priborJournal of Instrument EngineeringИзвестия высших учебных заведений. Приборостроение0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-9-759-766pribor-36Research ArticleSYSTEM ANALYSIS, MANAGEMENT AND INFORMATION PROCESSINGСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSpeed Analysis of ALOHA-Based Random-Access Algorithm with Various Slot DurationАнализ скорости алгоритма случайного доступа с разной длительностью слотов на основе алгоритма АЛОХАПастушокИ. А.PastushokI. A.

Ирина Анатольевна Пастушок, студентка

кафедра информационной безопасности

Санкт-Петербург

Irina A. Pastushok, Student

Department of Information Security

St. Petersburg

pastushokirina22@mail.ruТюрликовА. М.TurlikovA. M.

Андрей Михайлович Тюрликов, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой

кафедра инфокоммуникационных технологий и систем связи

Санкт-Петербург

Andrey M. Turlikov, Dr. Sci., Professor, Head of the Department

Department of Infocommunication Technologies and Communication Systems

St. Petersburg

turlikov@k36.orgСанкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроенияРоссияSt. Petersburg State University of Aerospace InstrumentationRussian Federation202425112024679759766Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/36

   For multi-user systems of random multiple access to a common communication channel, built on the basis of the ALOHA algorithm, a method for organizing conflict resolution algorithms is considered. In such systems, the time in the common channel is divided into slots equal to the duration of the message transmission time, and subscribers randomly select a slot for transmission. In some systems, the slots have different durations, which under certain conditions can increase the speed of the algorithm. To determine these conditions, options for the influence of the slot duration on the speed of the algorithm are considered. It is shown that the speed of algorithms built on the basis of the ALOHA algorithm can be increased if the relative duration of the empty slot is different from one. An algorithm is proposed that provides the maximum speed when this condition is met. An optimization problem is formulated and solved for choosing the optimal value of the parameter at which the speed of the proposed algorithm is maximum. Similar results are demonstrated for the case when the relative duration of the empty slot is much greater than one.

   Для многоабонентных систем рассматривается способ организации случайного множественного доступа к общему каналу связи, использующий алгоритмы разрешения конфликтов, построенные на основе алгоритма АЛОХА. В таких системах время в общем канале разделено на слоты, равные длительности времени передачи сообщения, и абоненты случайным образом выбирают слот для передачи. В некоторых системах слоты имеют разную длительность, что при определенных условиях позволит повысить скорость алгоритма. Для определения этих условий рассмотрены варианты влияния длительности слотов на скорость алгоритма. Показано, что скорость алгоритмов, построенных на основе алгоритма АЛОХА, возможно увеличить, если относительная длительность пустого слота отлична от единицы. Предложен алгоритм, обеспечивающий при выполнении этого условия максимальную скорость. Сформулирована и решена оптимизационная задача по выбору оптимального значения параметра, при котором скорость предложенного алгоритма максимальна. Аналогичное решение показано и для случая, когда относительная длительность пустого слота намного больше единицы.

сотовые сетиалгоритм ALOHAслучайный множественный доступтелекоммуникационные сетисистемы радиочастотной идентификацииcellular networksALOHA algorithmrandom multiple accesstelecommunication networksRadio Frequency Identification (RFID) systemsРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 22-19-00305: „Пространственно-временные стохастические модели беспроводных сетей с большим числом абонентов“The work was supported by the Russian Science Foundation, project No. 22-19-00305: “Spacetime stochastic models of wireless networks with a large number of subscribers”ReferencesYu Y., Giannakis G. High-throughput random access using successive interface cancellation in a tree algorithm // IEEE Trans. on Information The ory, 2007. N 12. P. 4628–4639.Yu Y., Giannakis G. IEEE Transactions on Information Theory, 2007, no. 12(53), pp. 4628–4639.Бурков А. А. Сравнение способов снижения затрат энергии в стабильных системах массовой межмашинной связи // Информационно-управляющие системы. 2023. Вып. 2. C. 39–50.Burkov A.A. Information and Control Systems, 2023, no. 2, pp. 39–50. (in Russ.)Jeon S.-W. Online estimation and adaptation for random access with successive interference cancellation // IEEE Trans. on Mobile Computing. 2022. Vol. 22. P. 5418–5433.Jeon S.-W. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2022, vol. 22, рр. 5418–5433.Цыбаков Б. С., Файнгольд В. Б. Блокированный стек-алгоритм СМД в сети с конечным числом станций // Проблемы передачи информации. 1992. Т. 28, № 1. C. 89–96.Tsybakov B.S., Faingol'd V.B. Problems of Information Transmission, 1992, no. 1(28), pp. 79–86.Bogatyrev V. A., Bogatyrev S. V., Bogatyrev A. V. Model and interaction efficiency of computer nodes based on transfer reservation at multipath routing // Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication. 2019. P. 1–4. DOI: 10.1109/WECONF.2019.8840647.Bogatyrev V.A., Bogatyrev S.V., Bogatyrev A.V. 2019 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication, 2019, art. no. 8840647.Богатырев В. А. Надежность и эффективность резервированных компьютерных сетей // Информационные технологии. 2006. № 9. C. 25–30.Bogatyrev V.A. Information Technologies, 2006, no. 9, pp. 25–30. (in Russ.) DOI: 10.1109/WECONF.2019.8840647Богатырев В. А. Оценка надежности и оптимальное резервирование кластерных компьютерных систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 10. C. 18–21.Bogatyrev V.A. Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics, 2006, no. 10, pp. 18–21. (in Russ.)Богатырев В. А., Богатырев А. В. Надежность функционирования кластерных систем реального времени с фрагментацией и резервированным обслуживанием запросов // Информационные технологии. 2016. Т. 22, № 6. C. 409–416.Bogatyrev V.A., Bogatyrev A.V. Information Technologies, 2016, no. 6(22), pp. 409–416. (in Russ.)Цыбаков Б. С., Михайлов В. А., Лиханов Н. Б. Границы для скорости передачи пакетов в системе СМД // Проблемы передачи информации. 1983. Т. 19, вып. 1. С. 61–81.Tsybakov B.S., Mikhailov V.A., Likhanov N.B. Problems of Information Transmission, 1983, no. 1(19), pp. 50–68.Фалин Г. И. Оценка эффективности одного класса алгоритмов случайного множественного доступа в радиоканал // Проблемы передачи информации. 1982. Т. 18, вып. 3. С. 85–90.Falin G.I. Problemy Peredachi Informatsii, 1982, no. 3(18), pp. 85–90. (in Russ.)Михайлов В. А. Геометрический анализ устойчивости цепей Маркова в Rn + и его приложение к вычислению пропускной способности адаптивного алгоритма случайного множественного доступа // Проблемы передачи информации. 1988. Т. 24, вып. 1. С. 61–73.Mikhailov V.A. Problems of Information Transmission, 1988, no. 1(24), pp. 47–56.Rivest R. Network control by Bayesian broadcast // IEEE Trans. on Information Theory. 1987. Vol. 33, N 3. P. 323–328.Rivest R. IEEE Transactions on Information Theory, 1987, no. 3(33), pp. 323–328.Wu Y. Massive access for future wireless communication systems // IEEE Wireless Communications. 2020. Vol. 27, N 4. P. 148–156.Wu Y. IEEE Wireless Communications, 2020, no. 4(27), pp. 148–156.Alhashimi H. F. A Survey on Resource Management for 6G Heterogeneous Networks: Current Research, Future Trends, and Challenges // Electronics. 2023. Vol. 12, N 3. P. 647.Alhashimi H.F. Electronics, 2023, no. 3(12), pp. 647.Burkov A. A., Rachugin R. O., Turlikov A. M. Analyzing and stabilizing multichannel ALOHA with the use of the preamble-based exploration phase // Информационно-управляющие системы. 2022. Т. 5. С. 49–59. doi: 10.31799/1684-8853-2022-5-49-59Burkov A.A., Rachugin R.O., Turlikov A.M. Information and Control Systems, 2022, no. 5, pp. 49–59, doi: 10.31799/1684-8853-2022-5-49-59.Burkov A., Shneer S., Turlikov A. An achievability bound of energy per bit for stabilized massive random access Gaussian channel // IEEE Communications Letters. 2020. Vol. 25, N 1. P. 299—302.Burkov A., Shneer S., Turlikov A. IEEE Communications Letters, 2020, no. 1(25), pp. 299–302.Salah H., Hazem A. A., Joerg R., Heuberger A. A Time and Capture Probability Aware Closed Form Frame Slotted ALOHA Frame Length Optimization // IEEE Communications Letters. 2015. Vol. 19. N11. P. 2009–2015.Salah H., Hazem A.A., Joerg R., Heuberger A. IEEE Communications Letters, 2015, no. 11(19), pp. 2009–2015.Salah H., Gaydadjiev G. Toward Optimal RFID Frame Lengths // IEEE Journal of Radio Frequency Identification. 2023. P. 83–90.Salah H., Gaydadjiev G. IEEE Journal of Radio Frequency Identification, 2023, рр. 83–90.Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2000. Vol. 18, N 3. P. 535–547.Bianchi G. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000, no. 3(18), pp. 535–547.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.