一種基于ALOHA協(xié)議特點(diǎn)的仿真計(jì)算方法

吳躍春，丁丹萍，仇曉濤

(中電防務(wù)科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

多址通信技術(shù)就是網(wǎng)中多個(gè)用戶共同利用一個(gè)公共信道與其他用戶進(jìn)行通信的方式，也稱多址接入技術(shù)[1]。多址接入技術(shù)在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信以及計(jì)算機(jī)通信等現(xiàn)代化通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)信道資源的不同分配方式，多址接入技術(shù)通常又分為固定多址接入、按需多址接入和隨機(jī)多址接入等方式[2]。

固定多址接入是將傳輸資源分割成若干的子信道，每個(gè)用戶在一個(gè)或多個(gè)子信道上固定傳輸分組，彼此互不干擾。該方式使用資源方式較為固定，資源開(kāi)銷也較大。按需多址接入是一種根據(jù)用戶需求分配信道資源的接入技術(shù)，用戶根據(jù)自己的使用需求發(fā)送資源請(qǐng)求，獲取資源后再進(jìn)行傳輸。該方式需進(jìn)行多輪交互流程，適合無(wú)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求下大數(shù)據(jù)量的傳輸。隨機(jī)多址接入是指用戶直接隨機(jī)選擇信道資源傳輸自己的分組，如果沒(méi)有傳輸成功，隨機(jī)等待一段時(shí)間后重傳。該方式適合數(shù)據(jù)傳輸量小、實(shí)時(shí)性要求高、資源使用少的場(chǎng)景。ALOHA協(xié)議是在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的隨機(jī)多址接入方式。

1 ALOHA協(xié)議

ALOHA協(xié)議是一種分組通信方式。1970年，世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包廣播傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，在美國(guó)夏威夷大學(xué)問(wèn)世。該網(wǎng)絡(luò)即為ALOHA網(wǎng)，它的重要意義在于首次在無(wú)線信道中引入分組廣播的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)中每個(gè)用戶可隨時(shí)通過(guò)ALOHA公共信道給另外一個(gè)用戶發(fā)送消息。

其基本原理是每個(gè)發(fā)射單元，將需發(fā)送的數(shù)據(jù)分成多個(gè)分組。每個(gè)分組數(shù)據(jù)包含收、發(fā)雙方地址信息和必要的控制字段以及用于對(duì)該分組數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)的檢錯(cuò)碼。接收單元通過(guò)核驗(yàn)檢錯(cuò)碼，判斷該分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。通過(guò)識(shí)別源地址和目標(biāo)地址，判斷該分組數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方，以提供給后端進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理。通過(guò)控制字段識(shí)別該分組數(shù)據(jù)的分組信息、重發(fā)信息等控制信息。發(fā)射單元通過(guò)接收信道的反饋信息，來(lái)判斷分組數(shù)據(jù)是否傳輸成功，以此決定是重發(fā)本包分組數(shù)據(jù)或是繼續(xù)發(fā)送下一包分組數(shù)據(jù)。

ALOHA協(xié)議經(jīng)過(guò)多年的探索與發(fā)展，已出現(xiàn)多種用于衛(wèi)星通信和地面通信的多址協(xié)議，如：純ALOHA、時(shí)隙ALOHA、預(yù)約ALOHA、分集ALOHA等。隨著人們對(duì)ALOHA協(xié)議研究的深入，協(xié)議實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度逐漸增加。在無(wú)線信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定的某些應(yīng)用場(chǎng)景下，過(guò)于復(fù)雜的ALOHA協(xié)議往往不能適用，而純ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHA協(xié)議卻能夠?qū)崿F(xiàn)高效、低時(shí)延的數(shù)據(jù)接入。

1.1 純ALOHA協(xié)議

純ALOHA最顯著的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需過(guò)多的交互機(jī)制和其他輔助信道?？刹捎米冮L(zhǎng)信息包，特別適用于具有大量間歇性工作的發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)[3]。由于發(fā)射是隨機(jī)的，因此使用該協(xié)議的全網(wǎng)無(wú)需定時(shí)和同步。所有使用該信道的發(fā)射機(jī)均可發(fā)送數(shù)據(jù)，且無(wú)需等待發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)，具有較高的實(shí)時(shí)性。

純ALOHA協(xié)議下數(shù)據(jù)包不發(fā)生“碰撞”(數(shù)據(jù)包重疊)的條件為：接收端在2個(gè)數(shù)據(jù)幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)包到達(dá)。假設(shè)用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)概率符合泊松分布，則歸一化后的信道吞吐量為：S=Ge-2G?？捎?jì)算得到信道最大吞吐量約為0.184，即信道最大利用率為18.4%。

由上述理論計(jì)算可看出，由于純ALOHA協(xié)議相較于其他隨機(jī)接入?yún)f(xié)議具有較高的隨機(jī)性。使用該協(xié)議的信道發(fā)生數(shù)據(jù)“碰撞”的概率偏高。當(dāng)用戶數(shù)量較大時(shí)，信道傳輸效率偏低。

1.2 時(shí)隙ALOHA協(xié)議

時(shí)隙ALOHA協(xié)議是純ALOHA協(xié)議的改進(jìn)型。時(shí)隙ALOHA協(xié)議實(shí)現(xiàn)原理是將傳輸信道分為等時(shí)長(zhǎng)的多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)數(shù)據(jù)包必須固定在時(shí)隙的起始時(shí)刻發(fā)送。每個(gè)發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)分組進(jìn)入規(guī)定的時(shí)隙中，且要求每個(gè)分組所占用的時(shí)間填滿一個(gè)時(shí)隙時(shí)間，時(shí)隙的定時(shí)由整個(gè)通信系統(tǒng)的時(shí)鐘來(lái)確定[4]。因此，數(shù)據(jù)包的“碰撞”只會(huì)發(fā)送在時(shí)隙起始時(shí)刻，避免了在數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中的“碰撞”，降低了數(shù)據(jù)“碰撞”概率。

時(shí)隙ALOHA協(xié)議下數(shù)據(jù)包不發(fā)生“碰撞”的條件為：接收端在1個(gè)數(shù)據(jù)幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)包到達(dá)。假設(shè)用戶數(shù)據(jù)包到達(dá)概率符合泊松分布，則歸一化后的信道吞吐量為：S=Ge-G。可計(jì)算得到信道最大吞吐量約為0.368，即信道最大利用率為36.8%。

時(shí)隙ALOHA協(xié)議較純ALOHA協(xié)議提高了信道吞吐率，但也在一定程度上限制了數(shù)據(jù)接入的隨機(jī)性，增加了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。同時(shí)，由于發(fā)射機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包需依賴全網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一時(shí)鐘，因此該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較純ALOHA協(xié)議有所增加，也增加了用于時(shí)鐘同步信道的使用。

2 仿真計(jì)算模型搭建

ALOHA協(xié)議解決的是大量通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)接入的問(wèn)題，在通信系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)時(shí)，出于成本和試驗(yàn)難度考慮，無(wú)法使用數(shù)量龐大的實(shí)物發(fā)射機(jī)進(jìn)行多址接入測(cè)試。因此，通過(guò)搭建ALOHA協(xié)議的仿真計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)且節(jié)約成本。

在純ALOHA協(xié)議或時(shí)隙ALOHA協(xié)議通信網(wǎng)中，由于各發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)機(jī)都是隨機(jī)的，兩個(gè)以上發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)包“碰撞”，導(dǎo)致接收端無(wú)法正確接收。因此，ALOHA協(xié)議仿真的重點(diǎn)是對(duì)“碰撞”事件的模擬和計(jì)算。

通過(guò)將時(shí)間離散化，將“碰撞”事件的處理簡(jiǎn)化成純數(shù)字處理，處理流程可簡(jiǎn)化為：隨機(jī)數(shù)組生成、元素排序、元素差值計(jì)算、“碰撞”事件統(tǒng)計(jì)、取“碰撞”次數(shù)平均值等過(guò)程。

圖1、圖2分別展示了純ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHA協(xié)議下多用戶接入計(jì)算模型。兩種協(xié)議的計(jì)算模型處理流程一致，主要區(qū)別在元素差值計(jì)算部分，這也是兩種協(xié)議最大不同之處。在純ALOHA協(xié)議下，由于數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻是隨機(jī)的，元素差值計(jì)算過(guò)程是對(duì)差值范圍進(jìn)行判斷。在時(shí)隙ALOHA協(xié)議下，由于數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻較為固定，元素差值計(jì)算過(guò)程是對(duì)元素進(jìn)行是否相等的判斷。

圖1 純ALOHA協(xié)議計(jì)算模型

圖2 時(shí)隙ALOHA協(xié)議計(jì)算模型

由于ALOHA協(xié)議本身的隨機(jī)接入特性，需進(jìn)行大規(guī)模重復(fù)計(jì)算，以取得較為真實(shí)結(jié)果。圖1、圖2的計(jì)算流程為單次計(jì)算結(jié)果，通過(guò)上萬(wàn)次的計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果做平均化處理，可得到較為準(zhǔn)確的數(shù)值。

3 場(chǎng)景計(jì)算分析

假設(shè)有業(yè)務(wù)接入場(chǎng)景A：有多個(gè)用戶需在相同的起始時(shí)刻后2 s內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)接入，每個(gè)用戶數(shù)據(jù)包傳輸耗時(shí)100 ms，需分析用戶數(shù)量達(dá)到多大時(shí)，信道吞吐量最佳(即信道傳輸效率最高)。

本研究分別通過(guò)搭建圖1和圖2所示計(jì)算模型，設(shè)置上述場(chǎng)景下離散化處理參數(shù)，分別計(jì)算出采用純ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHA 協(xié)議的傳輸結(jié)果，如圖3、圖4所示。

圖3 采用純ALOHA協(xié)議發(fā)送結(jié)果

結(jié)合圖3、圖4的結(jié)果大致可分析出，當(dāng)用戶數(shù)量較少，業(yè)務(wù)接入產(chǎn)生的“碰撞”較少，信道吞吐量隨用戶數(shù)量的增加快速增長(zhǎng)。當(dāng)用戶數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，業(yè)務(wù)接入產(chǎn)生的“碰撞”增多，信道吞吐量降低。

在場(chǎng)景A下，采用純ALOHA協(xié)議時(shí)，當(dāng)用戶數(shù)量為10時(shí)，信道吞吐量最佳，2 s內(nèi)可成功傳輸4條數(shù)據(jù)包，即信道有限傳輸時(shí)間為400 ms。信道利用率為：20%，與理論利用率18.4%相近。

在場(chǎng)景A下，采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議時(shí)，當(dāng)用戶數(shù)量為20時(shí)，信道吞吐量最佳，2 s內(nèi)可成功傳輸7.8條數(shù)據(jù)包，即信道有限傳輸時(shí)間為780 ms。信道利用率為：39%，與理論利用率36.8%相近。

綜上，通過(guò)將具體應(yīng)用場(chǎng)景下的仿真計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，證明了仿真計(jì)算結(jié)果與理論分析值一致，驗(yàn)證了該仿真計(jì)算模型的正確性。

圖4 采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議發(fā)送結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

純ALOHA協(xié)議和時(shí)隙ALOHA協(xié)議是隨機(jī)多址接入技術(shù)中兩種基本協(xié)議，在例如衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)等某些通信場(chǎng)景中具有高效的應(yīng)用價(jià)值。設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的ALOHA協(xié)議仿真計(jì)算模型，可為通信系統(tǒng)控制信令交互流程的耗時(shí)分析提供技術(shù)基礎(chǔ)，為整個(gè)通信系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)提供寶貴的數(shù)據(jù)支撐。