Aloha技术讨论.pdf

1 1. ALOHA 协议概述在数据网络中，目前已得到广泛应用的随机多址接入技术有两类：ALOHA多址和扩频码分多址（ CDMA ） ，它们是两种不同类型随机多址技术，在理论研究和实际应用中均占有重要地位ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信，可以使分散的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信最初是由夏威夷大学研究出来为了解决夏威夷群岛间通信问题的，自 1970 年以来， 已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议[1][2]它的主要优点为：允许大量间断性工作的发射机共享同一个信道，不需要路由选择与交换，建网简单利用 ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中每个用户提供单独接口但是 ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络，而在于它首次在无线信道中引入了数据包广播结构，使每个用户随时都可以给另一个用户发送信息，完全不需要同步ALOHA系统分为两种典型的类型：纯ALOHA （ P-ALOHA ）和时隙 ALOHA （ S-ALOHA ） 下面将分别从他们的性能一一分析2. 纯 ALOHA 协议纯 ALOHA基本思想是：当用户有帧即可发送，采用冲突监听与随机重发机制。

这样的系统是竞争系统 (contention system)在 P-ALOHA系统中，任何时间有一用户要发送信息时，立即以定长信息包形式，将欲发送出去的信息送入信道即用户以随机方式抢占信道因为信道是广播式的，如果没有冲突出现，则认为是发射成功；若通信用户和其它用户发生碰撞，信息包和一个或更多其它用户信息包重叠，则发射失败，必须重发若还重叠，则随机独立的重新排定碰撞信息包，再一次重发，直至发射成功图 2-1 示出了 P-ALOHA信道的典型例子有三个用户A,B,C 共享一个ALOHA信道为了简化问题，我们假设传播时延为零即认为3 个站点（用户）非常靠近图2-1 P-ALOHA 信道Figure 2-1 P-ALOHA channel 当用户 A随机地发送信包，恰好在 A 信包结束前， 由于用户 B开始发送信包，结果造成两个信包2 部分重叠因此在一个随机时间后，用户A和B必须重发恰逢用户C 发射信包和 B 重发信包部分重叠，此时 B和C 发射均遭破坏但A 发送成功， B、C必须重发， B第二次重发成功，C 一次重发成功到此为止，三个用户皆成功地发射了自己的信包ALOHA 协议性能指标是信道吞吐量，也就是在单位时间内成功发送的平均数据量。

为了确定吞吐量，有必要先确定碰撞时间也就是在一个数据包时间间隔内，数据包可能和其他发送者发送的数据包发生碰撞的时间随着用户数量的增加，用户时延就会因碰撞概率的增大而变大假设用户发送数据包长度相同信道内数据速率固定，所有用户可以在相同时间间隔内发送数据包平均到达速率为 λ, 即用户平均每秒λ 个请求，数据包时长为T，则系统总负载为G= λT(也称为流入信道业务量), 也就是说在一个T时间内平均有λT个接入请求这样时间t内K个扰用户出现的概率服从泊松分布: ()!Ktt P KeK(2.1) 由上面的公式得到，当G=0.5时，纯 ALOHA 的吞吐量达到最大值S=1/2e可见， P-ALOHA 系统最多只能有 18.4%的时间正常通信，效率是很低的， 而且当接入用户超过一定量时，性能反而会降地更低综上所述，纯 ALOHA 的优点是实现简单，可采用变长信息包，特别适用于具有大量间歇性工作的发射机的网络缺点是当有许多发射机同时处于工作状态时会导致系统的不稳定3. 时隙 ALOHA 协议[3]纯ALOHA 协议会出现一个问题，即n个连接发射的分组发生碰撞造成n个分组的丢失， 引起信道瘫痪为了提高纯ALOHA 的吞吐率，1972年， Roberts提出了一种改进型协议，称之为时隙ALOHA(Slot-ALOHA)。

时隙 ALOHA 规定只在某些特定的时刻允许发射信道被分成与TDMA 一样的许多时隙，时隙的起始时刻对所有台来说都是一样的（即所有台是同步的）时隙 ALOHA 能将系统容量增加一倍原理是将时间分成离散的间隔，每间隔对应一帧它要求每个用户遵守统一的时隙边界它的示意图如图3.1所示图3-1 S-ALOHA 信道Figure 3-1 S-ALOHA channel 从时隙 ALOHA 的工作过程可见， 任一分组具有碰撞而受损的分组时间间隔从两个分组时间变为3 一个分组时间既有t=T,这样得到信道吞吐量为[2]：(0)(0) !KTGSGP KTGeK KGe(2.3) 当G=1时，系统的吞吐量达到最大值可见时隙ALOHA 提高了系统的吞吐率，最大信道吞吐率提高到 0.368缺点是网络中的全部发射机只能同步发射信号，实现的复杂性也随之增大2.2） （2.3）式给出了全体无限多用户情况下的通过量也就是说，上述两种ALOHA系统的通过量公式，是在假定网内站点数很大（理论上为无限大），且其它站点发送信包的概率很小，的条件下推导出的只有如此，各站随机地发送信包的效应才近似泊松过程在实际系统中，站点数是有限的，而且，可选足够大的缓冲器以保持多于一个的信包。

在这种情况下，近似分析及其模拟结果均表明，会有更高的通过量[4]式（ 2.2） （ 2.3）可用曲线描绘出来，如图所示从图中可看出，随着呼叫量的增大，信息包之间发生碰撞的机会增加，故通过量在G=0.5（P-ALOHA ）和 G=1（S-ALOHA ）时出现最大值而后迅速降低直至降为零图3-2 P-ALOHA 与S-ALOHA 性能曲线Figure 3-2 P-ALOHA and S-ALOHA performance curve 4. 平均时延分析对于时隙 ALOHA 系统，假设一个大数目站点的S-ALOHA 卫星通信系统，信道的总业务量为S，以速率 S/T （包 /秒）泊松到达， 新信包成功到达信道的平均到达速率为V， 每个站的每个发送周期T 最多传送一个信包信包的发送过程典型时间图如图所示4 图4-1 发送信包时间图Figure 4-1 to send a letter packet time chart 发完一个信包，经过t秒时间或 R（R为一个最小正整数，且R=t/T）个时隙后，才能收到确认信息，确知其发送成功与否若碰撞则重发，在随后的K 个时隙期间，所以碰撞站为减少其第二次碰撞的可能性，以1/k，概率在每个时隙开始时刻，平稳随机地重新安排其信包发送。

因此，在检出碰撞后，发送第i 个信包之前，一个站等待的平均时隙数为：1011 1122kikkikkk（2.4）其对应的时间为：12BkTT （2.5）信包发送开始时刻t0到信包第一次重发开始时刻t1之间的时间， 称为未成功发送周期因此， 平均未成功发送周期为：11()22kkTuTRTTRT (2.6) 发送过程中，碰撞可能不止一次，若一个信包的平均未成功重发次数为NR，则未成功发送总时间应为 NRTu. 最后一次重发成功时间称为成功发送周期Ts，它为信包发送时间T与传播时间 I=RT 之和，即：(1)TsTRTRT（2.7）在对 S-ALOHA 系统的分析中，我们是假设信包刚好在时隙开始时刻到达信道，且近似为泊松过程实际上，信包可能以等概率在时隙内的任一点到达因此，可认为到达点和下一时隙开始点之间的平均等待时间为时隙宽度之半[5]即认为信包在时隙的中点时刻到达信道根据上述分析，在S-ALOHA 系统中，发送一个信包的总平均时延D由半个发送周期0.5T，NR倍5 未成功发送周期NRTu和成功发送周期Ts三部分组成，即：11{[](1)}22RkDRNRT （2.8）平均未成功重发次数NR的确定：一个信包的成功发送概率为Ge，则未成功发送概率为1Ge，于是总重发次数的概率为：1(1)R RGNG NPee(2.9) 由此得到总重发次数的平均值[5]为：1111RRG RRNNNNPe (2.10) 则：11cG RaNe a（2.11）而在 P-ALOHA 系统中，新到达信包是被立即发送的，没有 0.5T的等待时间。

其他情况和 S-ALOHA一样，所以在P=ALOHA 系统中发送一个信包的总平均时延应为：1{[](1)}2RkDRNRT （2.12）图4-2 ALOHA 信道特性Figure 4-2 ALOHA channel characteristics 从以上的分析中我们可以看出，作为最早最基本的无线通信方式，ALOHA 及其发展而来的其他随机多址接入方式，在收发分组数据的各种无线通信组网中都有其广泛的应用尤其是在一些组网灵活，要求成本的情况下除了最经典的纯ALOHA 和时隙 ALOHA, 下面我们再介绍一些其他广泛应用的改进 ALOHA 随机接入方式5. 其它ALOHA 技术5.1 预约 ALOHA （R-ALOHA ）6 因为在 VSAT数据网中，各小站所传输的业务类型和业务量极不相同，为了解决长、短报文的兼容，以防像 P-ALOHA 或S-ALOHA 方式把长报文分成许多个信息包，然后—一发送出去，使传输时延过长的弊病而采用了R-ALOHA 当 VSAT 小站有数据发送时，需发送一个申请给中心站的按需分配处理器，并表明需要发送的通信量按需分配处理器通过入站载波把定量的TDMA 时隙分配给发出申请的 VSAT站。

当有多个VSAT 站同时向中心站发出申请时，则需排除等候这种方式可用于数据量变化较大的用户，最大信道利用率可达83.3％，但设备更趋复杂，且平均传输时延较长5.2 捕获效应 ALOHA （C-ALOHA ）它是纯 ALOHA 的改变型每个用户以不同的功率发射信号，即使发生碰撞，其中最大的信号能够被对方正确地接收发射控制单元根据其业务的等级能够改变发射功率如果不能改，可以对各用户按照它们的优先等级决定其发射功率电平在设计合理的情况下，C-ALOHA 信道的容量可为P-ALOHA 的三倍，但如果大量的信息包同时进入卫星转发器信道，由于星上行波管放大器的调幅/调相（ AM/PM ）转换作用，会将输入电平的幅度起伏变换为调相分量，经数字解调器后，比特差错率将会增大5.3 选择拒绝 ALOHA （SREJ-ALOHA ）它规定对信息分组仍以ALOHA 方式发射， 对每个分组再进一步分成若干个小分组，每个小分组又有各自的报头和前置码，这样在接收端对每个小分组可以独立地进行检测如果发生信息包碰撞，其中未遭碰撞的小分组被对方站正确接收，只需要重新发射遭到碰撞的小分组由于 SREJ-ALOHA 具有不需要定时同步和适合于信息包长度可变的重要特点，又克服了由于碰撞使信道利用率低的缺点，在非同步系统中容量最高，是一种较好的非时隙随机多址方式，具有广阔的应用前景。

CSMA 协议是在 ALOHA 协议的基础上改进而成的，是一种可以进一步提高网络吞吐率的有效方法在局域网中，一般情况下延迟都比较小，因此将CSMA 应用到局域网中是可行的在有线局域网中，系统应用的是CSMA/CD 协议由于无线局域网的特殊性，必须采取冲突避免的CSMA 协议802.11为此定义了特殊的MAC 层结构，从而使之可以真正适用于无线局域网6. CSMA/CD 的介绍CSMA ／CD (Carrier Sense Multiple Access Protocol ／Collision Detect) 协议，即冲突检测的载波监听多路访问协议，是IEEE 802.3 以太网采用的一种1-持续介质访问控制方法，也是决定以太网性能的关键技术[6]CSMA/CD 的基本原理是这样的，每站在发送数据前，先侦听信道是否为空；信道空闲，则发送数据，并继续侦听下去；一旦侦听到冲突，便立即停止发送，并在短时间内坚持连续向总线上发一串阻塞信号强化冲突，通知总线上各站有冲突发生，以便及早空出信道．提高信道的利用率；如果信道忙，则。