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

Se2T 且归一化吞吐量为 S0Te2TGe2G

其中GT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S0(2e)10.184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

SGeG； 冲突危险区是纯Aloha的一半，所以P0eG，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 T0 ： 一个数据帧的发送时间。

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）。

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

S0GeG

时隙Aloha的吞吐量Smax1/e0.368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

a=T/ T0 称为归一化的传播时延 吞吐量为S G为网络负载 则有：

SGe2(1a)G 纯Aloha SGe(1a)G 时隙Aloha SaGeaG/(1eaGa) 时隙非坚持CSNA 2、CSMA/CD

CSMA是在发送数据之前进行载波监听，减少了冲突的机会，但是由于传播时延的存在，冲突仍然是不可避免的。因为当一帧检测到信道为空的时候，开始发送数据，但如果信号还未传播到别的站时，别的站未检测到载波，以为信道空闲，也开始发送数据，就会造成冲突。

当两个帧发生冲突时，两个被损坏帧继续传送毫无意义，而且信道无法被其他站点使用，对于有限的信道来讲，这是很大的浪费。

如果站点边发送边监听，并在监听到冲突之后立即停止发送，可以提高信道的利用率，因此产生了CSMA/CD 。 工作原理

站点使用CSMA协议进行数据发送；在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，使所有的站点都知道发生了冲突，此方法称为强化冲突，即不但要检测出冲突，而且要发送人

为干扰信号；在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。由于边发送边监听（冲突检测），若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高信道的利用率。 冲突检测方法

可以通过增加一些硬件来简单进行，如: 1、比较接收到的信号电压的大小。 2、检测曼彻斯特编码的过零点。

3、发送的同时也接收，就可以比较接收到的信号与刚发出的信 号。

CSMA/CD也分为非坚持、1-坚持，各有优缺点：

0-非坚持：有数据要发时就监听，若信道忙则过一个时间再听，一旦监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送，易使系统进入空闲。

1-坚持：有数据要发时就一直监听，一旦监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送。 CSMA/CD概念模型

使用CSMA/CD时，信道有三种状态：

传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用。

竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，CSMA/CD将竞争周期划分为一个个小的争用时间片。

空闲周期：所有站点都不使用信道。 争用时间片长度的确定

CSMA/CD通常将争用时间片的长度设为最大冲突检测时间，即等于端到端传播时延的两倍。

需要指出的是，CSMA/CD要求最短帧的发送时间不得少于一个争用时间片，即不得少于2T，因为，当帧长少于2T时，若从一端的站向另一端的站发送帧的时候，很可能冲突信号还未返回到发送站信号就已经发送完了，发送方就无法确定自己刚发出去的帧是否成功。

四、总结

三种方式的比较

当a＝0.01时几种CSMA/CD,CSMA,以及Aloha的S-G曲线

从上图可知，相同时延时，CSMA/CD性能最好，也最稳定。但当系统负荷增大时，各种方式的性能都会急剧下降。