关于随机多址技术的研讨.doc
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关于随机多址技术的研讨
摘要：
本文主要是关于随机多址技术的研讨，系统的介绍了随机多址技术的发展状况和分类，包括ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA等系统的介绍及其应用，最后我们还进一步讨论了随机多址和固定多址的结合即混合随机多址系统，并且举例了一种SlottedALOHA随机争用方式为基础的多业务优先级系统。
关键词：
随机多址；吞吐量；延时性能；优先级
Aboutstochasticmulti-sitestechnologydeliberating
Abstract:
Thisarticlemainlywasaboutstochasticmulti-sitestechnologydeliberating,thesystemintroductionstochasticmulti-sitestechnologydevelopmentconditionandtheclassification,includingALOHA,CSMA,CSMA/CD,CSMA/CAandsoonintroductionanditstheapplication,finallywealsofurtherdiscussedthestochasticmulti-sitesandthefixedmulti-sitesunionarethemixstochasticmulti-sitessystem.AndgaveanexampleonekindofSlottedALOHAstochasticstruggletousethewayforthefoundationmulti-servicesprioritysystem.
Keywords:
Stochasticmulti-sites；Volumeofgoodshandled；Timedelayperformance；Priority
1引言
多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质实现各用户之间通信的技术，一个现实中的多址系统所进行信号的传输即实现通信有现实的利用价值，其信号的出现一般是随机的，解决这种随机过程中遇到的问题是我们主要解决的，在上世纪70年代，NormanAbrmson就提出了一种有效的随机争用多址通信方式，这就是著名的ALOHA系统，这以后Roberts又提出了一种使其系统通信量增加一倍的方法SlottedALOHA系统。
即时隙式ALOHA系统，从此，关于改进ALOHA系统的研究开始迅速发展起来，而卫星通信技术，无线分组网络和计算机网络的飞速发展也促使了随机多址系统传输理论的迅速发展，现在这些理论知识已经广泛的运用到了这些系统当中。
2ALOHA系统的介绍
2.1纯ALOHA（Pure-ALOHA）
纯ALOHA信道全网不进行定时和网同步工作，不设置时隙，所以又叫做异步ALOHA。
作为完全随机的多址方式，当无线端站的数量不大时很好地工作。
它的信道利用率比直接进行按需分配的方式更好，同时具有一定的抗干扰能力。
但当端站的数量很多时，传输业务繁忙导致发生碰撞的概率大大增加，这样降低了信道的传输效率，并且由于反复碰撞反复重发使系统稳定性恶性循环直到系统崩溃。
2.2时隙ALOHA（Slotted-ALOHA）
一种改进型ALOHA协议可以为提高纯ALOHA的信道效率:
时隙ALOHA。
时隙ALOHA具有严格的起始和结束时间，两个数据包只有在完全相同的时隙内发送才会发生碰撞，所以发生碰撞的数据包概率大大降低，信道效率得到提高。
根据这一协议:
它将规定信道按等长时隙进行划分，每个时隙正好恰好与传输一个数据包所需的时间相等。
为避免数据包因时间域上的部分重叠发生碰撞，数据包到达后必须等到下一时隙才开始传送，所有端站都只允许在时隙的开始时刻发送信息包。
数据包间一旦发生碰撞将是百分之百的重叠，发生碰撞后，仍经随机延时后分别重发。
2.3预约ALOHA（Reservation-ALOHA）
预约ALOHA协议把信道时间分成帧，每个帧分成A+1个时隙，前A个时隙用来发送数据包，与前面的A个时隙不同，第A+1时隙被再进一步细分成B个子时隙，专门供网中的端站发送预约信号。
一旦预约成功，端站便可利用前A个时隙中的某个空闲时隙发送信息.当某端站需要发送数据时，则向中心站的按需分配处理器发送一个申请，并说明需要发送的数据量。
按需分配处理器通过入站载波把定量的时隙分配给发出申请的端站。
当同时有多个端站向中心站发出申请时，则进行排队等候。
由于在前A个时隙内不会发生“碰撞”，最大信道利用率可达83.3%。
这种方式为数据量变化较大，需要更有效地利用无线信道资源的用户可采用。
2.4选择拒绝ALOHA（SelectReject-ALOHA）
选择拒绝ALOHA实际上是有选择的进行重发数据子包的协议。
本协议具有不需要定时同步的重要特点，并能适合数据包长度可变的端站传输要求。
它可以克服由于大量碰撞导致信道利用率降低的缺点。
在非同步系统中选择拒绝ALOHA的容量最高，是一种较好的非时隙随机多址方式。
对纯ALOHA方式中的发生碰撞数据包的观察中发现:
大量碰撞都发生在局部。
所以可以将该数据包中未被碰撞的部分接收下来恢复，而只将实际发生碰撞的部分重发，从而研发出了选择拒绝ALOHA方式。
本协议规定对数据包仍以ALOHA方式发射，但对每个数据包再分为若干个数据子包，每个数据子包又拥有各自独立的报头（Header）和前置码（AcquisitionPreamble），这样在接收端对每个数据子包可以独立地进行检测。
各个端站以异步随机方式发送信息，数据子包被发送到中心站的同时会启动一个定时器。
如果发生数据包碰撞，其中未遭碰撞的数据子包被对方站正确接收，只重新发射遭到碰撞的数据子包。
最基本的ALOHA多址协议即为以上四种:
纯ALOHA、时隙ALOHA、预约ALOHA和选择拒绝ALOHA.多址接入是无线通信的关键技术之一ALOHA随机多址是一种较适合突发型数据流业务的方式。
对于不同的拓扑网络和不同信息业务，应充分考虑需要传输的业务性质和所建网络的目的后，采用相应的多址方式才能使所建立的系统符合使用的要求，并具有最佳性能。
下面我们讨论一下ALOHA系统的其他改进系统。
3载波侦听多路复用（CSMA）
CSMA是ALOHA系统的一种改进协议，载波侦听多路复用。
采用分布式控制方法，附接总线的各个结点通过竞争的方式，获得总线的使用权。
只有获得使用权的结点才可以向总线发送信息帧，该信息帧将被附接在总线的所有结点感知。
包括以下三个要点：
载波侦听——发送结点在发送信息帧之前，必须侦听媒体是否处于空闲状态；多路访问——具有两种含义，既表示多个结点可以同时访问媒体，也表示一个结点发送的信息帧可以被多个结点所接收；冲突检测——发送结点在发出信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生冲突（同一时刻，有无其他结点也在发送信息帧）载波侦听多路复用CSMA（CarrierSenseMultipleAccess）协议进一步实现了减少碰撞分组过多占用系统资源的控制思想，通过增加检测电路，使发送站点在发送分组之前能够监听信道的工作状态，避免盲目发送分组信号，进一步减少碰撞发生，提高系统吞吐量。
当一个分组到达某站点准备发送时，该站即开始侦听信道.根据监听策略的不同，可得到三种不同的协议：
（1）0坚持CSMA:
若监听到信道忙（即发现有其他站在发送数据），则放弃
发送，并根据退避协议算法延迟一个随机的时间后再重新监听信道.若监
听到信道空闲，则将要发送的数据帧发送出去;
（2）1坚持CSMA:
若监听信道忙，则坚持监听下去，直到信道空闲，然后抢
占信道将数据帧发送出去;若监听时信道空闲，则将数据帧发送出去;
（3）p坚持CSMA:
若监听到信道忙，则坚持监听下去直到信道空闲，以P的
概率发送帧，而以（1一P）的概率延时一定时间后重新监听。
0坚持协议的缺点在于即使几个站有信息分组要发送，信道仍可能处于空闲
状态，信道利用率较低。
为了避免这种信道利用率的损失，可采用1坚持协议，
当站点有信息分组要发送时，只要信道空闲，就立即发送。
但这种协议的缺点是
有两个或两个以上的站点有分组要发送时，冲突则不可避免.P坚持协议是一种
折中的协议，它试图降低像1坚持协议的冲突概率，又希望减少像非坚持协议中
信道资源的浪费情况，但问题在于如何有效地选择P值.CSMA由于发送分组前进行载波监听，所以减少了碰撞发生的概率。
4载波侦听多路复用/冲突检测（CSMA/CD）
CSMA由于发送分组前进行载波监听，所以减少了碰撞发生的概率。
但由于传播时延r的存在，冲突还是不可避免。
只要冲突发生，信道就被浪费一段时间T+r.为了进一步减少碰撞分组占用的系统资源，CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）增加了边发送边监听的功能。
CSMA/CD和CSMA一样也可以分为3种---0坚持，1坚持，P坚持。
其控制方案如下：
各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。
每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。
这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。
每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。
CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统（如Ethernet）被广泛使用。
发送控制过程：
a）节点1要发送数据，先帧听信道是否有信号传输;
b）媒体正有信号传输，继续监听;
c）媒体无信号传输，发送数据，继续监听；
d）发出与监听信息不一致，则认为发生冲突，立即终止发送信息，并向其他媒体发出冲突强化信号，使其他节点也感知；
e）等待时间，准备重发；
f）重发，继续监听;
g）信息一致，数据正确，则没有发生冲突，完成。
节点
节点1
节点
信道
节点
节点2
节点
图1通信信道图
CSMA/CD方式的数据接收过程相对简单：
网上每个结点的MAC实体都监听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到MAC帧；实体分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址为本结点地址，复制接收该帧；否则，简单丢弃该帧。
由于CSMA/CD控制方式的数据发送具有广播的特点，对于具有组地址或者广播地址的数据帧，同时具有多个结点复制和接收该帧。
5载波侦听多路复用/避免冲撞协议（CSMA/CA）
CSMA/CD有效解决了有线网络中的媒体接入控制问题。
随着无线通信技术的
迅速发展，由于无线网络具有隐藏终端和暴露终端等问题，且无线信道传输条件
特殊，造成信号强度的动态范围非常大，发送站点无法使用冲突检测的方法来确
定是否发生了冲突，所以无线局域网不能使用CSMA/CD，而使用CSMA。
为了提
高CSMA的效率，IEEE8802.11协议使用了CSMA/CA（carrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）技术.CSMA/CA技术采用两次握手机制或四次握手RTS/CTS机制在发送数据帧之前对信道进行预约，减少了发生冲突浪费的时间，提高了网络效率。
IEEE8802.11协议为无线局域网的通信协议，所以一般无线通信协议采用CSMA/CA。
CSMA/CA属于坚持CSMA,它通过使用载波监听机制来确定信道的忙闲情况，由于每个用户终端不知道自己的分组与其他的分组是否发生了碰撞，为了减少碰撞的概率，它在检测到变闲后，不马上传输，而是先随机退避一段时间，然后再检测再传。
5.1CSMA/CA进行性能分析
5.1.1吞吐特性
信道的空闲用I表示，忙用B表示，U表示成功传输的时间。
所以系统的吞吐率S可以表示为S=
设DIFS的时延长度为l个时隙，则DIFS为f=l*;忙期又可以分为几个子忙期，第i个子忙期可以用B（i）表示，B（i）包括传输时延D（i）和传输时间T（i）.
B（i）=D（i）+T（i）,传输时延是个随机变量；而T（i）=I+.所以B与U可以表示为B=；U=，，分别表示第j个子忙和有效期。
J服从几何分布，
J的期望为：
=j=1,2,3…
当上个闲期的最后一个时隙有分组产生时，B
（1）出现；在T
（1）内有分组产生时才会出现B
（2），由于B（j）长度的分布和B
（2）相同且相互独立，因此
=E[B
（1）]+（-1）E[B
（2）]
同理对于有效期有：
=E[U
（1）]+（-1）E[U
（2）]
而时隙数服从几何分布，所以其均值=
因为E[B
（1）]=E[D
（1）]+1+
E[B
（2）]=f+E[D
（2）]+1+
容易得到：
E[D
（1）]=f[1-（1-g）]
定义L表示在T结束时。
准备传输的分组个数。
则有
可以得到
E[U（i）/D（j）≥k,L=n=k>0
利用条件期望性质可得：
代入上式可以得到系统的吞吐特性。
5.1.2时延特性
把分组的传输时延定义为任意一分组从开始传输到被成功接受所需要的平均时间，它包括3个部分：
分组的传输时间T，随机的退避时间Y和开始载波检测到开始介入的延时时间R。
很容易得到下面关系：
E=（G/S-1）。
我们定义R为分组从开始检测信道到接入的延时。
有3中情况：
a）分组在闲期I到达。
这种情况的、发生的概率为，它的平均延时为DIFS长度。
b）分组在随机延时D到达。
这种情况发生的概率为，平均延时也为DIFS长度。
c）分组在其他分组传输期间到达。
这种情况发生的概率为，它的平均延时应该包括等待空闲时间、DIFS和随机退避时间之和。
所以有
因此系统的传输延迟为：
（）
5.1.3数值结果
下图是CSMA/CA系统的性能分析，CSMA/CA可以很好的协调分组的传输使得吞吐率继续增加，在10左右达到系统的稳定临界状态。
载波监听和碰撞避免算法的应用可以大大减小随机接入系统分组碰撞的概率，提高系统的性能。
为了突出CSMA/CA系统的性能，我们特意选入了几种其他的的性能曲线图加以对比分析。
对M值的其他情况我们也画出了其性能曲线。
根据这些性能曲线我们可以更加深刻的了解，CSMA/CA与其他随机技术的区别和优势的地方。
我们从吞吐量和时延2个方面表示。
S
0.01
0.1
1
10
0.2
0.4
0.6
0.8
M=20
M=10
M=40
CSMA
图2CSMA/CA吞吐量特性曲线
r
S
140
120
100
80
60
40
20
0.01
0.1
1
10
图3CSMA/CA延时特性曲线
r
6固定多址与随机多址的结合
最基本的多址技术是固定分配多址技术.固定分配多址技术是指在用户接入网络时，为其专门分配一定的信道资源（如频率、时隙、码字或空间），该用户无竞争地使用该资源，直至通信结束.典型的基本型固定分配多址技术方案有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）等。
在FDMA方式中，将给定的频率划分为若干个规定带宽的通道。
每个站点在通信时占用其中的一个通道。
在TDMA中，将规定带宽的信道在时间轴上划分为若干个时隙，若干个时隙组成一帧，每个站点占用一帧中的一个时隙或多个时隙，同样，我们可以把每个时隙看成一个通道。
CDMA中的物理信道在时间和频谱上是重叠的.它是利用码字的正交性来区分不同的物理信道。
利用码字来区分不同的通道，这种通道我们也可以称为逻辑通道。
在SDMA中，它是利用阵列天线形成窄波束（每个波束仅照射有限的区域）来实现空间上的分割，不同用户占据不同的空间，而这些用户可以使用相同的频率、时隙和码字。
同样，我们可以把这种空间的划分看成是多通道的组成。
固定分配多址技术，它的优点是适合于恒定比特流的业务传输，但是当它们用于突发性数据业务时，通常会引入较大的时延。
并且，如果固定分配通道而不能动态占用的话。
其系统的容量也是有限的，在以往的研究中。
主要是以固定分配多址技术研究为主，或采用单通道随机多址与固定分配多址技术相结合的方式，用户先以随机多址的方式抢占固定通道中的某一个业务通道，再以信道共享的方式通信，这种方式在某种程度上限制了其多业务传输的能力以及突发性要求。
为了适应突发性通信及多业务传输的要求，本文提出了多业务优先级控制多通道随机多址系统模型，在这种系统中，站点直接随机抢占多通道系统.再以共享信道方式传输数据，这样使系统适应突发事件的能力有所提高，且为多通道随机多址系统设置了优先级，能满足多业务传输的需要。
6.1模型的建立
我们提出随机组合多业务优先级随机多址系统模型。
优先级1
优先级2
优先级3
优先级K
图4随机组合多业务优先模型级随机多址系统模型
假定有K个通道和K个优先级。
其中优先级1每次发送1个信息为随机发送多业务优先级模型分组，优先级2每次发送2个信息分组，以此类推，优先级K每次发送K个信息分组。
每个优先级发送的分组并且随机地占用这K个通道.具体模型如图4所示。
对于这K个优先级而言，同样采用无穷用户模型，令每个优先级站点的到达是强度分别为λ1,λ2,⋯λK的泊松流。
这样，信息分组的到达为复合泊松过程，这K个通道是相互独立的。
我们先以这K个通道中的其中一个独立通道作为分析对象,可以证明,如果终端每次发送M个分组时隙,终端到达为强度λ的泊松流,且以随机组合并行发送,那么对这K个通道中的某一独立通道而言,其到达的报文分组仍为泊松流,且强度为.那么对于其中的一个通道而言,优先级1的分组的到达率为
Q1=,优先级2的分组到达率为Q2=,以此类推,优先级K的分组到达率为:
QK==对于其中一条通道而言,优先级1的吞吐量为
Q1e-（Q1+Q2+⋯+QK）=Q
它对应系统K个通道的吞吐量为S′V1=同理,优先级2对应系统K个通道的吞吐量为S′V2=2,优先级K对应系统K个通道的吞吐量为
S′VK=K
而系统总的吞吐量为各优先级吞吐量之和
S′V=（）
以上求出的是K个通道,K个优先级的特殊情况,对于一般情况,如在K个通道中有R个优先级,优先级1每次发送1个报文分组,优先级2每次发送2个报文分组,优先级R每次发送R个报文分组.当为并行组合发送时,如果其系统到达终端的总
强度为λ,各优先级终端到达的概率分别为q1,q2,...qR,那么其对应K个通道中的某一独立通道而言,其到达的分组时隙数仍为泊松流,且平均强度为:
G′.系统的总吞吐量为：
S′=（）.e-（）
优先级1的吞吐量为S′1=jqe-（）
优先级（j=1,2,3…）的吞吐量为:
S′j=jqe-（）
6.2结果与仿真分析
令K=5，有5个优先级.其中=====通过仿真与理论分析，可以得到各优先级的吞吐量有如表1所示的数据。
随机组合各优先级吞吐量随强度变化曲线如下图4所示。
我们主要谈的随机多址和固定多址技术的结合，在这里我们提出的是一种基于SlottedALOHA随机争用方式为基础的多业务优先级系统。
表1理论值与仿真值
优先级1
优先级2
优先级3
优先级4
优先级5
仿真1
理论1
仿真2
理论2
仿真3
理论3
仿真4
理论4
仿真5
理论6
0.1
0.0697
0.0741
0.1565
0.1482
0.2147
0.2222
0.2783
0.2963
03627
0.3704
0.2
0.1143
0.1098
0.2090
0.2195
0.3358
0.3293
0.4445
0.4391
0.5495
0.5488
0.3
0.1248
0.1219
0.2485
0.2439
0.3620
0.3659
0.4925
0.4879
0.6115
0.6099
0.4
0.1282
0.1205
0.2587
0.2409
0.3680
0.3614
0.4730
0.4819
0.5938
0.6023
0.5
0.1111
0.1116
0.2293
0.2231
0.3248
0.3347
0.4735
0.4463
0.5580
0.5578
0.6
0.0998
0.099
0.2015
0.1984
0.2968
0.2975
0.4013
0.3967
0.4985
0.4959
0.7
0.0877
0.0857
0.1630
0.1714
0.2597
0.2572
0.3360
0.3429
0.4410
0.4286
0.8
0.0715
0.0726
0.1435
0.1451
0.2122
0.2177
0.2968
0.2903
0.3610
0.3629
0.9
0.0537
0.0605
0.1223
0.1209
0.1943
0.1815
0.2333
0.2419
0.2928
0.3024
1.0
0.0493
0.0498
0.1053
0.0996
0.1417
0.1494
0.1815
0.1992
0.2498
0.2489
吞吐量如下：
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0
图5随机组合各优先级吞吐量变化曲线
7结束语
随机多址技术是近年来的一个热门的课题，本文首先对近些年来随机多址技术的历史和发展进行了回顾，首先是ALOHA系统的介绍，然后介绍了一种其改进性协议CSMA,并对这种协议所用到2种新的改进系统做了详细的介绍，分别是用于有线局域网的CSMA/CD和用于无线通信的CSMA/CA。
最后介绍了固定多址系统和随机多址系统的结合，并提出了一种以SlottedALOHA随机争用方式为基础的多业务优先级系统。
并得出了其吞吐量公式和延时性能。
多通道通信主要是采用固定分配多址接入技术，或者是固定分配多址接入技术与单通道随机多址技术相结合的混合系统。
本文对随机多址系统做了一个简单的回顾和研究，突出了混合多址技术在实际运用中的优势，今后我所研究的方向是混合多址技术在实际中的运用，其前景是很好的。
参考文献：
[1]AbramsonN.MultipleAccessCommunications—FoundationsforEmergingTechnologies[M].NewYork
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