1、背景介紹 傳統的蜂窩移動通信系統采用基于電路交換的固定分配多址協議（FDMA、TDMA、CDMA），這在主要支持恒定比特率業務語音的階段比較實用。但第三代移動通信系統不僅支持語音業務，同時還要支持突發性較強的數據業務，采用固定分配多址協議就會降低系統資源利用率以及服務效率，嚴重者會導致系統的阻塞。而完全采用基于分組交換的競爭多址接入協議（ALOHA、CSMA等）又不能滿足話音業務的需求。1989年，D.J.Goodman提出了分組預約多址接入協議（PRMA）。虛擬信道的多址方案 虛擬信道的多址方案采用隨機多址接入協議。 隨機多址協議又叫做有競爭的多址接入協議。各節點在網絡中的地位是等同的，通過

2、競爭獲得信道的使用權。 隨機多址接入協議可分為： 完全隨機多址接入協議（ ALOHA 協議） 載波偵聽型多址接入協議 不論是哪種隨機多址接入協議，我們主要關心兩個方面的問題： 穩態情況下系統的通過率和時延性能 系統的穩定性 ALOHA 協議 ALOHA 協議是 70 年代 Hawaii 大學建立的在多個數據終端到計算中心之間的通信網絡中使用的協議。 其基本思想是：若一個空閑的節點有一個分組到達，則立即發送該分組，并期望不會和其它節點發生碰撞。 純ALOHA 協議 純ALOHA 協議是最基本的 ALOHA 協議。 只要有新的分組到達，就立即被發送并期望不與別的分組發生碰撞。一旦分組發生碰撞，則隨

3、機退避一段時間后進行重傳。 如果從數據分組開始發送的時間起點到其傳輸結束的這段時間內，沒有其它數據分組發送，則該分組就不會和其它分組發生碰撞。 在什么情況圖1中陰影部分表示的數據分組（在t0+t時刻產生的分組）可以不受任何干擾的發送呢？與陰影幀的開與陰影幀的開始碰撞始碰撞與陰影幀的結與陰影幀的結尾碰撞尾碰撞圖1. 純ALOHA 碰撞機理碰撞機理純ALOHA 協議 假設系統中所有分組的長度相等，傳輸數據分組所需的時間定義為系統的單位時間，為了簡化描述，令該值等于t，(下面的分析中令 t 等于1）。 我們將時間區間t0，t0+2t稱為陰影分組（在t0+t時刻產生的分組）的易受破壞區間。 很顯然，在

4、純ALOHA協議中，只有在數據分組的易受破壞區間內沒有其它分組到達，則該分組可以成功傳輸。純ALOHA 協議 為了分析方便，設系統有無窮多個節點，假定重傳的時延足夠隨機，重傳分組和新到達分組合成的分組流是到達率為L的Poisson到達過程。則在純ALOHA系統中，一個分組成功傳輸的概率，就是在其產生時刻前一個時間單位內沒有分組發送，并且在該分組產生時刻的后一個時間單位內僅有一個分組（即該分組本身）發送的概率。 根據泊松公式，在單位時間內，產生n個分組的概率是 則根據上面的分析，我們可以得到在純ALOHA系統中，分組成功傳輸的概率純ALOHA 協議 系統的通過率（單位時間內一個分組成功傳輸的概率

5、） 對上式求最大值，可得系統的最大通過率為1/2e0.184 此時對應的L=0.5 可見，效率很低。時隙 ALOHA 協議 從前面的描述中可以看到，在純ALOHA協議中，節點只要有分組就發送，易受破壞區間為兩個單位時間。如果我們縮小易受破壞區間，就可以減少分組碰撞的概率，提高系統的利用率。基于這一出發點，提出了時隙 ALOHA 協議。 時隙 ALOHA系統將時間軸劃分為若干個時隙，所有節點同步，各節點只能在時隙的開始時刻才能夠發送分組，時隙寬度等于一個分組的傳輸時間。 當一個分組在某時隙到達后，它將在下一時隙開始傳輸，并期望不會與其它節點發生碰撞。 如果在某時隙內，僅有一個分組到達（包括新到達

6、的分組和重傳分組的到達），則該分組會傳輸成功。 如果在某時隙內到達兩個或兩個以上的分組，則將會發生碰撞。碰撞的分組將在以后的時隙中重傳。 很顯然，此時的易受破壞區間長度減少為一個單位時間（時隙）。 時隙 ALOHA 協議 假定系統有無窮多個節點 在一個時隙內有一個分組成功傳輸的概率為L e-L，它被定義為系統的通過率S（或離開系統的速率），即S=L e-L 如果分組的長度為一個時隙寬度，則系統的通過率就是指在一個時隙內成功傳輸所占的比例（或有一個分組成功傳輸的概率）。 其最大通過率為1/e0.368，對應的 L=1圖2. 時隙ALOHA 碰撞機理碰撞機理ALOHA的通過率曲線L圖3. ALOH

7、A的通過率曲線ALOHA 協議例子 例 若干個終端用純 ALOHA 隨機接入協議與遠端主機通信，信道速率為 2.4kb/s。每個終端平均每3分鐘發送一個幀，幀長為 200bit，問系統中最多可容納多少個終端？若采用時隙 ALOHA 協議，其結果又如何？ 設可容納的終端數為N。每個終端發送數據的速率是 由于純ALOHA系統的最大系統通過率為1/2e，則有 若采用時隙ALOHA協議，最大通過率為1/e，則有載波偵聽型多址協議載波偵聽型多址協議 CSMA 是從 ALOHA 協議演變出的一種改進型協議，它采用了附加的硬件裝置，每個節點都能夠檢測（偵聽）到信道上有無分組在傳輸。如果一個節點有分組要傳輸，

8、它首先檢測信道是否空閑，如果信道有其他分組在傳輸，則該節點可以等到信道空閑后再傳輸，這樣可以減少要發送的分組與正在傳輸的分組之間的碰撞，提高系統的利用率。 CSMA 協議可細分為幾種不同的實現形式： 非堅持型（ Non-persistent）CSMA 1-堅持型 CSMA CSMA 所謂非堅持型 CSMA 是指當分組到達時，若信道空閑，則立即發送分組；若信道處于忙狀態，則分組的發送將被延遲，且節點不再跟蹤信道的狀態（即節點暫時不檢測信道），延遲結束后節點再次檢測信道狀態，并重復上述過程，如此循環，直到將該分組發送成功為止。 所謂 1-堅持型 CSMA 是指當分組到達時，若信道空閑，則立即發送分

9、組；若信道處于忙狀態，則該節點一直堅持檢測信道狀態，直至檢測到信道空閑后，立即發送該分組。檢測時延 眾所周知，由于電信號在介質中的傳播時延，在不同的觀察點上監測到同一信道的出現或消失的時刻是不相同的。因此，在 CSMA 多址協議中，影響系統性能的主要參數是（信道）載波的檢測時延。 它包括兩部分：發送節點到檢測節點的傳播時延和物理層檢測時延（即檢測節點開始檢測到檢測節點給出信道是忙或閑所需的時間）。 設信道速率為C bit/s，分組長度為 L bit ，則歸一化的載波偵聽（檢測）時延為非時隙 CSMA 非時隙 CSMA 協議的工作過程如下：當分組到達時，如果信道空閑，則立即發送該分組；如果信道忙

10、，則分組被延遲一段時間后，重新檢測信道。 如果信道忙或發送時與其它分組碰撞，則該分組變成等待重傳的分組。每個等待重傳的分組將重復地嘗試重傳，重傳間隔相互獨立且服從指數分布。 非時隙 CSMA 控制算法描述 1) 若有分組等待發送，則轉到第 2）步，否則處于空閑狀態，等待分組到達。 2) 監測信道：若信道空閑，啟動發送分組，發完返回第 1）步；若信道忙，放棄監測信道，選擇一個隨機時延的時間長度t 開始延時（此時節點處于退避狀態）。 3) 延時結束，轉至第 1）步。非時隙 CSMA 非時隙非堅持型 CSMA 多址協議的主要特點是在發送數據前先監測信道，一旦監測到信道忙時，能主動的退避一段時間（暫時

11、放棄監測信道） 圖4. 非時隙非時隙CSMA碰撞機理碰撞機理時隙 CSMA 協議 非時隙非堅持 CSMA吞吐量為 時隙非堅持 CSMA吞吐量為 非時隙1-堅持CSMA吞吐量為 時隙1-堅持CSMA吞吐量為典型隨機接入多址協議性能曲線提供的負載提供的負載 L因為的值小，時隙與非時隙1-堅持CSMA曲線是相同的=0.01圖5. 隨機接入多址協議性能曲線有碰撞檢測的載波偵聽型多址協議（有碰撞檢測的載波偵聽型多址協議（ CSMA/CD ） 前面討論的 CSMA 協議由于在發送之前進行載波監聽，所以減少了沖突的機會。但由于傳播時延的存在，沖突還是不可避免的。只要發生沖突，信道就被浪費一段時間。 CSMA

12、/CD比CSMA又增加了一個功能，這就是邊發送邊監聽。只要監聽到信道上發生了沖突，則沖突的節點就必須停止發送。這樣，信道就很快空閑下來，因而提高了信道的利用率。這種邊發送邊監聽的功能稱為沖突檢測。 CSMA/CD 的工作過程如下：當一個節點有分組到達時，它首先偵聽信道，看信道是否空閑。如果信道空閑，則立即發送分組；如果信道忙，則連續偵聽信道，直至信道空閑后立即發送分組。該節點在發送分組的同時，監測信道秒，以便確定本節點的分組是否與其它節點發生碰撞。 如果沒有發生碰撞，則該節點會無沖突地占用該總線，直至傳輸結束。如果發生碰撞，則該節點停止發送，隨機時延一段時間后重復上述過程。（在實際應用時，發送

13、節點在檢測到碰撞以后，還要產生一個阻塞信號來阻塞信道，以防止其它節點沒有檢測到碰撞而繼續傳輸。）時隙預約多址協議（預約ALOA） 在前面介紹的幾種隨機多址接入技術中，我們可以看到它們共同的關鍵技術是如何最大限度的減少發送沖突，從而盡量提高信道利用率和系統吞吐率。 預約多址協議的要點就是最大限度的減少或消除隨機因素，避免發送競爭所帶來的對信道資源的無秩序競爭，使系統能按各節點的業務需求合理地分配信道資源。 在隨機多址協議中，當數據分組發生碰撞時，整個分組都被破壞。如果分組較長，則信道的利用率較低。 當數據分組較長時，我們可以在數據分組傳輸之前，以一定的準則，發送一個很短的預約分組，為數據分組預約

14、一定的系統資源。如果預約分組成功傳輸，則該數據分組在預約到的系統資源（頻率、時隙等）中無沖突的傳輸。由于預約分組所浪費的信道容量很少，因而提高了系統效率。預約ALOA 這種多址協議常用于衛星通信系統中。 假定每個預約的時隙僅預約一個分組傳輸的時隙，這時系統可達到的最大通過量為1/1+v。設數據分組的長度為1，預約分組的長度為v（通常v 1） 如果假定每個預約的時隙可以預約多個分組傳輸的時隙，這時幀長較長，則預約區間所占的比例很小，因而系統的通過率將趨于1。預約預約ALOHA圖6. 預約ALOHA圖7. 書上碰撞機理圖PRMA（分組預約多址） PRMA是預約ALOHA派生的，它把TDMA和時隙A

15、LOHA結合在一起。它的優點是能利用話音激活檢測器來檢測人的話音激活周期(35%40%的單向講話時間)及通過增加虛擬信道來增加無線電信道的容量。當頻率復用系數K減少時，PRMA的運行可能不會太好。 PRMA協議設計用于隨機分布的移動終端，通過上行鏈路接入基站，并充分利用有限的信道資源。PRMA結合了TDMA的帶寬有效性及競爭協議時隙ALOHA的有效控制特性。在PRMA協議中，上行信道被分為預約時隙和可用時隙，移動終端使用時隙ALOHA協議競爭上行鏈路的可用時隙以接入基站。通過識別業務信息是周期的還是突發的來確定是否可以預約后續時隙。PRMA（分組預約多址） 終端通過分組頭部的1bit來標志該分

16、組是屬于周期信息分組還是突發信息分組。語音和視頻通常被視為周期的，因為在通話期數據流是穩定的。數據分組可能是周期的也可能是突發的，這取決于他們是恒定比特流數據的一部分還是突發事件如鍵盤敲擊產生的數據。較長的文件傳輸可以看作周期數據流。如果一個終端的業務類型為周期業務類型，通過在一個可用時隙成功傳輸一個分組，它就預約了后續幀中同一個時隙。分組傳輸完畢，該時隙為空。基站檢測出來之后，就在隨后的廣播信息中通知各終端該時隙為可用時隙。如果終端的數據類型為突發數據，則不能預約后續時隙。每個分組都必須競爭可用時隙以獲得接入。在傳統的PRMA協議中，只有語音和視頻可以預約時隙以減少分組接入時延，獲得更好的性

17、能。而無論是周期的還是突發的數據分組，由于可以忍受較長的延遲，所以必須每個分組參與競爭。其他多址方案 PRMA*(分組預約多址*)是一種增強型PRMA版本，在此方式中，為了更好地管理信道，在原協議中的時隙分配和基于幀的結構可以動態地變化。集中式算法使變換易于實現。然而，仍保留了嚴密的TDMA傳輸方案。 BTMA(忙音多址)是解決秘密終端問題的一種技術。例如，兩個終端可能處在受第三個終端干擾的距離內。在這種情況下，系統頻譜帶寬分成兩類信道:信息信道和忙音信道。當用戶終端在信息信道上偵聽到信號時，它就接通忙音信道。當一用戶終端檢測到另一用戶是在信息信道上，該用戶終端就在忙音信道上發送告警信號通知其

18、他用戶。這一技術用在移動臺必須始終保持相互通信的軍事通信領域中。其他多址方案 DSMA(數據偵聽多址)用在AMPS(高級移動電話業務)、CDPD(蜂窩數字分組數據)和ARDIS(高級無線電數據信息業務)。DSMA是一種全雙工無線數據通信網絡。正向信道(基站到移動臺)將忙閑比特發送到每個數據幀，當忙閑比特變為空閑時，通知用戶終端發送。因此用戶一旦接收，基站就轉換成忙比特狀態。 ISMA(空閑信號多址)是CSMA的一種改進型，是一種更靈活的分組接入技術。 RAMA(資源拍賣多址)是一種基于確定解決爭用的快速指配資源和動態分配信道的技術。其他多址方案 CDPA(捕獲分配分組接入)以分組交換技術為基礎并在所有小區中使用相同信道。ALOHA重發機理用來解決不同小區傳輸之間的爭用。在一小區內，CDPA使