Slotted Aloha with Successive Transmission(SAST)

论文主要思路

论文地址：Modeling and Performance Optimization of Slotted Aloha with Successive Transmission

一、核心仿真模型与假设

论文的仿真模型旨在验证其基于休假排队模型的理论分析，核心是一个离散时间的、饱和流量下的时隙Aloha系统。

1. 网络拓扑与节点：

   • 仿真一个包含 n 个节点的单跳网络。
   • 所有节点是同构的，具有相同的参数和行为。

2. 流量模型：

   • 饱和流量假设：每个节点总是有数据包需要发送。这是分析最大稳定吞吐量的典型假设。
   • 节点拥有一个缓冲区用于存储待发送的数据包。

3. 信道访问机制（SAST协议核心）：

   • 时间被划分为时隙，传输在每个时隙开始时进行。
   • Head-of-Line (HOL) 包传输：
     • 每个节点的队首包在任何一个时隙开始时，以概率 q 尝试发起传输（即作为接入请求）。
   • 连续传输机制：
     • 一旦一个节点的HOL包（即接入请求）成功传输，该节点将进入**“连续传输模式”**。
     • 在此模式下，该节点在后续的每一个时隙中，以概率1持续发送缓冲区中的下一个包，直到发生碰撞为止。
   • 碰撞发生后，节点退出连续传输模式，必须重新以概率 q 竞争发送新的HOL包。

4. 碰撞与反馈模型：

   • 理想碰撞模型：在同一个时隙内，如果有两个或两个以上的节点传输，则发生碰撞，所有传输的包都失败。
   • 即时、无误的反馈：在每个时隙结束时，接收端会立即广播一个ACK（成功）或NACK（碰撞）消息，所有节点都能无误地接收。

二、主要仿真指标

论文通过仿真追踪了以下关键性能指标，以验证其理论推导：

1. 数据吞吐量 $({\lambda }_{out}^d)$：

   • 定义：长期平均每时隙成功传输的数据包总数（包括HOL包和连续传输的包）。
   • 计算方式：在足够长的仿真时间 ( T ) 内，$({\lambda }_{out}^d=\frac{\text{总成功传输的数据包数}}{T})$。
   • 目的：这是SAST协议的核心优势指标。用于验证其最大吞吐量是否能达到理论值 0.5，并与经典时隙Aloha的 (e^{-1}) 进行对比。

2. 接入吞吐量 $({\lambda }_{out}^a)$：

   • 定义：长期平均每时隙成功传输的HOL包（即接入请求）数量。
   • 计算方式：$({\lambda }_{out}^a=\frac{\text{总成功接入请求数}}{T})$。
   • 目的：衡量系统处理新节点接入的能力。验证其最大值是否约为 0.2384，并观察其与传输概率 (q) 和节点数 (n) 的关系。

3. 平均接入延迟 $(D_A)$：

   • 定义：一个HOL包（接入请求）从它首次准备发送的时刻，到它被成功传输的时刻之间所经历的时隙数。
   • 计算方式：对所有成功接入的HOL包的经历时隙取平均值。
   • 目的：评估用户感知的接入体验。验证理论结论：平均接入延迟等于节点的平均休假期长度，即 $(D_A=\overline{V})$。

4. 信令-吞吐量比 $(STR)$：

   • 定义：平均每成功传输一个数据包，所需要消耗的信令开销（以比特为单位）。
   • 计算方式：在5G案例中，分别根据2-step SDT和SAST的信令交互流程，统计总信令比特数，再除以总成功数据包数。
   • 目的：在5G应用场景中，将SAST与2-step SDT方案进行实用性对比，凸显SAST在降低信令开销方面的优势。

三、仿真运行逻辑与参数扫描

论文的仿真通过系统性地改变参数，来全面展示SAST协议的性能特性：

1. 验证吞吐量理论值：

   • 固定节点数 ( n )（如 30, 50, 100）。
   • 扫描传输概率 ( q )，在一个较大范围内变化（如从 0.001 到 0.1）。
   • 对每个 ( q )，运行长时间仿真（如 (10^7) 个时隙），测量 数据吞吐量 和 接入吞吐量。
   • 目的：
     • 验证数据吞吐量是否随 (nq) 增大而单调下降，且最大值在 (nq \to 0) 时趋近于 0.5。（对应 图3b）
     • 验证接入吞吐量是否存在一个最优的 (q^* \approx 1.2515/n)，使得其达到最大值 ~0.2384。（对应 图3a）

2. 分析延迟与吞吐量的关系：

   • 固定 ( n )（如 100）。
   • 扫描不同的 ( q ) 值，测量每个 ( q ) 下的平均接入延迟。
   • 目的：展示延迟随 (q) 的变化趋势，并验证理论关系 ( \lambda_{out}^{a} D_A \approx n )。（对应 图5）

3. 5G案例性能对比：

   • 固定 ( n ) 和信令大小 ( s )（如 (s=1)）。
   • 对 SAST 和 2-step SDT 两种方案，扫描 ( q )。
   • 对每个 ( q )，根据各自的信令流程计算 STR。
   • 目的：在相同条件下，直观显示SAST方案相比2-step SDT在信令效率上的显著提升。（对应 图6）

思考：可以明显看出，SAST协议的核心创新在于“成功一次，连续传输”机制，它通过利用成功的信道接入来最大化后续数据包的传输效率，从而在不修改物理层的前提下大幅提升了数据吞吐量并降低了信令开销。我们的仿真可以先从验证其核心的吞吐量和延迟性能开始，之后再将其与2-step SDT等基准方案进行深入的对比分析。