALOHA系统。使用系统构造的非正交序列的非正交CSK/SS系统是用于扩频技术的多电平调制系统之一，其增加了每帧的比特数。最佳的参数可以用来获得最佳的系统性能，因此，本文给出了解析表达式的数据传输效率和延迟性能的建议方案作为系统参数的函数，假设没有功率控制。数值结果表明，与传统的扩频ALOHA系统相比，非正交CSK/SS ALOHA系统在MANET环境中是有用的。c2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：码移键控（CSK）;非正交序列;扩展ALOHA;吞吐量性能;移动自组网（MANET）1. 介绍移动自组织网络（MANET）正变得非常有吸引力[1应用扩频技术的移动台也已被研究[4将扩频技术与ALOHA系统相结合的扩频ALOHA系统是一个示例协议。由于可以在同一频带中执行多个并发传输，所以扩展ALOHA系统可以减轻由隐藏终端和同时传输引起的对分组冲突的影响。基于扩展ALOHA的MANET系统中的技术问题包括吞吐量提高[7-Kusakari等人提出了一种在车载自组织网络环境 下 用 于 扩 频 ALOHA 系 统 之 一 的 直 接 序 列 扩 频（DS/SS）ALOHA系统的PN序列分配方法[4]。[4]中的系统基于位置信息将PN序列分配给每个车辆∗ 通讯作者。电子邮件地址： kmr@faculty.chiba-u.jp（N. Komuro）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.03.002通过全球定位系统（GPS）获得。虽然很多车辆都有GPS，并不是所有的无线终端都有定位功能。为了提 高使用正交 序列的CSK/SS （正交CSK/SS ）ALOHA系统的吞吐量，我们提出了非正交码移键控（CSK）/SS ALOHA系统[7在正交和非正交CSK系统中，用户具有用于CSK的多个序列，并根据源数据选择其中一个序列。每个用户还具有用于区分用户的PN序列。非正交CSK/SS ALOHA系统使用系统构造的非正交序列。从吞吐量性能的角度来看，非正交CSK/SS ALOHA系统优于DS/SS和正交CSK/SS ALOHA系统。由于上述特点，它是预期的非正交CSK/SS ALOHA系统在MANET环境中表现出良好的通信性能。在以前的工作中，我们假设了蜂窝型网络。也就是说，我们假设每个发射功率都由基站控制[7我们还假设PN序列由基站预先分配。然而，很难控制传输功率2405-9595/2021韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。N. Komuro和H. 羽渊ICT Express 7（2021）475476N位=2（）}√π[f（x）]]}的情况并且也难以在MANET环境中为每个用户预先分配PN序列。为了将非正交CSK/SS ALOHA系统应用于移动自组网，需要研究远近效应和PN序列分配方法对系统性能的影响。本文给出了MANET环境下非正交CSK/SS ALOHA系统的理论吞吐量和时延。本文在无功率控制的假设下，推导了非正交CSK/SS ALOHA系统的吞吐量和时延性能的解析表达式。即，每个用户以相等的发送功率发送分组。因此，接收器接收衰减的信号。从解析表达式中可以得到最佳参数，以获得最佳系统性能。本文还研究了简单PN序列分配法的效果。本文数值分析了非正交CSK/SS ALOHA系 统的 吞 吐 量和 时 延 性能 。 此 外， 本 文还 将 非 正交CSK/SS ALOHA系统与正交CSK/SS和DS/SS ALOHA系统进行了比较。数值结果表明了非正交CSK/SS ALOHA系统的有效性。2. 系统模型图1显示了我们系统的模型。在这个模型中，一个用户与另一个用户通信。每个用户的最大传输范围为Rmax，最小传输范围为Rmin。由于在MANET环境中很难将PN序列静态地分配给每个用户，所以每个用户具有N个pnPN序列集，并且在发送时随机地选择N个pnPN序列中的一个。每个用户还具有用于CSK的M个非正交序列（NS）。下面讨论的符号如表1所示。2.1. 发射机在 发送 器中 ， 数据 包的 信 息量 Lp−info被 划分 为 Lp−info（Lp）。接下来，从CSK序列集中选择一个NS。接下来，随机选择一个PN序列，然后将所选择的NS乘以PN序列。最后，一个包，其中包括Lp帧乘以载波，到另一个用户。在我们的系统中，一个NS是通过连接Mcon本原正交序列。通过级联M个con本原正交序列来构造帧，即，我们将一个NS称为“帧”。 的数量每帧的比特数是N比特=log2（2MconMos）[比特]，并且当级联的数目为1时，帧长度是Lf=Mos MconFig. 1. 系统模型。3. 理论分析3.1. 假设在分析吞吐量性能时，我们假设以下情况。信 道 噪 声 为 加 性 高 斯 白 噪 声 ， 其 功 率 谱 密 度 为N0/2。根据二项分布生成数据包。每一次传输都是非定向的。发送和接收用户对的数量固定为K。2K个用户均匀分布在通信范围内。干扰分组的数量在分组传输期间不波动。以下分析的注释见表2。3.2. 帧成功率本研究遵循[7，11]中的分析，以获得帧成功率。当干扰能量为I时，非正交CSK/SS的帧成功率表示为，是M，并且本原正交序列的数目和con本原正交序列的长度为Mos。2.2. 接收器在接收机中，接收信号乘以载波。然后将其乘以PN序列。然后，将信号与各种原始正交序列进行相关。Pc（I）=×哪里{1−1 erfc∞f（x1）−∞SN R（I）MconX1J−∞j=1 ）dxjM−1dx1，接下来，估计级联模式，然后N比特[比特]通过估计发送的NS来解调数据erfc（x）=2<$∞exp（−t2）dt，·····X{N. Komuro和H. 羽渊ICT Express 7（2021）475477=jminJ2σj=3Lf+ET（R）表11.参数含义Lp-info数据包的位数[bit]Lp数据包长度[序列]LfFramelength[chips]正交序列的个数Mcon连接数非正交序列每个序列的位数（=log2Mos+Mcon）PN序列G在数据包持续时间内生成的数据包的平均数量（提供的负载）Eb/N0每比特传输信号能量与噪声功率谱密度之 比表2第二章.参数含义λ波长λ4πr发射器和接收器之间的距离RminMinimumrRmax最大值发射信号x接收信号干扰能量PI（x）一个干扰用户的干扰能量的概率密度函数PTI（k， x）干扰用户数为k时总干扰能量的概率密度函数Ps（k）干扰用户数为k时的分组成功率G提供的负载f（x j）= g（|Q J|）2014年10月28日，|Q J|）···|Q J|）的情况下，MCON时代其中λ是波长。某些发送用户在接收用户r中的存在g（q）=1exp{−1（qj−uj）}，最大吸收率2πrDR1（二）jRminπRmax−Rminσlog2（M非），2Mcon·SN R（I）从Eqs。3.3和（2），概率密度函数为来自一个干扰用户的干扰能量P（x）是Qj是第j个相关器的输出，Uj是随机变量Qj的平均值，并且T/R2Max我αET1SNR（I）指示所发射的信号能量的比率所需用户的噪声功率谱密度。当αET/R22Max2）2×xdx=1，（3）干涉能量为I，波长为λ，SNR（I）为表示为，其中α=（λ/4 π）2。当干扰用户的数量为k，干扰能量的概率密度函数（PDF），（λ ）2{2IN0}−1PTI（k， x），是4πr其中Lf是帧长度，并且ET是传输能量。3.3. 吞吐量性能P TI（k，x）= P I（x）<$P I（x）<$··<$P I（x）.（四）克蒂梅斯因此，当干扰用户的数量为k时，分组成功率Ps（k）表示为α-右2πσ22.SN R（I）=、（1）N. Komuro和H. 羽渊ICT Express 7（2021）475478=（传输能量为ET。当发送器和接收器之间的通信距离为r[m]时，）minMaxminMaxRmax本研究使用信道传播模型提出[11- 19]，我们假设Ps（k）=R（R2）2R-R2）kα/ R2min PI（k， x）自由空间损失我们还假设用户发送一个数据包（1）k[PN（α（2xN0）−1）]Lp位 BTE（Rmin≤r≤Rmax），接收能量x表示为，其中，EbT/ N0是每比特的传输能量与λ2x=4πrET，噪声功率谱密度（ET Nbit EbT）。另一方面，如果PN序列是静态分配的，则Ps（k）为×1 −NPcR23L F +Ndxdr，（5）N. Komuro和H. 羽渊ICT Express 7（2021）475479-右minK）∑d1−=∑）∞+==--表示为表3评价因素Ps（k）最大2rR）2Max2min（R）min参数含义值RMax最大通信距离10 [m]{（k−1）α/R2MaxRmin最小通信范围1 [m]×（k−1）α/R2PTI（k−1，x）K传输用户数20 [用户]Lp−info每包的比特数720 [bit/packet][（α（2xN）−1）]Lp×pcr23Lf +N位EbTdx dr（6）⎭由上可知，当通信区域内的发送和接收用户对的数量固定时， 码片持续时间S表示为Slog2M非Lfk∑T=1k·KCkT（2）K-H（KGK−kT1 −K？Ps（kT−1），（7）其中kT表示发送用户的数量。3.4. 时延特性延迟被定义为直到成功传输为止所传输的数据包的数量。当干扰分组的数目为k时，在（d1）个分组失败之后第d个分组被成功发送的概率。因此，干扰分组的数量D（k）的延迟特性可以表示为：∞D（k）=d·[1-Ps（k）]-Ps（k）d=11=Ps（k）。（八）因此，平均延迟D表示为：图二、标 准 化吞吐量与提供的负载。并且级联数（Mos，Mcon）是（32，1）、（16，2）、（8，3）和（8，4）。所提出的系统的帧长度Lf对于（8，3），所提出的系统的PN序列的数目Npn是24，而对于（32，1）、（16，2）和（8，4），所提出的系统的PN序列的数目Npn32.由于我们在这项研究中假设了自由空间损耗，当EbT/N0时，接收机处的Eb/N0约为40 [dB100 [dB]，发送用户和接收用户之间的距离为Rmax。随着提供的负载增加，用户间干扰而随着时间的推移，在...∞D=kT=01K CkPs（k）T（1）k（KGK−kT1 −K.（九）折痕由于用户间干扰的影响在低提供负载时较小，因此吞吐量增加。另一方面，吞吐量降低，因为我们将有效延迟定义为延迟属性帐户每个包的消息位数。有效延迟特性De表示为：高提供负载下的用户间干扰。因此，所提出的系统的吞吐量与每个组合具有最大值。从 图 中 可以看出。 2、建议log M+M∑1（1）k（G）K−k系统（Mos=32，Mcon= 1）和（Mos=16，Mcon= 2）De=2奥斯孔NB fk=0 Ps（k）KCK1−K，（十）实现了相同的吞吐量，因为所提出的系统（Mos32，Mcon1）和（Mos16，Mcon2）构建体相同的序列。此外，从图中可以看出。 2的其中，N Bf是每帧的比特数，N Bf=log2MosMcon，log2Mos，和1分别为建议的系统，正交CSK/SSALOHA系统，和DS/SS ALOHA系统。4. 数值结果表3显示了吞吐量评估的因素图图2示出了当EbT/ N0100[dB]时，所提出的系统的归一化吞吐量与所提供的负载的关系。本原正交序列号0=N. Komuro和H. 羽渊ICT Express 7（2021）475480=-=所提出的系统具有（M os8，M con（3）表现最好最大的吞吐量之间提出的系统。图图3示出了所提出的系统的吞吐量，CSK/SS ALOHA 系 统 （ 正 交 CSK/SS ALOHA ） 和DS/SS ALOHA系统（EbT/N为0100[dB]）。在所提出的系统中，（Mos，Mcon）的组合是（32，1），（8，3）和（8，4）。在正交CSK/SS ALOHA系统中，Mos=32。所提出的具有（Mos=8，Mcon=3）的系统的Lf是24[chip]，并且所提出的具有（Mos=32，Mcon=1）和（Mos=8，Mcon=4）的系统、正交CSK/SS ALOHA和DS/SS ALOHA的Lf是24 [chip]。N. Komuro和H. 羽渊ICT Express 7（2021）475481=-=--=-====-=-=-S图三. 归一化吞吐量的比较（EbT/ N0=100[dB]）。ALOHA系统是32[芯片]。所提出的系统的N pn，其中（Mos8，M con（3）24人，建议系统（M os32，M con1）和（M os8，M con正交CSK/SS ALOHA系统和DS/SS ALOHA系统分别为32.直线显示分析结果，曲线图显示模拟结果。分析结果与仿真结果定性一致。由于CSK/SS ALOHA系统不仅存在用户间干扰，而且还存在符号间干扰，因此在高负载下CSK/SS ALOHA系统的吞吐量下降幅度大于DS/SS ALOHA系统。从图中可以看出。3、建议系统采用（M os8，M con第三章示出了比传统系统更好的最大吞吐量。图4给出了当EbT/ N0时，所提出的正交CSK/SS ALOHA和DS/SS ALOHA系统的有效时延100[dB]。计算了有效延迟在相同的情况下，如图。二、直线显示分析结果，曲线图显示模拟结果。分析结果与仿真结果定性一致。从图中可以看出。3.所提出的系统的延迟特性优于传统的系统。也可以从图中看出。3，所提出的系统表现出更好的延迟比传统的系统。为了研究所提出的系统的最佳参数，本研究使用一个目标函数，考虑到吞吐量和延迟性能，以获得所提出的系统的最佳参数。目标函数F定义如下：F=1Dnorm。该系统的最优系统参数可以通过获得具有最小目标函数值的Mos和Mcon的组合来预测。图图5示出了当EbT/ N0时，所提出的系统的目标函数Ff100[dB]。 目标函数的评估在相同的情况下，如图。3和4组合（Mos=8，Mcon= 4）描绘了最佳系统见图4。 有效延迟的比较。图五、 目标函数与提供的负载。参数在拟议的系统时，提供的负载是小的（G<4）。图5还示出了当所提供的负载大（G>4）时，组合（Mos32，Mcon1）是最佳系统参数。5. 结论本文给出了MANET环境下非正交CSK/SS ALOHA系统的理论吞吐量和时延。本文在无功率控制的假设下，通过理论分析推导了非正交CSK/SS ALOHA系统的吞吐量和时延性能。本文还研究了简单PN序列分配方法的效果。具体地，每个用户随机地选择多个PN序列中的一个。此外，本研究探讨了所提出的系统的最佳参数。数值结果表明，当系统的（Mos8，M con3）实现了最高的吞吐量，组合（Mos8，Mcon4) 和（M os32，M con1）给出了综合考虑吞吐量和时延性能的最优系统参数。从数值结果可以看出，非正交CSK/SS ALOHA系统是一种有效的N. Komuro和H. 羽渊ICT Express 7（2021）475482与传统的扩展ALOHA系统相比，竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作引用[1] J.Wu，M. Fang，X.李，基于强化学习的移动自适应路由车辆ad-hoc网络，无线。个人通信101（4）（2018）2143-2171。[2] A. Verma，W. Ranga，物联网中基于RPL的6LoWPAN网络的网络入侵检测系统评估，无线。Pers. Commun. 108（3）（2019）1571-1594。[3] L. Femila，M.M. Beno，通过EE-MAC协议的adhoc网络中的负载富集和下垂功率摄取，无线。Pers. Commun. 109（2）（2019）813-822。[4] K.小林A.中村K. Ohno，M.李文，基于位置导向PN码分配的DS/SS-IVC系统性能改进，IEICE Trans. Fundam.电子通讯Comput. Sci.E99-A（1）（2016）225-234。[5] M.贾，W. Wang， Z.殷角，澳-地Guo，X.顾，一种基于认知无线电的扩频时隙ALOHA卫星通信系统，北京大学学报。无线通信网络232（2016）1[6] A. Mengali，医学博士Gaudenzi，P.L.张文，等. Commun. 65（10）（2017）4295-4308。[7] N. Komuro，H. Habuchi，M.李文，等.非正交序列的CSK/SSMAALOHA系统. E87-A（10）（2004）2564-2570。[8] N. Komuro，H. Habuchi，具有非正交序列的CSK/SSMA非时隙ALOHA系统的合理吞吐量分析，IEICETrans. Fundam。E88-A（6）（2005）1462[9] N. Komuro，H. Habuchi，T. Tsuboi，Influence of channel estimationerror on throughput performance in the channel estimation-orientedaccess control scheme with code shift keying ， in ： Proc. IEEESingapore International Conference on Communication Systems ，ICCS 2006，Singapore，Singapore，2006，pp. 1比5。[10] N. Komuro，H. Habuchi，T.陈文，非正交CSK/CDMA系统的功率自适应接入控制方案，北京大学学报，2000。E91-A（10）（2008）2779-2786。[11] N. Komuro，H. Habuchi，关于用户之间通信的非正交CSK/SS随机接入系统的吞吐量分析，在：Proc. IEEE International Symposiumon Personal ， Indoor and Mobile Radio Communications ， PIMRC2009，Tokyo，Japan，2009，pp. 162比166[12] N. Komuro，H. Habuchi，强度调制直接检测光无线通信与非正交码移键控，在：IEEE全球消费电子会议论文集，GCCE 2019，大坂，日本，2019年，pp.723-726
