ALOHA算法衍生系列：Iterative Interference Cancellation在ALOHA算法中的应用总结

1###2016.10.4 补充
　　这几天，笔者又陆续看了相关方面的文章，因此在这里补充一下。
　　
　　目前基于干扰消除的ALOHA衍生协议，依据的物理层干扰消除主要是SIC，即由CRDSA中提出来的办法。然而还有一种叫做ZigZag[1]。

ZigZag：是chunk-by-chunk。两个包冲突时，到达时间不同会有错位。将这两个包发送两次，利用未未干扰的部分消除在另一个replica中的干扰，如此迭代直至解码。具体的解码原理，此处暂且不提。

现有的基于物理层干扰消除的ALOHA衍生算法大致进行分类如下：

1.基于SIC
- 1.1 需要在slot-level和frame-level同步
  -1.1.1 固定帧长
  - CRDSA，IRSA，CSA，MuSCA
  - 1.1.2 可变帧长
    - Frameless ALOHA[2]:每个用户以一定概率接入一个slot，接收端根据瞬时吞吐量或者解码用户的比例来决定是否结束当前轮解码过程。
- 1.2 需要在frame-level同步，没有slot
  -1.2.1 CRA[17]：用户根据一定概率在frame内随机选择时间发送，随机选择replica数量，先用SIC进行解码，然后在用FEC恢复受干扰的replica。在SNIR较高时，性能比较突出
  - 1.2.2 ECRA[18]：在CRA基础上，将每个用户的所有replicas中没有干扰的部分（或者受到干扰最小的部分）组合成一个新的包，与原有包一样或是存在较小的干扰。然后用这个组合包进行CRA中的SIC和FEC过程。
2 基于ZigZag
- 2.1 slot-level同步
  - Enhanced Slotted ALOHA by ZIgZag[3]:
    将原有的idle，success，collision三个状态扩充成4个，增加了zigzag。也就是说，如果某一slot只有2个包冲突，那么这两个包再发一次，进行zigzag解码。
- 2.2 无同步
  - AFDA[4]: 最接近pure ALOHA的算法。对发送包的时间，大小没有限制。采用flipped的办法，每个包产生2个replica，第二个replica翻转过来，其尾端与第一个replica的尾端相连，构成镜像。随机地发送，接收端采用chunk-bychunk的zigzag解码。

　　以上这些协议，都建立在对信道状况准确估计的条件上，是比较理想的过程。

　　都是适用于负载较低的情况。可能是因为无论是物理层的干扰消除还是mac层aloha协议框架，都是针对负载较低的情况。

　　而且这些文章中进行性能分析时，基本都关注了吞吐量，丢包率，但是几乎都没有对时延进行分析。不知道是不是因为无法分析。但是在实际应用中，时延应该会是一个比较大的问题。

　　笔者最近看到一篇2015年国外的硕士论文”Iterative Estimation and Demodulation for Improved Joint Random Access Satellite Communications“，其中对利用Iterative Interference Cancellation的ALOHA衍生算法进行了非常完整的总结，在此翻译下来，供参考～

Part 2.3

　　最先的关键进展是2007年[10]提出的CRDSA，每个包在传输帧内增加一个冗余副本，在接收端使用SIC来解码，在归一化系统负载0.65下，吞吐量最大达到0.52packets/time。系统负载归一化成传输的包的副本数。如果一个包被完整接收，（没有冲突），接收端可以解码恢复该包，然后将其从其他slot产生的冲突中去除来恢复更多的包。

　　CRDSA已经被收入最近的DVBRCS标准中，意味着已经用于实际的系统中。然而，这个算法中仍有很多冲突不能被消除。为了减少不能消除的冲突的数量，[11]提出允许每个用户随机地选择发送的包的副本数量，在归一化负载0.85下，吞吐量增加到0.8packets/slot。

　　在随机副本数量引入后，研究者很快意识到去除框架可以用二分图或者Tanner图描述，相应地出现了很多将基于图的编码理论应用到迭代消除过程的协议[12,13]，如IRSA能够在归一化负载接近1transmission/slot的情况下获得渐近单用户信道容量的吞吐量(0.97packets/slot)。然而，在实际的时延和帧长约束下，吞吐量在0.8packets/slot以内。CSA[14]同样是根据统计分布选择包的副本数，在传输前对包进行预编码，在使用较高的编码率时可以达到IRSA的吞吐量。[15,16]中，对此做了进一步改进，将每个包分割到子slot中，然后在每个slot上应用CSA的概念。恰当地选择概率分布，这些协议可以在低编码率的情况下，吞吐量渐近单用户信道容量的1packet/slot，但是缺陷在于需用复杂的统计分布来确定每个用户的接入概率。

　　上述的进展针对如何逼近单用户信道容量提供了一个非常好的框架，然而他们很快发现，这些协议都依赖于准确的网络时钟同步，但是在实际场景下很难做到全网同步。为了解决这个问题，[17]提出了Contention Resolution ALOHA (CRA)，舍弃了全网同步，而是采用前向纠错(FEC)。摒弃了时隙传输框架会引入局部冲突，因此冲突的概率提高了。然而FEC又使得这些局部冲突可以在SIC过程中被纠正和消除。这些改进使得在高SNR区域，CRA性能超越了CRDSA。在高SNR区域，采用2个副本和1/2FEC的CRA在整个归一化负载范围内性能呈线性。在低SNR区域，随着副本数量增加，吞吐量随着归一化负载减少而减少，但是鲁棒性增强。

　　随后在卫星环境下的随机接入也得到了改进，[18]提出了Enhanced Contention Resolution ALOHA (ECRA)。在CRA的基础上，ECRA允许局部冲突的包中，被无冲突接收的部分被用来重建完整或者接近完整的包，在FEC的帮助下可以被解码。ECRA在各方面冲过了原版的CRA，特别是在系统负载很高的情况下（i.e.活跃用户数量超过可用的slot数量），同时在低负载下保持很好的性能。但是在SNR非常低(<2dB)下仍然不如CRDSA。[19]同样尝试摒弃全网同步的框架，介绍了Enhanced Spread Spectrum ALOHA (E-SSA)，将非同步扩频技术和FEC，SIC结合起来，在低丢包率下接近单用户信道容量。

　　2013年，一个对CRDSA协议的扩展引入了decoding rounds的概念。[20]提出了Frameless ALOHA，采用可变帧长和解码轮数。每一轮解码代表着一定数量的SIC迭代。与CRDSA不同的是，这里给了每一轮解码设置了终止条件。CRDSA中，迭代过程直到没有可以解除的冲突或者达到一定迭代次数为止，而在Frameless ALOHA中，每一轮迭代过程的终止条件依赖于解码用户预定义部分或者达到一定的迭代次数。终止条件满足后，就会重新开启下一轮迭代，只有之前没能成功解码的用户参与。传输帧长和终止条件值都依赖于对活跃用户数量的估计，在获得最大吞吐量过程中每一轮迭代的终止条件都在变化。[21]对终止条件进行了分析，最佳结果出现在瞬时吞吐量最大时，这意味着一旦吞吐量开始下降，当前迭代就会终止，新一轮迭代开启。在高负载，也就是活跃用户数量与传输slot数量相近时，Frameless ALOHA性能较好，而CRDSA和CSA开始性能崩溃，吞吐量急剧减少。在处理过程中终止条件最优时，Frameless ALOHA在负载 0.9 users / slot 下吞吐量达到 0.88 packets / slot

　　2014年CRDSA再次作为探索对象，一些研究者尝试将其变成真正的非同步[22]，引入了虚拟帧的概念。在这个新方案中，传输帧仅本地用户知道，用户之间没有协作.这本质上是非同步的传输环境，局部冲突可以像在ECRA中那样被解码，同时用户不必再等到很长的全局帧的开始再发送数据，降低了时延。除此之外，高性能所需的副本数也大大减少。仿真表明，最少2个包副本就可以达到超过CRDSA，CSA，或E-SSA的性能。

　　然而，这些方法都存在一个基本的缺陷，他们都将信道看成是单用户环境，然而该信道本质上是一个多用户信道[23]，其容量随着聚集的接收能量增加(2.4)；这表明大于1packet/slot的吞吐量是可能的。

R≤C=Wlog2(1+∑k=1KPkN)[bits/s](2.4)

R\leq C=Wlog_2(1+{{\sum\limits_{k=1}^KP_k}\over N})[bits/s]\tag{2.4}
　　
　
　　2012年论文[24]提出了Multi-slot Coded ALOHA (MuSCA)，展示了超过单用户信道容量的可能。该协议利用了多用户信道特征，在信道负载在1.3transmission/slot下，吞吐量高达1.4packets/slot。[24]在消除过程中利用IRSA中的不规则度分布函数，以增加复杂度为代价，将吞吐量峰值提高到1.43packets/slot。这些框架都利用了迭代过程和联合检测，这两个概念构成这里呈现的工作的基础。然而，这些协议都建立在完美的信道估计的基础上。

　　这篇论文就是讨论如何获得准确的信道参数。
　

Reference

[1]: Katabi D, Gollakota S. ZigZag Decoding: Combating Hidden Terminals In Wireless Networks[J]. 2008.
[2]: Stefanovic C, Popovski P. ALOHA random access that operates as a rateless code[J]. IEEE Transactions on Communications, 2013, 61(11): 4653-4662.
[3]: Zaaloul A, Haqiq A. Enhanced Slotted Aloha Mechanism by Introducing ZigZag Decoding[J]. The Journal of Mathematics and Computer Science, 2014, 10(4).
[4]: Zheng L, Cai L. AFDA: Asynchronous flipped diversity ALOHA for emerging wireless networks with long and heterogeneous delay[J]. IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing, 2015, 3(1): 64-73.
[10]: E. Casini, R. De Gaudenzi, and O. del Rio Herrero, “Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA(CRDSA): An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, no.4, pp. 1408-1419, Apr. 2007.
[11]: G. Liva, “Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA with Variable Rate Burst Repetitions”, in IEEE Global Telecommunications Conf., Miami, FL, Dec.2010, pp. 1-6.
[12]: G. Liva, “A Slotted ALOHA Scheme Based on Bipartite Graph Optimization”, in Int. ITG Conf. Source and Channel Coding, Siegen, Jan. 2010, pp. 1-6.
[13]: G. Liva, “Graph-Based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,” IEEE Trans. Commun., vol. 59, no. 2, pp. 477-487,Deb. 2011.
[14]: E. Paolini, G. Liva, and M. Chiani, “High Throughput Random Access via Codes on Graphs: Coded Slotted ALOHA,” in IEEE Int. Conf. Communications, Kyoto, Jun. 2011, pp. 1-6.
[15]: E. Paolini, G. Liva, and M. Chiani, “Graph-Based Random Access for the Collision Channel without Feedback: Capacity Bound,” in IEEE Global Telecommunications Conf., Houston, TX, Dec. 2011, pp. 1-5.
[16]: M. Chiani, G. Liva, and E. Paolini, “The Marriage Between Random Access and Codes on Graphs: Coded Slotted ALOHA,” in 1st Annu. IEEE European Conf. Satellite Telecommunications, Rome, Oct. 2012, pp. 1-6
[17]: C. Kissling, “Performance Enhancements for Asynchronous Random Access Protocols over Satellite,” in IEEE Int. Conf. Communications, Kyoto, Jun 2011, pp.1-6.
[18]: F. Clazzer, and C. Kissling, “Enhanced Contention Resolution ALOHA -ECRA” in Proc. 9th Int. Conf. Systems, Communication and Coding, Munich, Jan. 2013, pp. 1-6.
[19]: O. del Rio Herrero, and R. De Gaudenzi, “High Efficiency Satellite Multiple Access Scheme for Machine-to-Machine Communications,” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 48, pp. 2961-2989, Oct. 2012.
[20]: C. Stefanovic, K.F. Trilingsgaard, N.K. Pratas, and P. Popovski, “Joint Estimation and Contention Resolution Protocol for Wireless Random Access,” in IEEE Int. Conf. Communications, Budapest, Jun. 2013, pp. 3382-3387.
[21]: C. Stefanovic, and P. Popovski, “ALOHA Random Access that Operates as a Rateless Code,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 11, pp. 4653-4662, Nov. 2013.
[22]: R. De Gaudenzi, O. del Rio Herrero, G. Acar, and E. Garrido Barrabes, “Asynchronous Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA: Making CRDSA Truly Asynchronous,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 11, pp. 6193- 6206, Nov. 2014.
[23]: C. Schlegel, and A. Grant, Coordinated Multiuser Communications, Dordrecht, Netherlands: Springer Publishing, 2006.
[24]: B. Huyen-Chi, J. Lacan, and M.L. Boucheret, “An Enhanced Multiple Random Access Scheme for Satellite Communications,” in Wireless Communications Symposium, London, Apr. 2012, pp. 1-6.
　　