随机接入技术

随机接入技术

摘要

多址接入技术在现代通信中起着重要的作用。在计算机通信、移动通信等网络中，当多个用户通过一个公共信道同其他用户进行通信时，就必须采用多址技术。

本文介绍了随机多址接入技术即Aloha技术。通过对纯Aloha 系统、时隙Aloha系统、CSMA和CSMA/CD吞吐量的计算分析了各种系统的性能并进行了对比。

关键词：Aloha技术、吞吐量

随机多址技术是一种通信协议，它允许两个或两个以上的用户同时使用同一个信道。随时都可以发射信号，而无需在频率和时间上进行分配，正是由于没有在时间和频率上进行区分，所以在同一信道中两个或多个信号可能发生“碰撞”，如果发生“冲突”，那么在这种情况下，发送端就会收到一个从接收端发来的一个应答信号，或者什么也不接收不到。于是发送端在经过一个随机时延后，重新发送这个数据包。由于这种技术最早应用于夏威夷大学的Aloha系统，人们后来把这种接入技术称之为Aloha多址技术。Aloha采用的是一种随机接入的信道访问方式。

Aloha有着重要的意义，它首先在无线信道中引入了数据包这一结构，这种结构与传统的点对点的信道有很大的区别。利用这种技术系统中的每个用户可以随时发送数据。

Aloha的主要优点有：（1）允许大量间断性工作的发射机共享同一信道，由于不需要路由选择与交换，组建有大量的这类用户组成的网络比较简单。（2）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路口，而不必为系统中的每个用户提供一个单独的接口。

一、纯Aloha 系统

所谓纯Aloha是指最原始的Aloha。Aloha的思想很简单，只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。

1、纯Aloha的工作原理和特点

工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间内若收到应答，表示发送成功，否则重发。

重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。

2、纯Aloha系统性能分析

T0：帧的发送时延

吞吐量S：在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。

网络负载G：在T0内总共发送的平均帧数（包括发送成功的帧和因冲

突未发送成功的帧）。

一个Aloha 系统的吞吐量为分组到达率与分组被成功接受的概率的

乘积，即

T e S λλ2-=

且归一化吞吐量为 G T Ge Te S 220--==λλ

其中T G λ=是每个分组持续时间的归一化负载，即每个间隔时间

T 的平均分组数。这个吞吐量可画成输入负载的函数。吞吐量峰值发

生在G=1/2时，每个分组收到184.0)2(10==-e S 个分组，即对于一个

Aloha 随机接入信道，最大吞吐量小于整个信道容量的19%。

二、时隙Aloha 系统

如果提供一种帧结构，那么Aloha 系统的性能可以得到改善。这

种帧结构包含固定时隙的时间，而且用户终端要求将其传输与时隙的

时间同步。这种带有帧的随机接入形式称为时隙Aloha 方式。

1、时隙Aloha 的工作原理

基本思想

把信道时间分成离散的时间槽，槽长为一个帧所需的发送时间。

每个站点只能在时槽开始时才允许发送。其他过程与纯Aloha 相同。

信道效率

冲突危险区是纯Aloha 的一半，所以G e P -=0，G Ge S -=；与纯Aloha

相比，降低了产生冲突的概率，信道利用率最高为34.8%。

重发策略

同纯Aloha ，等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则

再等待一段随机的时间，直到重发成功为止。

2、时隙Aloha 性能分析

T 0 ： 一个数据帧的发送时间。

吞吐量S ：在帧的发送时间T 0内成功发送的平均帧数。

网络负载G ：在T 0内总共发送的平均帧数（包括发送成功的帧和因冲

突未发送成功的帧）。

对于时隙Aloha ，仅当两个用户对终端在相同Ｔ的第二个时隙内

发送时，才会发生冲突。用类似于纯Aloha 的方法进行推导，可得时

隙Aloha 的归一化吞吐量为

G Ge S -=0

时隙Aloha 的吞吐量368.0/1max ==e S 个分组每时隙。时隙Aloha

的吞吐量大约为非时隙Aloha 的吞吐量的两倍。

时隙Aloha 与纯Aloha 的吞吐量曲线（G-S 图）

三、随机接入：CSMA和CSMA/CD

1、CSMA

CSMA(Carrier Sense Multiple Access)载波监听多点接入是从Aloha演变出的一种改进协议，又称为载波侦听多点访问。

CSMA工作原理

是对Aloha的一种改进，增加了硬件装置，使得每个站在发送数据之前，监听信道上其它各站是否在发送数据，如果无，则发送，如果有，则暂不发送，等待一段时间后重试，从而减少冲突的可能性。载波监听（Carrier Sense）

站点在为发送帧而访问传输信道之前，首先监听信道有无载波，若有载波，说明已有用户在使用信道，则不发送帧以避免冲突。CSMA 按监听到信道忙之后的策略可分为

非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。

坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲。

1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据（以概率1发送）。

p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据，即以概率1-p延迟一段时间后再发送。

以上策略都可以分为有时隙的和非时隙的。

Aloha、时隙非坚持CSMA的定量分析：

设帧为定长，一帧的发送时间为T0

T为信道端到端的传播时延