一種基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可變時隙ALOHA協(xié)議分析*

李 源，石燕華，劉翠萍，邵俊松

（75841 部隊，云南 昆明 650034）

0 引言

多址通信技術(shù)就是網(wǎng)中多個用戶共同利用一個公共信道與其他用戶進行通信的方式，也稱多址聯(lián)接技術(shù)，在衛(wèi)星通信、移動通信以及計算機通信等現(xiàn)代通信網(wǎng)絡中得到了廣泛應用。根據(jù)信道資源的不同分配方式，多址技術(shù)通常又分為固定分配、按需分配和隨機多址方式等3 類。ALOHA 方式及其各種衍生協(xié)議是在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到廣泛應用的隨機多址接入方式。本文在研究分析ALOHA 和S-ALOHA 協(xié)議基礎上，提出一種可變時隙ALOHA協(xié)議，并對其性能進行分析研究，可提高基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分組業(yè)務傳輸性能（提高吞吐率即信道利用率）。

1 ALOHA 協(xié)議

ALOHA 協(xié)議又稱為P-ALOHA（Pure-ALOHA）協(xié)議，是一種分組通信方式。1970 年，美國夏威夷大學建成了世界上第一個通過衛(wèi)星通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)包廣播傳輸?shù)木W(wǎng)絡——ALOHA 網(wǎng)。ALOHA 網(wǎng)的重要意義在于它首次在無線（衛(wèi)星）信道中引入了數(shù)據(jù)包（又稱分組）廣播這一結(jié)構(gòu)，故人們又將這種廣播信道稱之為ALOHA 信道。它的主要特征是網(wǎng)中的每個用戶隨時都可以通過這一公共的廣播信道給另外一個用戶發(fā)送信息。

ALOHA 協(xié)議的基本原理是每個衛(wèi)星通信地球站都有一個發(fā)射控制單元，首先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成若干段，然后給每一個數(shù)據(jù)段的前面加上報頭（又稱分組頭）。報頭中包含有收發(fā)雙方地址信息和必要的控制比特，數(shù)據(jù)段后加上檢錯碼，形成一個數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)分組（packet)。數(shù)據(jù)包形成后，發(fā)射控制單元將其調(diào)制成載波后發(fā)射，同時存儲器中保留數(shù)據(jù)包的“副本”。由于發(fā)射是隨機的，因此全網(wǎng)無需定時和同步。所有工作在這個頻率上的衛(wèi)星地球站均可接收這個信息包，其中只有與報頭（分組頭）中地址碼一致的接收站才能檢測出相應的信號，檢驗沒有錯誤就發(fā)一個應答信號，否則不予應答。發(fā)射站如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到應答信號，便重發(fā)該分組，直到發(fā)送成功即收到應答信號為止。ALOHA 信道的主要優(yōu)點是全網(wǎng)完全不需要定時和同步，結(jié)構(gòu)簡單，且網(wǎng)中的所有發(fā)射機共享同一公共信道（頻率），發(fā)射方可完全根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需要間歇性工作，隨機發(fā)送，建網(wǎng)簡單且經(jīng)濟實用。

網(wǎng)中各站發(fā)射完全是隨機的，兩個以上站同時發(fā)射就會發(fā)生“碰撞”（數(shù)據(jù)包重疊），導致接收方無法正確接收。此外，隨機噪聲增大也會引起嚴重誤碼，從而導致發(fā)射失敗，需要重發(fā)。在網(wǎng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組數(shù)量不多時，ALOHA 系統(tǒng)可以很好地工作，其吞吐率（信道利用率）比TDMA 按申請分配方式高。

ALOHA 協(xié)議吞吐率（throughput）最早由Abramson推導得出[1]，即S=Ge-2G（G為負載，單位時間內(nèi)到達的分組包括新發(fā)和重傳的），有的文獻稱之為信道利用率ρ。下面對協(xié)議的空閑率進行求解。

為了簡化分析，不考慮重傳，對系統(tǒng)分析前進行如下假定：

（1）終端用戶數(shù)不受限制；

（2）各個分組到達相互獨立，重傳的對新到達的沒有影響，且服從參數(shù)為G的泊松分布過程；

（3）分組長度為1；

（4）信息分組的到達的時間間隔為負指數(shù)分布f(t)=Ge-Gt。

將信道事件劃分為B（碰撞）和UI（成功與空閑），如圖1 所示。

圖1 ALOHA 分組發(fā)送示意

按照劃分，可以得到一個完整段長度的均值為：

由圖1 劃分容易得到：

ALOHA 協(xié)議實現(xiàn)方式簡單，數(shù)據(jù)分組隨時發(fā)送，初次接入的時延較小，且數(shù)據(jù)分組長度隨機可變，特別適用于傳輸分組數(shù)量不大且具有大量需要間歇性工作的發(fā)射機網(wǎng)絡。通過分析，ALOHA 協(xié)議的系統(tǒng)吞吐率S=Ge-2G。當負載為0.5 時，系統(tǒng)的最大平均吞吐率只能達到0.184。隨著負載的進一步加大，發(fā)生碰撞的分組數(shù)量不斷增多，會導致系統(tǒng)吞吐率迅速下降，使得系統(tǒng)進入不穩(wěn)定工作區(qū)，因此需要進一步改進和提高。

2 S-ALOHA（Slotted-ALOHA）協(xié)議

S-ALOHA（Slotted-ALOHA）協(xié)議亦稱為時隙-ALOHA 協(xié)議。為了提高P-ALOHA 系統(tǒng)的吞吐率（信道利用率），1972 年人們提出了一種改進型協(xié)議，即S-ALOHA 協(xié)議[2]。它的根本思想是用設立系統(tǒng)公共時鐘來統(tǒng)一用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送基準時刻。它的基本特征是以衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器輸入口為參考點，將P-ALOHA 協(xié)議中連續(xù)的時間軸劃分為離散的等長時隙（Slot），且一個數(shù)據(jù)分組正好占用一個時隙寬度。所有站點在時間上同步，要發(fā)送數(shù)據(jù)分組的站點不能隨意發(fā)送信息，只允許在下一個時隙的起始時刻開始發(fā)送。一個時隙內(nèi)兩個以上分組同時發(fā)送就會發(fā)生“碰撞”，分組間一旦發(fā)生碰撞將是百分之百的完全重疊。碰撞發(fā)生后，發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)分組將延遲若干時隙后重傳，直到重發(fā)成功為止。這樣通過劃分時隙的方式，可避免用戶在發(fā)送數(shù)據(jù)時間上的隨意性，減少數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生碰撞的可能性，提高系統(tǒng)吞吐率（信道利用率）。

P-ALOHA 系統(tǒng)中信息分組的沖突在從t-T至t+T即2T的時間范圍內(nèi)都可能發(fā)生，這就造成系統(tǒng)吞吐率低，其最大吞吐率只有0.184。而S-ALOHA協(xié)議用系統(tǒng)公共時鐘強制所有的站點發(fā)射機以同步方式發(fā)送數(shù)據(jù)分組，分組長度是常數(shù)且只占一個時隙，不論數(shù)據(jù)分組何時產(chǎn)生，發(fā)射機只能在一個時隙開始的時刻發(fā)送數(shù)據(jù)分組。這樣只有在同一時隙同時發(fā)送兩個以上的信息分組時，沖突才可能發(fā)生。沖突的時間范圍縮短為一個時隙，而不像ALOHA系統(tǒng)沖突也發(fā)生在信息分組部分重疊的情況，以減少分組發(fā)生碰撞的概率，從而有效改善P-ALOHA協(xié)議的性能。

在發(fā)射端，每個數(shù)據(jù)分組形成后要在緩沖區(qū)內(nèi)等待一段時間（小于數(shù)據(jù)分組長度），等到下一個時隙的起始時刻再發(fā)送出去。當在一個時隙內(nèi)有兩個或者兩個以上的分組到達時，則將在下一個時隙產(chǎn)生碰撞。碰撞發(fā)生后需要重發(fā)分組，其重發(fā)策略與P-ALOHA 協(xié)議類似，具體如圖2 所示。

圖2 時隙ALOHA 分組發(fā)送示意

這樣時間軸上就有數(shù)據(jù)分組被成功發(fā)送、數(shù)據(jù)分組發(fā)生碰撞和時隙空閑（無數(shù)據(jù)分組發(fā)送）3 種情況。如果將數(shù)據(jù)分組發(fā)生碰撞和空閑看成為一種復合事件，這樣在時間軸上的事件只有兩種事件，即報文數(shù)據(jù)分組被成功發(fā)送的事件（U）和數(shù)據(jù)分組發(fā)生碰撞及時隙空閑的復合事件（BI），且這兩種事件在時間軸上是不斷循環(huán)發(fā)生的，循環(huán)周期為TU。NU為一個循環(huán)周期內(nèi)成功的分組個數(shù)。NBI為一個循環(huán)周期內(nèi)碰撞和空閑的次數(shù)。通過以上假定，有：

同理，有：

吞吐率為：

綜上所述，S-ALOHA 協(xié)議的系統(tǒng)吞吐率S=Ge-G。當負載為1 時，系統(tǒng)的最大平均吞吐率達到0.368，比P-ALOHA 協(xié)議提高一倍，信道利用率相應提高一倍。但是，對于S-ALOHA 系統(tǒng)，全網(wǎng)需要定時和同步，且數(shù)據(jù)分組長度必須是固定的，用戶數(shù)據(jù)的平均傳輸時間要高于P-ALOHA 系統(tǒng)，大大增加了實現(xiàn)的復雜性。此外，S-ALOHA 協(xié)議同樣存在著不穩(wěn)定性。

3 可變時隙ALOHA（VariabIe SIot-ALOHA）協(xié)議

針對P-ALOHA 協(xié)議和S-ALOHA 協(xié)議存在的不足，為提高衛(wèi)星分組通信系統(tǒng)的傳輸性能和可靠性，本文提出一種可變時隙ALOHA 協(xié)議，也可稱為VS-ALOHA 協(xié)議。當系統(tǒng)處于空閑時，時隙長度為a(a≤1)；當有分組到來時，時隙長度為1。這樣采用兩個不同的時隙（用兩個不同時鐘控制）對應不同的事件，將空閑時隙長度設為隨機可變，就可以減少空閑時間，提高系統(tǒng)吞吐率和信道利用率。

3.1 系統(tǒng)原理

假定初始時系統(tǒng)處于時隙長為a的空閑狀態(tài)，當有信息分組進行發(fā)送時，概率為1-e-aG，占用時隙長為1，并從該時隙開始處進入長為1 的時隙式ALOHA 系統(tǒng)[3]；隨后發(fā)生i(i=0,1,2…)個BU 事件，每個發(fā)生的概率為1-e-G；接著系統(tǒng)空閑，概率為e-G，并從該時隙開始進入時隙長為a的ALOHA 系統(tǒng)，占用一個時隙，長為a；后發(fā)生j(j=0,1,2…)個I事件；如此循環(huán)下去。圖3 給出了在一個循環(huán)期內(nèi)的系統(tǒng)劃分圖。

3.2 性能參數(shù)

在可變時隙ALOHA 多址接入?yún)f(xié)議控制下，利用平均周期法進行計算[4-5]，可得系統(tǒng)的空閑率為：

系統(tǒng)的吞吐率為：

可以看出，當a=1 時，有S=Ge-G，即為時隙ALOHA 的吞吐率。a越小，S越大。當a趨于0 時，S達到極大值，即：

3.3 性能分析

對S-ALOHA 協(xié)議模擬值和理論值進行比較，如圖4 所示，理論值與計算機模擬結(jié)果一致。當a=0.8 時，s約為0.4，當a取0.000 1 時，s約為0.54，這充分說明，基于減小空閑時隙長度原理的可變時隙ALOHA 系統(tǒng)是真實可行的，該系統(tǒng)與時隙ALOHA 系統(tǒng)相比，吞吐率有了明顯的提高。

圖4 a 取值為0.8 和0.000 1 時的VS-ALOHA 理論值和仿真值

（1）與P-ALOHA 和S-ALOHA 協(xié)議相比，不論在輕負載情況下還是重負載情況下，VS-ALOHA協(xié)議均可達到較高的吞吐率。這是由于P-ALOHA系統(tǒng)沒有采取任何避免沖突的策略，數(shù)據(jù)分組隨到隨發(fā)，因此發(fā)生碰撞的可能性大，而S-ALOHA 和VS-ALOHA 系統(tǒng)都利用設置時隙來避免沖突，且對VS-ALOHA 系統(tǒng)而言，當信道處于空閑期時，一旦有分組到達就立即發(fā)送（空閑期時隙長度a足夠小），節(jié)約了等待時間，縮短了信道空閑周期，提高了信道利用率，極大地改善了其性能。所以，由圖4 可以看出，VS-ALOHA 協(xié)議網(wǎng)絡吞吐率提高最明顯。

（2）與S-ALOHA 系統(tǒng)相比，當VS-ALOHA系統(tǒng)中信道處于空閑期時（空閑期時隙長度a足夠小），分組一到達就立即發(fā)送出去，縮短了終端用戶接入信道的時間，提高了系統(tǒng)站點間數(shù)據(jù)的傳輸速度和需要網(wǎng)絡數(shù)據(jù)支持的應用程序的處理速度，整體提高了系統(tǒng)的接入效率。對于實時性要求很高的業(yè)務如語音業(yè)務流、MPEG 視頻流等，為了易于支持QoS，該接入機制具有較大的優(yōu)勢。

（3）當吞吐率S超過Smax后，隨著網(wǎng)絡負載的加重，系統(tǒng)吞吐率S持續(xù)下降。這是3 類ALOHA 系統(tǒng)的共同缺點，即不穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

ALOHA 和S-ALOHA 協(xié)議在衛(wèi)星通信分組業(yè)務傳輸中一直發(fā)揮著積極有效的作用。本文在分析這兩種協(xié)議性能的基礎上，提出可變時隙ALOHA（VS-ALOHA）協(xié)議，通過理論分析與計算機仿真實驗，表明這種協(xié)議在一定程度上降低了系統(tǒng)的空閑率，提高了系統(tǒng)吞吐率（信道利用率）。科學合理選擇協(xié)議方式，可以有效提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。