[科普中國]-隨機(jī)分配多址

多址通信技術(shù)在現(xiàn)代通信中起著重要作用。在衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)通信、移動通信等通信網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)多個(gè)用戶通過一條公共信道與其他用戶進(jìn)行通信時(shí),就必須采用某種多址技術(shù)。所謂多址技術(shù)是指允許兩臺或兩臺以上的發(fā)射機(jī)通過一條公共信道發(fā)送信號的技術(shù)。1

按照信道分配策略,多址技術(shù)通常又可分為三類:固定分配多址(FAMA-Fixed AssignmentMultiple Access)、按需分配多址(DAMA-Demand Assignment Multiple Access)和隨機(jī)分配多址(Random AssignmentMultiple Access)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)由大量的用戶組成,而這些用戶又只是間歇性地工作時(shí)采用隨機(jī)多址技術(shù)將提高信道的利用效率。

采用合理的信道分配策略, 對系統(tǒng)的性能（系統(tǒng)的容量、吞吐量、時(shí)延、頻譜利用率等）將產(chǎn)生很大的影響。2

所謂隨機(jī)分配多址技術(shù)就是指信道的使用是動態(tài)的, 但沒有中心站進(jìn)行統(tǒng)一的信道分配, 各站按一定方式隨機(jī)地使用訪問公共信道。

隨機(jī)多址技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是方便、靈活, 無需控制, 且具有大的用戶數(shù)量。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較大時(shí), 系統(tǒng)常常不穩(wěn)定或吞吐量急劇減小。隨機(jī)多址技術(shù)主要應(yīng)用于用戶信息數(shù)據(jù)量小, 信道占用時(shí)間很短, 而用戶隨機(jī)突發(fā)性強(qiáng)及無需網(wǎng)絡(luò)控制的場合或信令信道。隨機(jī)多址技術(shù)主要采用分組方式。2

Aloha是世界上最早的無線電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。它是1968年美國夏威夷大學(xué)的一項(xiàng)研究計(jì)劃的名字。70年代初研制成功一種使用無線廣播技術(shù)的分組交換計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，也是最早最基本的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議。Aloha網(wǎng)絡(luò)可以使分散在各島的多個(gè)用戶通過無線電信道來使用中心計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。

在隨機(jī)地址技術(shù)中, Aloha是最簡單的。多址用戶只要一有數(shù)據(jù)就可以馬上發(fā)送。在一定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答信號, 則隨機(jī)等待一段時(shí)間再次發(fā)送,直到發(fā)送成功為止。此種多址方式適合用戶數(shù)少、系統(tǒng)負(fù)荷不是很大的網(wǎng)絡(luò), 主要應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)由于Aloha多址方式的系統(tǒng)吞吐量低, 目前除了在信令信道中尚有應(yīng)用外, 在無線通信網(wǎng)中已很少采用。不過Aloha開創(chuàng)了隨機(jī)多址的先河, 是其他隨機(jī)多址技術(shù)的基礎(chǔ)。2

S-Aloha只能應(yīng)用于固定包長的網(wǎng)絡(luò)中。系統(tǒng)按照一幀數(shù)據(jù)包所占用的時(shí)間來劃分時(shí)隙。每個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)的用戶必須從時(shí)隙的起始開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。2

CSMA是載波檢測（偵聽）多路訪問。它檢測其他站的活動情況，據(jù)此調(diào)整自己的行為。分為以下幾類：

（1）1-持續(xù)CSMA(1-persistent CSMA)：當(dāng)信道忙或發(fā)生沖突時(shí)，要發(fā)送幀的站，不斷持續(xù)偵聽，一有空閑，便可發(fā)送。 其中，長的傳播延遲和同時(shí)發(fā)送幀，會導(dǎo)致多次沖突，降低系統(tǒng)性能。

（2）非持續(xù)CSMA：它并不持續(xù)偵聽信道，而是在沖突時(shí)，等待隨機(jī)的一段時(shí)間。它有更好的信道利用率，但導(dǎo)致更長延遲。

（3）p-持續(xù)CSMA：它應(yīng)用于分槽信道，按照P概率發(fā)送幀。即信道空閑時(shí)，這個(gè)時(shí)槽，欲發(fā)送的站P概率發(fā)送，Q=1-P概率不發(fā)送。若不發(fā)送，下一時(shí)槽仍空閑，同理進(jìn)行發(fā)送。若信道忙，則等待下一時(shí)槽，若沖突，則等待隨機(jī)的一段時(shí)間，重新開始。3

CSMA/CD是一種分布式介質(zhì)訪問控制協(xié)議，網(wǎng)中的各個(gè)站（節(jié)點(diǎn)）都能獨(dú)立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時(shí)，才允許發(fā)送幀。

CSMA/CD是CSMA的一種改進(jìn)型, 是在總線網(wǎng)絡(luò)特別是有線網(wǎng)中用得最多的一種協(xié)議, 它是通過監(jiān)聽公共信道是否有載波來判斷信道的忙閑,并在數(shù)據(jù)包發(fā)出后檢測是否發(fā)生碰撞, 如有碰撞立即停止發(fā)送, 隨機(jī)等待一段時(shí)間再次發(fā)送, 直到發(fā)送成功為止。CSMA/CD的吞吐量受傳播時(shí)延和電臺的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間的影響。在時(shí)延很小的情況下, 它在理論上具有相當(dāng)高吞吐量。但對于無線網(wǎng), 載波監(jiān)聽十分困難, 有隱藏終端的問題, 一般不被采用。2

在無線網(wǎng)中由于有隱藏結(jié)點(diǎn)（即每個(gè)結(jié)點(diǎn)不知道也不可能知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)情況），因此無法“檢測”所以CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）載波偵聽多路訪問沖突避免 就應(yīng)運(yùn)而生了，它是利用RTS/CTS（即類似TCP的握手協(xié)議)的應(yīng)答策略來保證在傳輸中結(jié)點(diǎn)不會再接受請求，從而解決了無線網(wǎng)中的沖突。

DSMA(數(shù)字監(jiān)聽多址接人方式)與CSMA類似, 其區(qū)別在于終端站是通過監(jiān)聽廣播信道上中心站發(fā)出的“ 忙音” 來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù), 所以又稱為忙音多址接入方式。在分組接入網(wǎng)中、因終端之間距離遙遠(yuǎn)電波不能到達(dá), 或因環(huán)境影響而不能相互通信的終端稱為隱式終端。隱式終端將引起沖突增加, 吞吐量下降。采用方式可以有效地消除隱式終端。主要應(yīng)用于分組無線網(wǎng)。2

由圖可以看出,兩個(gè)系統(tǒng)最大吞吐量相等,且吞吐量特性基本相同,只是在負(fù)載相對較輕的情況下,固定分配系統(tǒng)由于均衡了分組數(shù)與到達(dá)率,使各信道總到達(dá)率相同,其吞吐量略微高于隨機(jī)系統(tǒng),而負(fù)載較重時(shí),隨機(jī)系統(tǒng)的吞吐量略微高于固定系統(tǒng),固定系統(tǒng)固定分配信道,缺乏靈活性,隨機(jī)系統(tǒng)中,用戶隨機(jī)選擇信道,分組碰撞概率減少,提高信道的利用率,因此,隨機(jī)分配系統(tǒng)適用于較重負(fù)載的網(wǎng)絡(luò),而固定分配系統(tǒng)適用于輕負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)。3

通過對比兩個(gè)系統(tǒng)的曲線 ,固定分配系統(tǒng)的信道延時(shí)性能優(yōu)于隨機(jī)系統(tǒng) ,固定分配系統(tǒng)適用于實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò) 。 兩圖的共同點(diǎn)在于 :當(dāng)?shù)竭_(dá)率相同時(shí) ,隨著傳輸延遲的增大 ,吞吐量下降 。 這是因?yàn)樾诺纻鬏斞訒r(shí)增加 ,成功發(fā)送的分組數(shù)減少 ,碰撞增多 ,吞吐量下降 ,如果系統(tǒng)延時(shí)過大 ,網(wǎng)絡(luò)可能會因此而進(jìn)入惡性癱瘓狀態(tài) ;而且當(dāng)?shù)竭_(dá)率不斷增大時(shí) ,必須通過降低系統(tǒng)延時(shí)才能保證有較高的吞吐量 。3

優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)流能獲得高吞吐量,優(yōu)先級低的吞吐量小。 這是因?yàn)閮?yōu)先級高的業(yè)務(wù)流所分配的信道數(shù)多,分組通過多信道分別傳輸,成功發(fā)送概率提高,吞吐量增大,優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)流所分配的信道數(shù)少,隨著負(fù)載的加重,信道中分組碰撞幾率增大,吞吐量下降,因此隨機(jī)系統(tǒng)不宜在負(fù)載較重的網(wǎng)絡(luò)中使用。3