一种基于ALOHA协议特点的仿真计算方法

吴跃春，丁丹萍，仇晓涛

(中电防务科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

多址通信技术就是网中多个用户共同利用一个公共信道与其他用户进行通信的方式，也称多址接入技术[1]。多址接入技术在卫星通信、移动通信以及计算机通信等现代化通信网络中得到了广泛应用。根据信道资源的不同分配方式，多址接入技术通常又分为固定多址接入、按需多址接入和随机多址接入等方式[2]。

固定多址接入是将传输资源分割成若干的子信道，每个用户在一个或多个子信道上固定传输分组，彼此互不干扰。该方式使用资源方式较为固定，资源开销也较大。按需多址接入是一种根据用户需求分配信道资源的接入技术，用户根据自己的使用需求发送资源请求，获取资源后再进行传输。该方式需进行多轮交互流程，适合无实时响应要求下大数据量的传输。随机多址接入是指用户直接随机选择信道资源传输自己的分组，如果没有传输成功，随机等待一段时间后重传。该方式适合数据传输量小、实时性要求高、资源使用少的场景。ALOHA协议是在卫星通信系统中得到广泛应用的随机多址接入方式。

1 ALOHA协议

ALOHA协议是一种分组通信方式。1970年，世界上第一个实现数据包广播传输的网络，在美国夏威夷大学问世。该网络即为ALOHA网，它的重要意义在于首次在无线信道中引入分组广播的数据结构，网中每个用户可随时通过ALOHA公共信道给另外一个用户发送消息。

其基本原理是每个发射单元，将需发送的数据分成多个分组。每个分组数据包含收、发双方地址信息和必要的控制字段以及用于对该分组数据进行校验的检错码。接收单元通过核验检错码，判断该分组数据传输的正确性。通过识别源地址和目标地址，判断该分组数据的发送方和接收方，以提供给后端进行的数据处理。通过控制字段识别该分组数据的分组信息、重发信息等控制信息。发射单元通过接收信道的反馈信息，来判断分组数据是否传输成功，以此决定是重发本包分组数据或是继续发送下一包分组数据。

ALOHA协议经过多年的探索与发展，已出现多种用于卫星通信和地面通信的多址协议，如：纯ALOHA、时隙ALOHA、预约ALOHA、分集ALOHA等。随着人们对ALOHA协议研究的深入，协议实现的复杂度逐渐增加。在无线信号质量不稳定的某些应用场景下，过于复杂的ALOHA协议往往不能适用，而纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议却能够实现高效、低时延的数据接入。

1.1 纯ALOHA协议

纯ALOHA最显著的优点是实现简单，无需过多的交互机制和其他辅助信道。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网络[3]。由于发射是随机的，因此使用该协议的全网无需定时和同步。所有使用该信道的发射机均可发送数据，且无需等待发送数据的时机，具有较高的实时性。

纯ALOHA协议下数据包不发生“碰撞”(数据包重叠)的条件为：接收端在2个数据帧持续时间内没有数据包到达。假设用户数据包到达概率符合泊松分布，则归一化后的信道吞吐量为：S=Ge-2G。可计算得到信道最大吞吐量约为0.184，即信道最大利用率为18.4%。

由上述理论计算可看出，由于纯ALOHA协议相较于其他随机接入协议具有较高的随机性。使用该协议的信道发生数据“碰撞”的概率偏高。当用户数量较大时，信道传输效率偏低。

1.2 时隙ALOHA协议

时隙ALOHA协议是纯ALOHA协议的改进型。时隙ALOHA协议实现原理是将传输信道分为等时长的多个时隙，每个数据包必须固定在时隙的起始时刻发送。每个发射机的数据分组进入规定的时隙中，且要求每个分组所占用的时间填满一个时隙时间，时隙的定时由整个通信系统的时钟来确定[4]。因此，数据包的“碰撞”只会发送在时隙起始时刻，避免了在数据包传输过程中的“碰撞”，降低了数据“碰撞”概率。

时隙ALOHA协议下数据包不发生“碰撞”的条件为：接收端在1个数据帧持续时间内没有数据包到达。假设用户数据包到达概率符合泊松分布，则归一化后的信道吞吐量为：S=Ge-G。可计算得到信道最大吞吐量约为0.368，即信道最大利用率为36.8%。

时隙ALOHA协议较纯ALOHA协议提高了信道吞吐率，但也在一定程度上限制了数据接入的随机性，增加了数据传输时延。同时，由于发射机发送数据包需依赖全网络统一时钟，因此该协议的实现复杂度较纯ALOHA协议有所增加，也增加了用于时钟同步信道的使用。

2 仿真计算模型搭建

ALOHA协议解决的是大量通信节点进行业务接入的问题，在通信系统前期设计时，出于成本和试验难度考虑，无法使用数量庞大的实物发射机进行多址接入测试。因此，通过搭建ALOHA协议的仿真计算模型进行验证，操作简单易于实现且节约成本。

在纯ALOHA协议或时隙ALOHA协议通信网中，由于各发射机的发射时机都是随机的，两个以上发射机同时发射就会发生数据包“碰撞”，导致接收端无法正确接收。因此，ALOHA协议仿真的重点是对“碰撞”事件的模拟和计算。

通过将时间离散化，将“碰撞”事件的处理简化成纯数字处理，处理流程可简化为：随机数组生成、元素排序、元素差值计算、“碰撞”事件统计、取“碰撞”次数平均值等过程。

图1、图2分别展示了纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议下多用户接入计算模型。两种协议的计算模型处理流程一致，主要区别在元素差值计算部分，这也是两种协议最大不同之处。在纯ALOHA协议下，由于数据发送时刻是随机的，元素差值计算过程是对差值范围进行判断。在时隙ALOHA协议下，由于数据发送时刻较为固定，元素差值计算过程是对元素进行是否相等的判断。

图1 纯ALOHA协议计算模型

图2 时隙ALOHA协议计算模型

由于ALOHA协议本身的随机接入特性，需进行大规模重复计算，以取得较为真实结果。图1、图2的计算流程为单次计算结果，通过上万次的计算，并对计算结果做平均化处理，可得到较为准确的数值。

3 场景计算分析

假设有业务接入场景A：有多个用户需在相同的起始时刻后2 s内进行业务接入，每个用户数据包传输耗时100 ms，需分析用户数量达到多大时，信道吞吐量最佳(即信道传输效率最高)。

本研究分别通过搭建图1和图2所示计算模型，设置上述场景下离散化处理参数，分别计算出采用纯ALOHA协议和时隙ALOHA 协议的传输结果，如图3、图4所示。

图3 采用纯ALOHA协议发送结果

结合图3、图4的结果大致可分析出，当用户数量较少，业务接入产生的“碰撞”较少，信道吞吐量随用户数量的增加快速增长。当用户数量达到一定规模时，业务接入产生的“碰撞”增多，信道吞吐量降低。

在场景A下，采用纯ALOHA协议时，当用户数量为10时，信道吞吐量最佳，2 s内可成功传输4条数据包，即信道有限传输时间为400 ms。信道利用率为：20%，与理论利用率18.4%相近。

在场景A下，采用时隙ALOHA协议时，当用户数量为20时，信道吞吐量最佳，2 s内可成功传输7.8条数据包，即信道有限传输时间为780 ms。信道利用率为：39%，与理论利用率36.8%相近。

综上，通过将具体应用场景下的仿真计算结果与理论值进行比较，证明了仿真计算结果与理论分析值一致，验证了该仿真计算模型的正确性。

图4 采用时隙ALOHA协议发送结果

4 结语

纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议是随机多址接入技术中两种基本协议，在例如卫星移动通信系统等某些通信场景中具有高效的应用价值。设计准确的ALOHA协议仿真计算模型，可为通信系统控制信令交互流程的耗时分析提供技术基础，为整个通信系统的前期设计提供宝贵的数据支撑。