Aloha技术讨论.docx

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Aloha技术讨论

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（contentionsystem）。

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2-1P-ALOHA信道

Figure2-1P-ALOHAchannel

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:

（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3-1S-ALOHA信道

Figure3-1S-ALOHAchannel

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一个分组时间既有t=T,这样得到信道吞吐量为[2]：

（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3-2P-ALOHA与S-ALOHA性能曲线

Figure3-2P-ALOHAandS-ALOHAperformancecurve

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。

图4-1发送信包时间图

Figure4-1tosendaletterpackettimechart

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：

（2.4）

其对应的时间为：

（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：

（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：

（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倍未成功发送周期NRTu和成功发送周期Ts三部分组成，即：

（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

，则未成功发送概率为

，于是总重发次数的概率为：

（2.9）

由此得到总重发次数的平均值[5]为：

（2.10）

则：

（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：

（2.12）

图4-2ALOHA信道特性

Figure4-2ALOHAchannelcharacteristics

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）

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（CarrierSenseMultipleAccessProtocol／CollisionDetect）协议，即冲突检测的载波监听多路访问协议，是IEEE802.3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，则暂时不发送，退避一段时间后再尝试。

这种CSMA／CD协议又被形象地称为“先听后说，边听边说”方法。

站点在发射包之前，要执行CSMA／CD，这在有线网络是可以实现的，因为有线的物理链路能确保发射的信号能够分发给每个网络节点。

在无线网络，施行冲突检测是不可能的。

因为无线收发器操作在半双工模式，所以站点无法在发射信息的同时侦听媒介使用状况。

所以，我们采用了带冲突避免的载波侦听多路接入协议（CSMA／CA）。

在无线局域网中，由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，无线局域网的MAC在差错控制、解决隐藏终端等方面不同于有线局域网，WLAN与有线局域网所采用的CSMA具备一定的差异[7]。

WLAN采用CSMA/（CSMA/CollisionAvoidance）协议，其与CSMA/CD最大的不同点在于其采取避免冲突工作方式。

其基本的CSMA/CA算法各站对发送信道进行监听如发现信道空闲且其空闲时长大于一个给定的帧间IFS间隔时就开始发送数据否则继续监听直至信道空闲一旦信道空闲该站延迟另一个时间IFS若信道在IFS之内还是空闲状态则按照后退二进制指数算法延迟一段时间当信道一直保持空闲该站便可以开始发送数据该算法可以使网络在重载的情况下减小冲突的发生概率[8]。

为了减少冲突IEEE802.11MAC标准设计了包含两个子层的MAC子层DCF和PCF二者的基础是CSMA/CAPCF使用集中控制的接入算法采取轮询机制轮流给予各站发送权适用于对时延敏感的实时数据和分组话音等业务DCF采用基于CSMA的竞争接入算法向上提供争用业务。

802.11MAC协议：

为了更好地解决隐蔽站带来的碰撞问题，802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。

RTS（RequestToSend）：

请求发送帧。

源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧。

它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。

CTS（ClearToSend）：

允许发送帧。

媒体空闲时，目的站B向源站A发送的一个响应控制帧。

图6-1CSMA/CA工作原理

Figure6-1CSMA/CAworkprinciple

改进型的CSMA/CA有多种实现形式,其基本思路是首先发送方激活收方,由收方发送一个短的回应帧,收方周围的站在监听到这个短帧后保持静默从而避免了与发送方数据产生冲突RTS/CTS帧中的Duration域用于设置网络分配矢量NAV（RTS）以确定信道的占用时长通过分析可知在无线环境中引入RTS/CTS可以较好地部分解决隐蔽问题与暴露问题为了在MAC子层监测帧的丢失并建立重传机制可以加入确认帧的发送亦即RTS/CTS+ACk。

在无线局域网中，发送方不可能检测到媒体中是否发生碰撞。

因此，发送和接收双方需要一种确认机制来判断传输是否正确即发送方在发送一帧后，等待接收方返回的ACK帧，若没有收到ACK帧，则认为接收方没有正确接收，那退避一段时间重新发送该帧

采用改进型CSMA/CA并不能完全避免冲突RTS帧之间也会产生碰撞并丢失数据这时可以采用后退二进制指数算法令竞争失败的站静默一定时长后重试在退避状态中退避计时器只有在监测到信道空闲时才开始计时若信道忙则停止计时直至检测到空闲时间大于DIFS时才重新计时按照概率论分析该算法有效地保证了竟争的公平性与合理性.

我们也该看到RTS/CTSAck的引入增加了通信开销降低了网络效率在数据帧尺寸较大的应用中RTS/CTSAck其帧长很短与由于冲突导致的时间开销相比网络整体效率得到了提高在数据帧尺寸较小时该机制反而会降低吞吐量增加系统延迟所以RTS/CTSAck机制的选用要根据具体业务要求和无线信道实际情况进行具体分析和设计。

下面在两方面对以上两种方式进行比较[4][8]：

（1）载波检测方式：

因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。

CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式

（2）信道利用率比较：

CSMA/CA协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率。

但是由于无线传输的特性，在无线局域网不能采用有线局域网的CSMA/CD协议。

信道利用率受传输距离和空旷程度的影响，当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题，降低信道利用率。

7.ALOHA的应用

基于ALOHA的随机接入方式是一种非常简单和不规则的TDMA方式，适用于分组数据传输,被广泛地应用于卫星VSAT通信、无线分组网络及军事通信网络等系统中。

在VSAT卫星通信网中,为了充分利用卫星信道,针对不同的需求,提出了各种多址协议[9]。

VSAT是一种天线口径很小的卫星通信地球站，又称微型地球站或小型地球站。

其特点是天线直径很小（一般为0.3m-2.4m），设备结构紧凑、固体化、智能化、价格便宜、安装方便、对使用环境要求不高，且不受地面网络的限制，组网灵活。

图7-1VSAT网络架构

Figure7-1VSAT-Net

从VSAT数据通信网的结构特点看,其典型拓扑结构是星状网,是不对称结构,传输应选择不同的多址协议。

多址协议根据各VSAT小站接入卫星信道的方式,可分为固定分配、随机争用和预约可控三类;根据卫星信道是否划分时隙,可分为“时隙”和“非时隙”两类。

对以数据为主的VSAT网来说,由于数据业务每次突发的持续时间很短,一般采用随机争用方式,包括ALOHA方式以及在此基础上提出的各种改进方式。

对个别大业务量的站,可以采用预分配方式。

卫星网络中采用的准时隙ALOHA_CDMA信道，降低同步所带来的网络复杂度和成本。

对于一个具体的VSAT网络，应根据其所传输的业务种类、容量大小、延时要求、VSAT终端数目、网络结构及卫星转发器的性能参数来综合考虑，合理选择由主站到小站方向出站链路的多址协议和由小站到主站方向人站链路的多址协议，以及它们之间的有效组合，使系统性能价格比处于最佳状态。

除了在VSAT网络中的应用，还有其它的很多应用，比如，基于ALOHA和TDMA的水声传感器网络MAC层协议，其适用于水声传感器网络及其它长传播时延通信网络,易实现。

还有Ad-Hoc网络电台传输实时数据和非实时数据。

将向用户提供的数据时隙划分成静态时隙、竞争时隙和预留时隙。

其中静态时隙分配给网内各用户,并只能由对应用户使用,采用静态TDMA的占用方式；竞争时隙各用户均可使用,并采用时隙ALOHA的占用方式[10]。

8.ALOHA技术总结与发展

由于ALOHA协议实现简单，并且在无线信道中引入了数据广播结构的概念，可以说给无线通信开创了一个全新的时代，有许多通信系统都在使用，但是由于碰撞而引起时延对于实时通信要求比较高的场合就不适用了。

在实际应用当中,分段ALOHA协议主要应用在手机网络通信中.而纯ALOHA协议因为其较高的频道冲突很少被使用.但是ALOHA的仍然是很多新的无线通信标准比如Wi-Fi的理论基础。

当然，随着通信系统的发展，ALOHA协议的改进版本也相继出台，其根本目的就是要通过适当的增加在系统中的控制结构，尽量减少数据重发概率，保证通信质量。

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。

在一些与其他多址技术相结合的过程中，ALOHA起到了很好的补充和完善作用[11]。

参考文献:

[1]张彩娟.  基于远端无人值守的VSAT数据通信网网络管理系统分析与设计[D].西安电子科技大学2010.

[2]胡萍,王长林.无线局域网（WLAN）的MAC协议探讨[J].www.sc-

[3]ToshimitsuK,YamazotoT,KatayamaM,eta.lAnovelspreadslottedALOHAsystemwithchannelloadsensingprotocol[J].IEEEJSelecAreasCommun,1995,12（4）:

665-672.

[4]凌翔,王剑,吴诗其.影响无线局域网系统吞吐率的因素分析[J].北京：

无线电通信技术2006,02.

[5]吴日春，周文.CSMA/CA在无线局域网中的应用研究[J].信息技术,2001.2.

[6]IEEEStd802.3ahIEEEStandardforLocalandmetropolitanareanetworksPart3:

CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection（CSMA/CD）AccessMethodandPhysicalLayerSpecifications.Amendment:

MediaAccessControlParameters,PhysicalLayers,andManagementParametersforSubsriberAccessNetworks,2004

[7]史卫东.局域网介质存取控制协议CSMA/CD分析与应用[J].电脑开发与应用,1995.2.

[8]Chan,D.S.;Berger,T.;Bridgelall,R.;EnergyefficiencyofCSMAprotocolsforwirelesspacketswitchednetworks.WirelessCommunicationsandNetworkingConference,2004.WCNC.2004IEEEVolume1, 21-25March2004Page（s）:

447-452Vol.

[9]AbramsonN.Fundamentsofpacketsmultipleaccessforsatellitenetworks[J].IEEETransCommun,1988,36（3）:

272-280.

[10]JeffreyQ,TongBL.PerformanceanalysisofslottedaloharandomaccessAd-Hocnetworkswithmultipacketreception[C].AtlanticCity:

MilitaryCommunicationsConference,1999:

251-255.

[11]唐力坚，孙志锋.有源RFID系统的防碰撞算法设计[J].江南大学学报（自然科学版），2008,7（6）,715一719.

摘要：

由夏威夷大学研究出来，为解决夏威夷群岛间通信问题的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。

随着通信系统的发展，ALOHA协议的改进版本也相继出现，在无线数据网络中有着广泛的应用。

文中就纯ALOHA和时隙ALOHA进行了分析，讨论了其系统性能。

重点介绍了在VSAT系统中的应用，还提及了由其发展而来的CSMA/CA技术。

Abstract：

ResearchbyUniversityofHawaii,tosolvetheproblemofcommunicationbetweentheHawaiianislandsALOHAmulti-accesscommunicationreferstotheALOHAchannelofcommunicationstructure,canmakethedispersedofmultipleusersthroughtheradiochannelstousecomputercenter,thusrealizealittlebittodatacommunication.Alongwith