随机接入技术：ALOHA

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1、5.3.1附录B随机接入技术：ALOHA在20世纪70年代初期夏威夷大学首次试验成功随机接入。这是为了使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机。由于无线电信道是一个公用信道，一个站发送的信息可以同时被多个站收到，而每个站又是随机发送的，因此这种系统是一个随机接入系统。夏威夷大学早期研制的系统称为ALOHA，是AdditiveLinkOn-lineHAwaiisystem的缩写，而ALOHA恰好又是夏威夷方言的“你好”。下面先介绍纯ALOHA。B.1纯ALOHA1.工作原理纯ALOHA就是最原始的ALOHA。它可以工作在无线信道，也可以工作在总线式网络中。为讨论其工作原理，我们

2、采用如图B-1所示的模型。这个模型不仅可代表总线式网络，而且可以代表无线信道的情况。图B-1ALOHA系统的一般模型图B-2表示一个ALOHA系统的工作原理。每一个站均自由地发送数据帧。为分析简单起见，今后帧的长度不是用比特而是用发送这个帧所需的时间来表示，在图B-2中用T0代表这段时间。我们还设所有的站发送的帧都是定长的。图B-2纯ALOHA系统的工作原理当站1发送帧1时，其他的站都未发送数据，所以站1的发送必定成功。这里不考虑由信道不良而产生的误码。但随后站2和站N-1发送的帧2和帧3在时间上重叠了一些。这就是以前提到过的“碰撞”。碰撞的结果是使碰撞的双方(有时也可能是多方)

3、所发送的数据都出现差错，因而都必须进行重传。但是发生碰撞的各站不能马上进行重传，因为这样做就必然会继续产生碰撞。ALOHA系统采用的重传策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重传。如再发生碰撞，则需再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。图中其余的一些帧的发送情况是帧4发送成功，而帧5和帧6发生碰撞。2.性能分析5.3-7下面我们来分析纯ALOHA的一些主要性能，这就是吞吐量和平均时延的计算。为便于分析，我们在图B-2中用最下面的一个坐标将所有各站的发送情况都画在一起，用一个垂直向下的箭头表示某个帧的开始发送(可以和上面各站的发送情况对照来看)。从图中可看出，一个帧如欲发送成

4、功，必须在该帧发送时刻之前和之后各一段时间T0内(一共有2T0的时间间隔)，没有其他帧的发送。否则就必产生碰撞而导致发送失败。例如，帧3发送时刻之前T0的时间内，出现帧2的发送，因此帧3和帧2的发送都要失败。而帧4的发送时刻之前和之后的时间T0内，没有其他帧的发送，因此帧4的发送必定成功。我们可以把每发送一个帧看成是有一个帧到达ALOHA网络。这样，一个帧发送成功的条件，就是该帧与该帧前后的两个帧的到达时间间隔均大于T0。我们设帧的到达服从泊松分布。但这并不完全符合实际情况。这是因为，虽然大量的站同时随机地发送数据帧时，在每个站的通信量都很小的条件下，整个系统的帧到达可看成是泊松

5、过程，但在出现重传过程时，这样的到达过程就不再是泊松过程，而是一个与重传策略有关的较为复杂的过程。然而如果重传时的随机时延足够长，那么认为帧的到达(包括重传帧)是泊松过程仍是合理的。在这样的假定下，就可以使ALOHA系统的分析大为简化。在有关ALOHA系统的文献中，一般都使用这样两个归一化的参数。它们是：(1)吞吐量S这又称为吞吐率，它等于在帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数。显然，0£S£1，而S=1是极限情况。在S=1时，帧一个接一个地发送出去，帧与帧之间没有空隙。这种情况虽然使信道的利用最为充分，但在众多用户随机发送帧的情况下是不可能实现的。但是，可以用S接近于1的程度来

6、衡量信道的利用率是否充分。当网络系统达到稳定状态时，在时间T0内到达网络的平均帧数(即输入负载)应等于吞吐量S。(2)网络负载(offeredload)G从网络的角度看，G等于在T0内总共发送的平均帧数。这里包括发送成功的帧和因碰撞未发送成功而重传的帧。显然，G³S，而只有在不发生碰撞时，G才等于S。还应注意到，G可以远大于1。例如，G=10，表示在T0时间内网络共发送了10个帧，这当然会导致很多的碰撞。在稳定状态下，吞吐量S与网络负载G的关系为：S=G×P[发送成功](B-1)这里P[发送成功]是一个帧发送成功的概率，它实际上就是发送成功的帧在所发送的帧的总数中所占的比例。从图

7、B-2可看出，若帧4要发送成功，帧3和帧4的时间间隔应大于T0，同时帧4和帧5的时间间隔也要大于T0。因此，若帧4要发送成功，必须在帧4到达的前后各一个T0的时间内没有其他帧的到达。因为假定了帧的到达是泊松过程，因此在2T0的时间内有k个到达的概率是：P[在2T0的时间内有k个到达]＝(B-2)在上式中，2G是在2T0的时间内的平均到达帧数。于是S=G×P[发送成功]=G×P[在2T0的时间内有0个到达]=(B-3)5.3-7这就是Abramson于1970年首次推导出的ALOH