[科普中国]-随机分配多址

多址通信技术在现代通信中起着重要作用。在卫星通信、计算机通信、移动通信等通信网络中,当多个用户通过一条公共信道与其他用户进行通信时,就必须采用某种多址技术。所谓多址技术是指允许两台或两台以上的发射机通过一条公共信道发送信号的技术。1

按照信道分配策略,多址技术通常又可分为三类:固定分配多址(FAMA-Fixed AssignmentMultiple Access)、按需分配多址(DAMA-Demand Assignment Multiple Access)和随机分配多址(Random AssignmentMultiple Access)。当网络由大量的用户组成,而这些用户又只是间歇性地工作时采用随机多址技术将提高信道的利用效率。

采用合理的信道分配策略, 对系统的性能（系统的容量、吞吐量、时延、频谱利用率等）将产生很大的影响。2

所谓随机分配多址技术就是指信道的使用是动态的, 但没有中心站进行统一的信道分配, 各站按一定方式随机地使用访问公共信道。

随机多址技术的主要优点是方便、灵活, 无需控制, 且具有大的用户数量。其缺点主要表现为当系统负荷较大时, 系统常常不稳定或吞吐量急剧减小。随机多址技术主要应用于用户信息数据量小, 信道占用时间很短, 而用户随机突发性强及无需网络控制的场合或信令信道。随机多址技术主要采用分组方式。2

Aloha是世界上最早的无线电计算机通信网。它是1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。70年代初研制成功一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络，也是最早最基本的无线数据通信协议。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。

在随机地址技术中, Aloha是最简单的。多址用户只要一有数据就可以马上发送。在一定时间内未收到应答信号, 则随机等待一段时间再次发送,直到发送成功为止。此种多址方式适合用户数少、系统负荷不是很大的网络, 主要应用于无线数据通信网由于Aloha多址方式的系统吞吐量低, 目前除了在信令信道中尚有应用外, 在无线通信网中已很少采用。不过Aloha开创了随机多址的先河, 是其他随机多址技术的基础。2

S-Aloha只能应用于固定包长的网络中。系统按照一帧数据包所占用的时间来划分时隙。每个要发送数据的用户必须从时隙的起始开始发送数据包。2

CSMA是载波检测（侦听）多路访问。它检测其他站的活动情况，据此调整自己的行为。分为以下几类：

（1）1-持续CSMA(1-persistent CSMA)：当信道忙或发生冲突时，要发送帧的站，不断持续侦听，一有空闲，便可发送。 其中，长的传播延迟和同时发送帧，会导致多次冲突，降低系统性能。

（2）非持续CSMA：它并不持续侦听信道，而是在冲突时，等待随机的一段时间。它有更好的信道利用率，但导致更长延迟。

（3）p-持续CSMA：它应用于分槽信道，按照P概率发送帧。即信道空闲时，这个时槽，欲发送的站P概率发送，Q=1-P概率不发送。若不发送，下一时槽仍空闲，同理进行发送。若信道忙，则等待下一时槽，若冲突，则等待随机的一段时间，重新开始。3

CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。

CSMA/CD是CSMA的一种改进型, 是在总线网络特别是有线网中用得最多的一种协议, 它是通过监听公共信道是否有载波来判断信道的忙闲,并在数据包发出后检测是否发生碰撞, 如有碰撞立即停止发送, 随机等待一段时间再次发送, 直到发送成功为止。CSMA/CD的吞吐量受传播时延和电台的收发转换时间的影响。在时延很小的情况下, 它在理论上具有相当高吞吐量。但对于无线网, 载波监听十分困难, 有隐藏终端的问题, 一般不被采用。2

在无线网中由于有隐藏结点（即每个结点不知道也不可能知道整个网络的实时情况），因此无法“检测”所以CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）载波侦听多路访问冲突避免 就应运而生了，它是利用RTS/CTS（即类似TCP的握手协议)的应答策略来保证在传输中结点不会再接受请求，从而解决了无线网中的冲突。

DSMA(数字监听多址接人方式)与CSMA类似, 其区别在于终端站是通过监听广播信道上中心站发出的“ 忙音” 来决定是否发送数据, 所以又称为忙音多址接入方式。在分组接入网中、因终端之间距离遥远电波不能到达, 或因环境影响而不能相互通信的终端称为隐式终端。隐式终端将引起冲突增加, 吞吐量下降。采用方式可以有效地消除隐式终端。主要应用于分组无线网。2

由图可以看出,两个系统最大吞吐量相等,且吞吐量特性基本相同,只是在负载相对较轻的情况下,固定分配系统由于均衡了分组数与到达率,使各信道总到达率相同,其吞吐量略微高于随机系统,而负载较重时,随机系统的吞吐量略微高于固定系统,固定系统固定分配信道,缺乏灵活性,随机系统中,用户随机选择信道,分组碰撞概率减少,提高信道的利用率,因此,随机分配系统适用于较重负载的网络,而固定分配系统适用于轻负载的网络。3

通过对比两个系统的曲线 ,固定分配系统的信道延时性能优于随机系统 ,固定分配系统适用于实时性网络 。 两图的共同点在于 :当到达率相同时 ,随着传输延迟的增大 ,吞吐量下降 。 这是因为信道传输延时增加 ,成功发送的分组数减少 ,碰撞增多 ,吞吐量下降 ,如果系统延时过大 ,网络可能会因此而进入恶性瘫痪状态 ;而且当到达率不断增大时 ,必须通过降低系统延时才能保证有较高的吞吐量 。3

优先级高的业务流能获得高吞吐量,优先级低的吞吐量小。 这是因为优先级高的业务流所分配的信道数多,分组通过多信道分别传输,成功发送概率提高,吞吐量增大,优先级低的业务流所分配的信道数少,随着负载的加重,信道中分组碰撞几率增大,吞吐量下降,因此随机系统不宜在负载较重的网络中使用。3