虚拟信道多址方案

1、背景介绍 传统的蜂窝移动通信系统采用基于电路交换的固定分配多址协议（FDMA、TDMA、CDMA），这在主要支持恒定比特率业务语音的阶段比较实用。但第三代移动通信系统不仅支持语音业务，同时还要支持突发性较强的数据业务，采用固定分配多址协议就会降低系统资源利用率以及服务效率，严重者会导致系统的阻塞。而完全采用基于分组交换的竞争多址接入协议（ALOHA、CSMA等）又不能满足话音业务的需求。1989年，D.J.Goodman提出了分组预约多址接入协议（PRMA）。虚拟信道的多址方案 虚拟信道的多址方案采用随机多址接入协议。 随机多址协议又叫做有竞争的多址接入协议。各节点在网络中的地位是等同的，通过

2、竞争获得信道的使用权。 随机多址接入协议可分为： 完全随机多址接入协议（ ALOHA 协议） 载波侦听型多址接入协议 不论是哪种随机多址接入协议，我们主要关心两个方面的问题： 稳态情况下系统的通过率和时延性能 系统的稳定性 ALOHA 协议 ALOHA 协议是 70 年代 Hawaii 大学建立的在多个数据终端到计算中心之间的通信网络中使用的协议。 其基本思想是：若一个空闲的节点有一个分组到达，则立即发送该分组，并期望不会和其它节点发生碰撞。 纯ALOHA 协议 纯ALOHA 协议是最基本的 ALOHA 协议。 只要有新的分组到达，就立即被发送并期望不与别的分组发生碰撞。一旦分组发生碰撞，则随

3、机退避一段时间后进行重传。 如果从数据分组开始发送的时间起点到其传输结束的这段时间内，没有其它数据分组发送，则该分组就不会和其它分组发生碰撞。 在什么情况图1中阴影部分表示的数据分组（在t0+t时刻产生的分组）可以不受任何干扰的发送呢？与阴影帧的开与阴影帧的开始碰撞始碰撞与阴影帧的结与阴影帧的结尾碰撞尾碰撞图1. 纯ALOHA 碰撞机理碰撞机理纯ALOHA 协议 假设系统中所有分组的长度相等，传输数据分组所需的时间定义为系统的单位时间，为了简化描述，令该值等于t，(下面的分析中令 t 等于1）。 我们将时间区间t0，t0+2t称为阴影分组（在t0+t时刻产生的分组）的易受破坏区间。 很显然，在

4、纯ALOHA协议中，只有在数据分组的易受破坏区间内没有其它分组到达，则该分组可以成功传输。纯ALOHA 协议 为了分析方便，设系统有无穷多个节点，假定重传的时延足够随机，重传分组和新到达分组合成的分组流是到达率为L的Poisson到达过程。则在纯ALOHA系统中，一个分组成功传输的概率，就是在其产生时刻前一个时间单位内没有分组发送，并且在该分组产生时刻的后一个时间单位内仅有一个分组（即该分组本身）发送的概率。 根据泊松公式，在单位时间内，产生n个分组的概率是 则根据上面的分析，我们可以得到在纯ALOHA系统中，分组成功传输的概率纯ALOHA 协议 系统的通过率（单位时间内一个分组成功传输的概率

5、） 对上式求最大值，可得系统的最大通过率为1/2e0.184 此时对应的L=0.5 可见，效率很低。时隙 ALOHA 协议 从前面的描述中可以看到，在纯ALOHA协议中，节点只要有分组就发送，易受破坏区间为两个单位时间。如果我们缩小易受破坏区间，就可以减少分组碰撞的概率，提高系统的利用率。基于这一出发点，提出了时隙 ALOHA 协议。 时隙 ALOHA系统将时间轴划分为若干个时隙，所有节点同步，各节点只能在时隙的开始时刻才能够发送分组，时隙宽度等于一个分组的传输时间。 当一个分组在某时隙到达后，它将在下一时隙开始传输，并期望不会与其它节点发生碰撞。 如果在某时隙内，仅有一个分组到达（包括新到达

6、的分组和重传分组的到达），则该分组会传输成功。 如果在某时隙内到达两个或两个以上的分组，则将会发生碰撞。碰撞的分组将在以后的时隙中重传。 很显然，此时的易受破坏区间长度减少为一个单位时间（时隙）。 时隙 ALOHA 协议 假定系统有无穷多个节点 在一个时隙内有一个分组成功传输的概率为L e-L，它被定义为系统的通过率S（或离开系统的速率），即S=L e-L 如果分组的长度为一个时隙宽度，则系统的通过率就是指在一个时隙内成功传输所占的比例（或有一个分组成功传输的概率）。 其最大通过率为1/e0.368，对应的 L=1图2. 时隙ALOHA 碰撞机理碰撞机理ALOHA的通过率曲线L图3. ALOH

7、A的通过率曲线ALOHA 协议例子 例 若干个终端用纯 ALOHA 随机接入协议与远端主机通信，信道速率为 2.4kb/s。每个终端平均每3分钟发送一个帧，帧长为 200bit，问系统中最多可容纳多少个终端？若采用时隙 ALOHA 协议，其结果又如何？ 设可容纳的终端数为N。每个终端发送数据的速率是 由于纯ALOHA系统的最大系统通过率为1/2e，则有 若采用时隙ALOHA协议，最大通过率为1/e，则有载波侦听型多址协议载波侦听型多址协议 CSMA 是从 ALOHA 协议演变出的一种改进型协议，它采用了附加的硬件装置，每个节点都能够检测（侦听）到信道上有无分组在传输。如果一个节点有分组要传输，

8、它首先检测信道是否空闲，如果信道有其他分组在传输，则该节点可以等到信道空闲后再传输，这样可以减少要发送的分组与正在传输的分组之间的碰撞，提高系统的利用率。 CSMA 协议可细分为几种不同的实现形式： 非坚持型（ Non-persistent）CSMA 1-坚持型 CSMA CSMA 所谓非坚持型 CSMA 是指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分组；若信道处于忙状态，则分组的发送将被延迟，且节点不再跟踪信道的状态（即节点暂时不检测信道），延迟结束后节点再次检测信道状态，并重复上述过程，如此循环，直到将该分组发送成功为止。 所谓 1-坚持型 CSMA 是指当分组到达时，若信道空闲，则立即发送分

9、组；若信道处于忙状态，则该节点一直坚持检测信道状态，直至检测到信道空闲后，立即发送该分组。检测时延 众所周知，由于电信号在介质中的传播时延，在不同的观察点上监测到同一信道的出现或消失的时刻是不相同的。因此，在 CSMA 多址协议中，影响系统性能的主要参数是（信道）载波的检测时延。 它包括两部分：发送节点到检测节点的传播时延和物理层检测时延（即检测节点开始检测到检测节点给出信道是忙或闲所需的时间）。 设信道速率为C bit/s，分组长度为 L bit ，则归一化的载波侦听（检测）时延为非时隙 CSMA 非时隙 CSMA 协议的工作过程如下：当分组到达时，如果信道空闲，则立即发送该分组；如果信道忙

10、，则分组被延迟一段时间后，重新检测信道。 如果信道忙或发送时与其它分组碰撞，则该分组变成等待重传的分组。每个等待重传的分组将重复地尝试重传，重传间隔相互独立且服从指数分布。 非时隙 CSMA 控制算法描述 1) 若有分组等待发送，则转到第 2）步，否则处于空闲状态，等待分组到达。 2) 监测信道：若信道空闲，启动发送分组，发完返回第 1）步；若信道忙，放弃监测信道，选择一个随机时延的时间长度t 开始延时（此时节点处于退避状态）。 3) 延时结束，转至第 1）步。非时隙 CSMA 非时隙非坚持型 CSMA 多址协议的主要特点是在发送数据前先监测信道，一旦监测到信道忙时，能主动的退避一段时间（暂时

11、放弃监测信道） 图4. 非时隙非时隙CSMA碰撞机理碰撞机理时隙 CSMA 协议 非时隙非坚持 CSMA吞吐量为 时隙非坚持 CSMA吞吐量为 非时隙1-坚持CSMA吞吐量为 时隙1-坚持CSMA吞吐量为典型随机接入多址协议性能曲线提供的负载提供的负载 L因为的值小，时隙与非时隙1-坚持CSMA曲线是相同的=0.01图5. 随机接入多址协议性能曲线有碰撞检测的载波侦听型多址协议（有碰撞检测的载波侦听型多址协议（ CSMA/CD ） 前面讨论的 CSMA 协议由于在发送之前进行载波监听，所以减少了冲突的机会。但由于传播时延的存在，冲突还是不可避免的。只要发生冲突，信道就被浪费一段时间。 CSMA

12、/CD比CSMA又增加了一个功能，这就是边发送边监听。只要监听到信道上发生了冲突，则冲突的节点就必须停止发送。这样，信道就很快空闲下来，因而提高了信道的利用率。这种边发送边监听的功能称为冲突检测。 CSMA/CD 的工作过程如下：当一个节点有分组到达时，它首先侦听信道，看信道是否空闲。如果信道空闲，则立即发送分组；如果信道忙，则连续侦听信道，直至信道空闲后立即发送分组。该节点在发送分组的同时，监测信道秒，以便确定本节点的分组是否与其它节点发生碰撞。 如果没有发生碰撞，则该节点会无冲突地占用该总线，直至传输结束。如果发生碰撞，则该节点停止发送，随机时延一段时间后重复上述过程。（在实际应用时，发送

13、节点在检测到碰撞以后，还要产生一个阻塞信号来阻塞信道，以防止其它节点没有检测到碰撞而继续传输。）时隙预约多址协议（预约ALOA） 在前面介绍的几种随机多址接入技术中，我们可以看到它们共同的关键技术是如何最大限度的减少发送冲突，从而尽量提高信道利用率和系统吞吐率。 预约多址协议的要点就是最大限度的减少或消除随机因素，避免发送竞争所带来的对信道资源的无秩序竞争，使系统能按各节点的业务需求合理地分配信道资源。 在随机多址协议中，当数据分组发生碰撞时，整个分组都被破坏。如果分组较长，则信道的利用率较低。 当数据分组较长时，我们可以在数据分组传输之前，以一定的准则，发送一个很短的预约分组，为数据分组预约

14、一定的系统资源。如果预约分组成功传输，则该数据分组在预约到的系统资源（频率、时隙等）中无冲突的传输。由于预约分组所浪费的信道容量很少，因而提高了系统效率。预约ALOA 这种多址协议常用于卫星通信系统中。 假定每个预约的时隙仅预约一个分组传输的时隙，这时系统可达到的最大通过量为1/1+v。设数据分组的长度为1，预约分组的长度为v（通常v 1） 如果假定每个预约的时隙可以预约多个分组传输的时隙，这时帧长较长，则预约区间所占的比例很小，因而系统的通过率将趋于1。预约预约ALOHA图6. 预约ALOHA图7. 书上碰撞机理图PRMA（分组预约多址） PRMA是预约ALOHA派生的，它把TDMA和时隙A

15、LOHA结合在一起。它的优点是能利用话音激活检测器来检测人的话音激活周期(35%40%的单向讲话时间)及通过增加虚拟信道来增加无线电信道的容量。当频率复用系数K减少时，PRMA的运行可能不会太好。 PRMA协议设计用于随机分布的移动终端，通过上行链路接入基站，并充分利用有限的信道资源。PRMA结合了TDMA的带宽有效性及竞争协议时隙ALOHA的有效控制特性。在PRMA协议中，上行信道被分为预约时隙和可用时隙，移动终端使用时隙ALOHA协议竞争上行链路的可用时隙以接入基站。通过识别业务信息是周期的还是突发的来确定是否可以预约后续时隙。PRMA（分组预约多址） 终端通过分组头部的1bit来标志该分

16、组是属于周期信息分组还是突发信息分组。语音和视频通常被视为周期的，因为在通话期数据流是稳定的。数据分组可能是周期的也可能是突发的，这取决于他们是恒定比特流数据的一部分还是突发事件如键盘敲击产生的数据。较长的文件传输可以看作周期数据流。如果一个终端的业务类型为周期业务类型，通过在一个可用时隙成功传输一个分组，它就预约了后续帧中同一个时隙。分组传输完毕，该时隙为空。基站检测出来之后，就在随后的广播信息中通知各终端该时隙为可用时隙。如果终端的数据类型为突发数据，则不能预约后续时隙。每个分组都必须竞争可用时隙以获得接入。在传统的PRMA协议中，只有语音和视频可以预约时隙以减少分组接入时延，获得更好的性

17、能。而无论是周期的还是突发的数据分组，由于可以忍受较长的延迟，所以必须每个分组参与竞争。其他多址方案 PRMA*(分组预约多址*)是一种增强型PRMA版本，在此方式中，为了更好地管理信道，在原协议中的时隙分配和基于帧的结构可以动态地变化。集中式算法使变换易于实现。然而，仍保留了严密的TDMA传输方案。 BTMA(忙音多址)是解决秘密终端问题的一种技术。例如，两个终端可能处在受第三个终端干扰的距离内。在这种情况下，系统频谱带宽分成两类信道:信息信道和忙音信道。当用户终端在信息信道上侦听到信号时，它就接通忙音信道。当一用户终端检测到另一用户是在信息信道上，该用户终端就在忙音信道上发送告警信号通知其

18、他用户。这一技术用在移动台必须始终保持相互通信的军事通信领域中。其他多址方案 DSMA(数据侦听多址)用在AMPS(高级移动电话业务)、CDPD(蜂窝数字分组数据)和ARDIS(高级无线电数据信息业务)。DSMA是一种全双工无线数据通信网络。正向信道(基站到移动台)将忙闲比特发送到每个数据帧，当忙闲比特变为空闲时，通知用户终端发送。因此用户一旦接收，基站就转换成忙比特状态。 ISMA(空闲信号多址)是CSMA的一种改进型，是一种更灵活的分组接入技术。 RAMA(资源拍卖多址)是一种基于确定解决争用的快速指配资源和动态分配信道的技术。其他多址方案 CDPA(捕获分配分组接入)以分组交换技术为基础并在所有小区中使用相同信道。ALOHA重发机理用来解决不同小区传输之间的争用。在一小区内，CDPA使