一種基于衛星通信系統的可變時隙ALOHA協議分析*

李 源，石燕華，劉翠萍，邵俊松

（75841 部隊，云南 昆明 650034）

0 引言

多址通信技術就是網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，也稱多址聯接技術，在衛星通信、移動通信以及計算機通信等現代通信網絡中得到了廣泛應用。根據信道資源的不同分配方式，多址技術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議是在衛星通信系統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 協議基礎上，提出一種可變時隙ALOHA協議，并對其性能進行分析研究，可提高基于衛星通信系統的分組業務傳輸性能（提高吞吐率即信道利用率）。

1 ALOHA 協議

ALOHA 協議又稱為P-ALOHA（Pure-ALOHA）協議，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星通信實現數據包廣播傳輸的網絡——ALOHA 網。ALOHA 網的重要意義在于它首次在無線（衛星）信道中引入了數據包（又稱分組）廣播這一結構，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送信息。

ALOHA 協議的基本原理是每個衛星通信地球站都有一個發射控制單元，首先將要傳輸的數據分成若干段，然后給每一個數據段的前面加上報頭（又稱分組頭）。報頭中包含有收發雙方地址信息和必要的控制比特，數據段后加上檢錯碼，形成一個數據包或數據分組（packet)。數據包形成后，發射控制單元將其調制成載波后發射，同時存儲器中保留數據包的“副本”。由于發射是隨機的，因此全網無需定時和同步。所有工作在這個頻率上的衛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，檢驗沒有錯誤就發一個應答信號，否則不予應答。發射站如果在規定的時間內沒有收到應答信號，便重發該分組，直到發送成功即收到應答信號為止。ALOHA 信道的主要優點是全網完全不需要定時和同步，結構簡單，且網中的所有發射機共享同一公共信道（頻率），發射方可完全根據數據傳輸需要間歇性工作，隨機發送，建網簡單且經濟實用。

網中各站發射完全是隨機的，兩個以上站同時發射就會發生“碰撞”（數據包重疊），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，從而導致發射失敗，需要重發。在網中需要傳輸的數據分組數量不多時，ALOHA 系統可以很好地工作，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，單位時間內到達的分組包括新發和重傳的），有的文獻稱之為信道利用率ρ。下面對協議的空閑率進行求解。

為了簡化分析，不考慮重傳，對系統分析前進行如下假定：

（1）終端用戶數不受限制；

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

2 S-ALOHA（Slotted-ALOHA）協議

S-ALOHA（Slotted-ALOHA）協議亦稱為時隙-ALOHA 協議。為了提高P-ALOHA 系統的吞吐率（信道利用率），1972 年人們提出了一種改進型協議，即S-ALOHA 協議[2]。它的根本思想是用設立系統公共時鐘來統一用戶的數據發送基準時刻。它的基本特征是以衛星轉發器輸入口為參考點，將P-ALOHA 協議中連續的時間軸劃分為離散的等長時隙（Slot），且一個數據分組正好占用一個時隙寬度。所有站點在時間上同步，要發送數據分組的站點不能隨意發送信息，只允許在下一個時隙的起始時刻開始發送。一個時隙內兩個以上分組同時發送就會發生“碰撞”，分組間一旦發生碰撞將是百分之百的完全重疊。碰撞發生后，發生碰撞的數據分組將延遲若干時隙后重傳，直到重發成功為止。這樣通過劃分時隙的方式，可避免用戶在發送數據時間上的隨意性，減少數據分組產生碰撞的可能性，提高系統吞吐率（信道利用率）。

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

在發射端，每個數據分組形成后要在緩沖區內等待一段時間（小于數據分組長度），等到下一個時隙的起始時刻再發送出去。當在一個時隙內有兩個或者兩個以上的分組到達時，則將在下一個時隙產生碰撞。碰撞發生后需要重發分組，其重發策略與P-ALOHA 協議類似，具體如圖2 所示。

圖2 時隙ALOHA 分組發送示意

這樣時間軸上就有數據分組被成功發送、數據分組發生碰撞和時隙空閑（無數據分組發送）3 種情況。如果將數據分組發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，即報文數據分組被成功發送的事件（U）和數據分組發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發生的，循環周期為TU。NU為一個循環周期內成功的分組個數。NBI為一個循環周期內碰撞和空閑的次數。通過以上假定，有：

同理，有：

吞吐率為：

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

3 可變時隙ALOHA（VariabIe SIot-ALOHA）協議

針對P-ALOHA 協議和S-ALOHA 協議存在的不足，為提高衛星分組通信系統的傳輸性能和可靠性，本文提出一種可變時隙ALOHA 協議，也可稱為VS-ALOHA 協議。當系統處于空閑時，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，提高系統吞吐率和信道利用率。

3.1 系統原理

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

3.2 性能參數

在可變時隙ALOHA 多址接入協議控制下，利用平均周期法進行計算[4-5]，可得系統的空閑率為：

系統的吞吐率為：

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 系統是真實可行的，該系統與時隙ALOHA 系統相比，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 協議相比，不論在輕負載情況下還是重負載情況下，VS-ALOHA協議均可達到較高的吞吐率。這是由于P-ALOHA系統沒有采取任何避免沖突的策略，數據分組隨到隨發，因此發生碰撞的可能性大，而S-ALOHA 和VS-ALOHA 系統都利用設置時隙來避免沖突，且對VS-ALOHA 系統而言，當信道處于空閑期時，一旦有分組到達就立即發送（空閑期時隙長度a足夠小），節約了等待時間，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 協議網絡吞吐率提高最明顯。

（2）與S-ALOHA 系統相比，當VS-ALOHA系統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送出去，縮短了終端用戶接入信道的時間，提高了系統站點間數據的傳輸速度和需要網絡數據支持的應用程序的處理速度，整體提高了系統的接入效率。對于實時性要求很高的業務如語音業務流、MPEG 視頻流等，為了易于支持QoS，該接入機制具有較大的優勢。

（3）當吞吐率S超過Smax后，隨著網絡負載的加重，系統吞吐率S持續下降。這是3 類ALOHA 系統的共同缺點，即不穩定性。

4 結語

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