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随机多址问题的研究摘要：多址技术主要解决众多用户如何高效共享频谱资源的问题，多址技术可分为三类：固定分配多址、按需分配多址和随机多址。当网络由大量用户组成，而这些用户又只是间歇性地工作时，采用随机多址。本文重点研究随机多址技术的工作原理和性能 ,以准确科学的技术指标为用用户合理选择工作模式提供依据。关键词：ALOHA；载波侦听/冲突检测；随机多址；码分多址 Research of the problem of Random Multiple Access Abstract: Random Multiple Access technology mainly solve the problem that how numerous users share spectral resources high-efficiently, the technology of Multiple Access can be divided into three kinds: Fixed Assignment Multiple Access , Demand Assignment Multiple Access and Random Multiple Access . When the network is made up of a large number of users, and these users are only that the intermission work, adopt Random Multiple Access . This text key research operation principle and performance of the technology of Random Multiple Access .It offers the basis rationally work pattern to users with regard technical indicator of accurate science.Key words: ALOHA;CSMA/CD;Random Multiple Access;CDMA1引言多址通信技术在现代通信中起着重要作用。在卫星通信、计算机通信、移动通信等通信网络中，当多个用户通过一个公共信道与其他用户进行通信时，就必须采用某种多址技术。所谓多址技术是指允许两台或两台以上的发射机通过一个公共信道发送信号的技术。按照信道资源的共享方式，多址技术通常又可分为三类：固定分配多址(FAMA)、按需分配多址(DAMA)和随机多址。FAMA又分为频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。FDMA只适用于用户数比较少，通信业务量又比较稳定的网络。DAMA根据用户的需要为其分配一定的信道容量，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况，但实现DAMA需要一个专用信道，供所有用户以固定分配或随机接入方式提出呼叫申请。当网络由大量用户组成，而这些用户又只是间歇性地工作时，采用FDMA或DAMA效率便很低，故需要采用随机多址技术。目前已得到广泛应用的随机多址技术有三类：ALOHA多址、CSMA 和CSMA/CD多址、 扩频码分多址(CDMA)。2ALOHA多址技术2.1ALOHA网的历史回顾在60年代末期，随着数据业务的迅速增长，现有的电话网络已不能满足计算机联网的需要。其基本原因在于，传统的电话网是多年前为连续话音通信设计的。交互式时分共享的计算机系统中所传输的数据和电话网中所传输话音信号的主要区别是：(1)用户终端与计算机之间的数据传输具有突发性，两次突发之间有相当长的时间没有数据传送；(2)计算机网络中的数据通信具有非对称性，从中央计算机传送到用户终端的平均数据量远大于从终端发往中央计算机的平均数据量；(3)计算机数据通信所要求的可靠性远高于话音通信。为了研究用于无线通信来取代传统的电话网络，以实现计算机通信的可行性，并决定在何种场合采用无线通信而不是传统的有线通信更为适宜，夏威夷大学于1968年9月开始研制ALOHA系统一种实验性的计算机网络。该系统于1971年6月建成，随后又通过租用的卫星话音信道与ARPANET相连接。在此基础上，又于1973年建成了世界上第一个通过卫星(ATS1)实现数据包广播的网络。ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络，而在于它首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构，这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为ALOHA信道。通过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要优点是：(1)允许大量间歇性工作的发射机共享同一信道，不需要路由选择与交换，建网简单。(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接口，而不必为网中的每个用户提供一个单独的接口。2.2ALOHA多址协议 ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信。自1970年以来，已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议，其中最基本的有三种：纯ALOHA，分隙ALOHA和预约ALOHA。2.2.1 纯ALOHA(非分隙ALOHA)在一个含多台发射机的地面ALOHA网中，每台发射机随时都可以通过同一条高速信道向主台发送信息包，信息包采用检错编码。当有两台以上发射机同时发送时，便会发生信息包“碰撞”或重迭，而导致信息包的丢失或错误。为了恢复丢失或错误的信息包，主台利用一条专用的反馈信道向各终端发送确认信号，主台对收到的信包进行译码，若发现无错，则发回一个表示正确的应答信号ACK。如果终端发完信息后在一个限定的时间内仍收不到ACK，便重发信包，直至收到ACK为止。纯ALOHA最显著的优点是实现简单，可采用变长信息包，特别适用于具有大量间歇性工作的发射机的网络。其缺点有两个，一是最大吞吐率低，只有0.184，主要由“碰撞”及重发时的随机延时所引起；二是当有许多发射机同时处于工作状态时会导致系统的不稳定，该缺点可通过设计适当的重传方式，或者将系统转入非随机接入状态加以解决，但协议会失去其简单性。应特别强调的是，0.184的吞吐率仅在一定的限定条件下成立，将不意味着效率总是那么低。2.2.2 时隙ALOHA(Slotted ALOHA)为了提高纯ALOHA的吞吐率，Roberts提出了一种改进型协议，称之为时隙ALOHA(或时槽ALOHA)。根据这一协议，将信道时间划分成等长的时隙，时隙宽度恰好等于传输一个信息包所需的时间。为避免信息包“碰撞”时发生部分重迭，所有发射机都只允许在时隙的开始时刻发送信息包。改进后，最大信道吞吐率提高到0.368，但由于网络中的全部发射机只能同步发射信号，实现的复杂性也随之增大。2.2.3 预约ALOHA(Reservation ALOHA)为了更有效地利用卫星信道，可采用预约ALOHA。该协议把信道时间分成帧，每帧再分成M1个时隙，前M个时隙用来发送信息包，第M1时隙再进一步细分成V个子时隙，供网中的发射机按分隙ALOHA方式发送预约信号，一旦预约成功，该发射机便可利用前M1个时隙中的某个空闲时隙发送信息。由于在前M1个时隙内不会发生“碰撞”，预约ALOHA的信道效率可高达0.88，但其代价是进一步增加了延时及系统的复杂性。2.3 ALHOA信道效率众所周知，纯ALOHA的最大吞吐率为1/2e，即0.184，长期以来往往使人误解，认为ALOHA的信道效率总是很低的。然而，N.Abramson得出一个惊人的结论，ALOHA信道的效率都远高于最大吞吐率0.184。指出对于工作在低信道占用率的小型卫星地面站而言，ALOHA的信道容量接近于仙农信道容量。上述两个结论似乎是矛盾的，其基本原因在于，ALOHA吞吐率的计算是基于把ALOHA突发信道的平均数据速率与整个时间为两个用户所独用的点对点信道进行比较。在这两种不同信道上工作的发射机通常具有不同的平均功率，故在接收机上产生的信噪比也不同。工作在ALOHA突发信道的发射机的平均功率一般均低于点对点连续信道发射机的平均功率。这种比较对于发射机平均功率比较大的场合(如最早的ALOHA网)可能是适当的，但当ALOHA信道发射机的平均功率只有点对点连续信道的10%或更小时，这种比较就不恰当了。因此，信道效率就需要采用两种不同的度量：ALOHA吞吐率和ALOHA突发效率，前者用于峰值功率受限的ALOHA信道(如原先的ALOHA网)，后者则用于平均功率受限的ALOHA信道，如平均功率受限的卫星信道以及发射机采用电池供电的多址信道。2.4 扩展ALOHA多址技术 扩展ALOHA是N.Abramson使传统ALOHA能适用于VSAT网及PCN网，在原ALOHA基础上提出的一种新型的随机多址技术。扩展ALOHA信号是将普通的ALOHA信号既在时间上，又在频率上加以扩展而产生的，形式上等效于扩频CDMA信号，但只需使用一个扩展序列，而不必象CDMA那样为每个用户分配一个不同的扩频码。2.4.1扩展的原因为取得很高的ALOHA信道效率，d延迟和SN信噪比必须很小。而为了取得很高的最大数据速率，带宽W就必须取得很大，即需要进行频谱扩展。另一方面，若信噪比低，接收信号的可靠性也就低，因为信号检测的正确与否主要取决于接收到的每比特信号能量的大小。然而，根据仙农公式：C=H*log2(1+S/N)，在带宽W和传输速率给定的情况下，小的信噪比是可以通过增加传输时间来补偿的。因此，对信息包在时间上加以扩展，既能减小所需的发射机峰值功率，又能保证接收机检测所需的比特能量。可见，为了取得高效率和高可靠性，就需要对传统的ALOHA信号进行扩频和扩时。通过扩频，可以提高数据传输速率，减小信息包之间碰撞的几率，在一定的通信业务量情况下，信道时间的占用率也随着减小。通过扩时，可以保证接收机能获得正确检测所需的比特能量，又允许发射机以很低的平均功率发送数据。2.4.2扩展原理扩展ALOHA是通过扩频与扩时来实现的。扩频时仍采用纯(或分隙)ALOHA信道，且保持原来的信息包格式，但带宽大大扩展了。扩时可通过不同的方法实现，主要有比特扩展法和切普(chip)扩展法。下面对比特扩展作简单介绍。采用比特扩展法进行扩时的步骤为：(1)将宽带(即已扩频)ALOHA信道上的信息包在时间上拓展；(2)令拓展后的信息包通过一个线性滤波器，将每个信息符号代之以一个具有优良自相关特性的扩展频谱编码序列，如巴克码或m序列。经扩展后得到的扩展ALOHA信息包与扩频CDMA具有相同形式。设原始信息包由n比特组成，扩展编码序列长r比特，扩展后1信息比特变为r个切普(chip)，若扩展前后能量保持不变，发射机所需的峰值功率便下降到原来的r分之一，这就是说，通过扩时可大大降低网络中发射机的平均功率，同时又能维持接收机检测所需的比特能量。 由于仍采用ALOHA竞争协议，在传输过程中就可能发生信息包之间的重迭，重迭部分可看成信道噪声。在接收端，匹配滤波器利用一个相同的扩展序列对接收序列进行相关运算，然后在相应的拓展比特位上采样，恢复原来的信息包。在解扩过程中，有用数据的信号幅度增大到原来的r倍，符号间干扰及因传输时信息包重迭所引起的噪声幅度则大大减小，分别反比于r和r。可见，只要选用码长r足够大，具有优良自相关特性的扩展序列，即使在传输过程中发生重迭，解扩后信息包能正确恢复的概率仍然很高，即可达到较高的信道效率。3 随机接入载波侦听CSMA和载波侦听/冲突检测CSMA/CD3.1 载波侦听CSMA载波监听多路访问CSMA的技术，也称做先听后说LBT(Listen Before Talk)。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，以确定是否有别的站点在传输数据。如果媒体空闲，该站点便可传输数据。否则，该站点将避让一段时间后再做尝试。下面的图1为ALOHA多址、CSMA 和CSMA/CD多址技术的接入流程图，从图中可以清晰知道他们的步骤。这就需要有一种退避算法来决定避让的时间，常用的退避算法有非坚持、1坚持、P坚持三种。3.1.1非坚持算法算法规则为：(1)如果媒体是空闲的，则可以立即发送。(2)如果媒体是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤。 采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。非坚持算法的缺点是：即使有几个站点都有数据要发送，但由于大家都在延迟等待过程中，致使媒体仍可能处于空闲状态，使用率降低。3.1.21-坚持算法算法规则：(1)如果媒体空闲的，则可以立即发送。 (2)如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测到媒体是空闲，立即发送。(3)如果有冲突(在一段时间内未收到肯定的回复)，则等待一随机量的时间，重复步骤(1)(2)。这种算法的优点是：只要媒体空闲，站点就立即可发送，避免了媒体利用率的损失；其缺点是：假若有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。3.1.3P-坚持算法算法规则：(1)监听总线，如果媒体是空闲的，则以P的概率发送，而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。(2)延迟一个时间单位后，再重复步骤（1）。(3)如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤（1）。P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。问题在于如何选择P的有效值，这要考虑到避免重负载下系统处于的不稳定状态。假如媒体是忙时，有N个站有数据等待发送，一旦当前的发送完成时，将要试图传输的站的总期望数为NP。如果选择P过大，使NP1，表明有多个站点试图发送，冲突就不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，而使吞吐量降低到零。所以必须选择适当P值使NP1。当然P值选得过小，则媒体利用率又会大大降低。下面的图2为ALOHA和几种CSMA的性能对比图，由图上可以看出，由于CSMA采用了先监听再发送的技术，而不是ALOHA一样随意而盲目地发送，因此有效地减少了发生冲突的概率，因此，网络的性能也得到了明显的改善，主要体现在网络的吞吐量上面。从图中还可以看出，通常来说，轻载时，1坚持CSMA吞吐量最大；重载时，非坚持CSMA吞吐量最大。因此，可以根据实际的网络负荷来选择相应的随机接入机制，以获得最佳的网络性能。3.2 载波侦听/冲突检测CSMA/CD3.2.1 引进原因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，别的站以为检测到载波，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 。3.2.2 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争用时间片。空闲周期，所有站点都不使用信道。它的概念模型如下面的图3所表示。3.2.3 CSMA/CD 工作流程站点使用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。它的工作流程如下面的图4所表示。3.2.4 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。ALOHA信道忙?非坚持CSMAYNNY收到ACK？出口有待发帧？载波监听策略（分时隙）延迟到下一个时隙的开始发送等待2t延迟随机时间YN信道忙?选择0-1之间的随机数1P?延迟TYYNN图1 各种随机多址技术的流程图P坚持CSMA1P?延迟T出口收到ACK？3.2.5 CSMA/CD分类CSMA/CD也分为非坚持、1-坚持、P-坚持，各有优缺点。（1）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，易使网络进入空闲 。（2）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，易冲突。 （3）P-坚持：P不易选定横轴=G 竖轴=S图2 几种CSMA与ALOHA的S-G图图3 CSMA/CD概念模型3.2.6 最大检测冲突时间 冲突检测时间是指某一站从开始发送一帧开始到发现有冲突发生的一段时间，示意图如下面的图5所表示。网络的最大冲突检测时间通常是网络端到端传播时延的两倍。之所以得出这个结论，可以参见下图5：A、F是网上两个最端上的主机，它们之间信号的传送时间就是网络的传播时延，记为T。先向F站发送一帧，在帧还未到达F时，F也向A发送一帧F。在t=T-e?时刻向A发送帧，在t=T时检测到冲突，立即发送噪声帧。A在t= 2T时刻收到F向全网发送的噪声帧，知道发生冲突。准备发射台按Backof策略等待5发送JAM信号传输完成4传输数据并监听信道1监听信道2信道空闲3信道忙图4 CSMA/CD流程AFBCDETE图5 冲突检测示意图需要指出的是，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，发送方就无法确定是否发送成功。3.2.7 冲突后重发时间的确定若某一准备发送数据的站监听到冲突，则采用截断二进制指数类型退避算法来决定一个重发时延。其原理是从 0, 1, 2, ., 2k-1 中随机取一个数，设为r，其中：k = min 重发次数，10 ，（使得时延在重发了一定次数后随重发次数而增大，以保证负载不会快速增加，保证系统稳定）。重发次数可以预先规定，如16次，超过16次仍不能成功，则放弃该帧，向上层报告。则：最后确定的重发时延 = r * 基本重发时延（基本重发时延是预先规定的，等于争用时间片） 各站点尝试争用信道而连续遇到冲突时，随机选择一定范围内的某个退避等待时间片（即基本重发时延，通常取为两倍的端到端传播时延2T）数，范围如下：图6 不同的协议的Smax与a的关系曲线图第 1 次冲突：01 （即21-1） ；第 2 次冲突：0 3 （即22-1）；第10 次冲突：01023（即210-1），此后固定选择范围；第16次冲突：仍不成功则放弃，并报告上层。3.2.8 随机多址的不同的协议的Smax与a的关系在分析吞吐量时如上面的图6所示，归一化的传播时延a（即端到端的传播时延T与一个数据帧的发送时间T之比）是一个非常重要的参数，当a远小于1时，CSMA/CD的性能最好，CSMA其次。ALOHA最差。但是当a增大时，CSMA/CD和CSMA的性能都变坏。当a变大到0.5到1的时候，CSMA/CD和CSMA的性能就下降到和ALOHA的差不多了。只有当总线较短（这样端到端的传播时延T才会比较小），或是帧较长或总线的数据率较低（这样T才会比较大）的时候，才可以获得较小的a值。4码分多址CDMACDMA是码分多址，它是现代通信技术中用来实现信道共享的一种技术。所谓信道，可以是电磁信号的一个特定频率区域，称为频带；也可以是信号的一个特定时间片段，称为帧。所谓信道共享，就是将同一个信道供多个用户同时使用并保证互不干扰。信道共享可以提高信道资源的利用率。有许多不同的技术可以用来实现信道共享。把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一个用户专用（称为地址）。这种技术被称为“频分多址”技术。这是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术，也是第一代模拟移动通信的基本技术。类似地，可以把信道帧划分为若干不相重叠的时隙，把每个时隙分配给一个用户作为专用地址。这就是“时分多址”。这是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术。如果各个用户的地址既不是指定的信号子频带也不是时隙，而是信号的一组正交编码结构（码型），这些用户信号也可以同时在同一个信道上传输而互不干扰。这种技术称为“码分多址”。4.1 码分多址的实现原理 码分多址是使用一组正交（或准正交）的码组通过相关处理来实现多个用户共享空间传输的频率资源和同时入网接续的功能。在发端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽；在收端，利用伪码的相关性作解扩频处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱。宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩频，仍为宽带谱；窄带无用信号则为本地伪码所扩展称为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，我们可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，于是窄带内的信噪比就大大提高了。4.2 扩频技术CDMA多址接入技术的基础是扩频技术，扩频技术的研究和应用早在50年代中期已经开始了。最早的应用主要集中在军事战术通信系统、导航系统和其他的一些应用环境。一个能够确切反映扩频的定义是这样的：扩频是一种占用宽带超出信息传输最小所需带宽的传输方式；频带扩展依靠与数据无关的码字完成；接收机通过码字的同步接受来实现解扩和随后的数据恢复。在CDMA中，分配给每个用户一个唯一的编码序列 （扩展码），用于对它的承载信息信号进行编码。接收机知道用户的编码序列，可以在接收后对接收的信号进行解码并恢复出原始数据，这是因为特定用户的编码信号和其他用户的编码信号之间的互相关性很小。因为编码信号的带宽比承载信息信号的带宽大得多，因此编码处理扩展了信号的带宽，这就是大家熟知的扩频调制。4.3 CDMA的综合优势4.3.1 CDMA系统能提供功率控制它分为前向功率控制和反向功率控制，而反向功率控制又分为开环和闭环两部分。反向开环功率控制是在反向闭环功率控制还未形成时，移动台根据接收功率的变化控制发射功率。CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径衰耗。当移动台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个很好的传播路径，这时移动台将降低它的发射功率。相反，当移动台接收到的信号很弱时，它就增加发射功率以抵销损耗。CDMA系统前向、反向信道分别占用不同的频段，间隔为45MHz，两个频道衰减的相关性较弱。这就需要基站根据目前所需信噪比和实际接收的信噪比之差随时命令移动台调整发送功率（即闭环调整）。基站所需的信噪比是根据初始设定的误帧率随时调整的CDMA系统的容量主要受限于系统移动台之间的相互干扰，如果每个移动台的信号在到达基站时都保持所需的最小信噪比，系统容量将达到最大值。CDMA功率控制的目的就是使每个用户既维持高质量通信又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰（即外环调整）。前向信道总功率被按一定比例分配给导频信道、同步信道、寻呼信道以及所有的前向业务信道。因为不同移动台可能处在不同的距离和不同的环境，基站到每一个移动台的传输损耗都不一样，因此基站必须控制发送功率，给每个用户的前向业务信道都分配以适当的功率。基站这种视具体情况而分配给不同业务信道不同功率的方法就是前向功率控制。CDMA系统的功率控制除了直接提高容量之外，同时也降低了为克服噪声和干扰所需的发射功率，这就意味着CDMA移动台有着更长的工作时间。4