虛擬信道多址方案

1、背景介紹 傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)采用基于電路交換的固定分配多址協(xié)議（FDMA、TDMA、CDMA），這在主要支持恒定比特率業(yè)務(wù)語(yǔ)音的階段比較實(shí)用。但第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)不僅支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)，同時(shí)還要支持突發(fā)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用固定分配多址協(xié)議就會(huì)降低系統(tǒng)資源利用率以及服務(wù)效率，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的阻塞。而完全采用基于分組交換的競(jìng)爭(zhēng)多址接入?yún)f(xié)議（ALOHA、CSMA等）又不能滿(mǎn)足話音業(yè)務(wù)的需求。1989年，D.J.Goodman提出了分組預(yù)約多址接入?yún)f(xié)議（PRMA）。虛擬信道的多址方案 虛擬信道的多址方案采用隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議。 隨機(jī)多址協(xié)議又叫做有競(jìng)爭(zhēng)的多址接入?yún)f(xié)議。各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位是等同的，通過(guò)

2、競(jìng)爭(zhēng)獲得信道的使用權(quán)。 隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議可分為： 完全隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議（ ALOHA 協(xié)議） 載波偵聽(tīng)型多址接入?yún)f(xié)議 不論是哪種隨機(jī)多址接入?yún)f(xié)議，我們主要關(guān)心兩個(gè)方面的問(wèn)題： 穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的通過(guò)率和時(shí)延性能 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ALOHA 協(xié)議 ALOHA 協(xié)議是 70 年代 Hawaii 大學(xué)建立的在多個(gè)數(shù)據(jù)終端到計(jì)算中心之間的通信網(wǎng)絡(luò)中使用的協(xié)議。 其基本思想是：若一個(gè)空閑的節(jié)點(diǎn)有一個(gè)分組到達(dá)，則立即發(fā)送該分組，并期望不會(huì)和其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞。 純ALOHA 協(xié)議 純ALOHA 協(xié)議是最基本的 ALOHA 協(xié)議。 只要有新的分組到達(dá)，就立即被發(fā)送并期望不與別的分組發(fā)生碰撞。一旦分組發(fā)生碰撞，則隨

3、機(jī)退避一段時(shí)間后進(jìn)行重傳。 如果從數(shù)據(jù)分組開(kāi)始發(fā)送的時(shí)間起點(diǎn)到其傳輸結(jié)束的這段時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有其它數(shù)據(jù)分組發(fā)送，則該分組就不會(huì)和其它分組發(fā)生碰撞。 在什么情況圖1中陰影部分表示的數(shù)據(jù)分組（在t0+t時(shí)刻產(chǎn)生的分組）可以不受任何干擾的發(fā)送呢？與陰影幀的開(kāi)與陰影幀的開(kāi)始碰撞始碰撞與陰影幀的結(jié)與陰影幀的結(jié)尾碰撞尾碰撞圖1. 純ALOHA 碰撞機(jī)理碰撞機(jī)理純ALOHA 協(xié)議 假設(shè)系統(tǒng)中所有分組的長(zhǎng)度相等，傳輸數(shù)據(jù)分組所需的時(shí)間定義為系統(tǒng)的單位時(shí)間，為了簡(jiǎn)化描述，令該值等于t，(下面的分析中令 t 等于1）。 我們將時(shí)間區(qū)間t0，t0+2t稱(chēng)為陰影分組（在t0+t時(shí)刻產(chǎn)生的分組）的易受破壞區(qū)間。 很顯然，在

4、純ALOHA協(xié)議中，只有在數(shù)據(jù)分組的易受破壞區(qū)間內(nèi)沒(méi)有其它分組到達(dá)，則該分組可以成功傳輸。純ALOHA 協(xié)議 為了分析方便，設(shè)系統(tǒng)有無(wú)窮多個(gè)節(jié)點(diǎn)，假定重傳的時(shí)延足夠隨機(jī)，重傳分組和新到達(dá)分組合成的分組流是到達(dá)率為L(zhǎng)的Poisson到達(dá)過(guò)程。則在純ALOHA系統(tǒng)中，一個(gè)分組成功傳輸?shù)母怕?，就是在其產(chǎn)生時(shí)刻前一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)沒(méi)有分組發(fā)送，并且在該分組產(chǎn)生時(shí)刻的后一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)僅有一個(gè)分組（即該分組本身）發(fā)送的概率。 根據(jù)泊松公式，在單位時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生n個(gè)分組的概率是 則根據(jù)上面的分析，我們可以得到在純ALOHA系統(tǒng)中，分組成功傳輸?shù)母怕始傾LOHA 協(xié)議 系統(tǒng)的通過(guò)率（單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)分組成功傳輸?shù)母怕?/p>

5、） 對(duì)上式求最大值，可得系統(tǒng)的最大通過(guò)率為1/2e0.184 此時(shí)對(duì)應(yīng)的L=0.5 可見(jiàn)，效率很低。時(shí)隙 ALOHA 協(xié)議 從前面的描述中可以看到，在純ALOHA協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)只要有分組就發(fā)送，易受破壞區(qū)間為兩個(gè)單位時(shí)間。如果我們縮小易受破壞區(qū)間，就可以減少分組碰撞的概率，提高系統(tǒng)的利用率?；谶@一出發(fā)點(diǎn)，提出了時(shí)隙 ALOHA 協(xié)議。 時(shí)隙 ALOHA系統(tǒng)將時(shí)間軸劃分為若干個(gè)時(shí)隙，所有節(jié)點(diǎn)同步，各節(jié)點(diǎn)只能在時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻才能夠發(fā)送分組，時(shí)隙寬度等于一個(gè)分組的傳輸時(shí)間。 當(dāng)一個(gè)分組在某時(shí)隙到達(dá)后，它將在下一時(shí)隙開(kāi)始傳輸，并期望不會(huì)與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞。 如果在某時(shí)隙內(nèi)，僅有一個(gè)分組到達(dá)（包括新到達(dá)

6、的分組和重傳分組的到達(dá)），則該分組會(huì)傳輸成功。 如果在某時(shí)隙內(nèi)到達(dá)兩個(gè)或兩個(gè)以上的分組，則將會(huì)發(fā)生碰撞。碰撞的分組將在以后的時(shí)隙中重傳。 很顯然，此時(shí)的易受破壞區(qū)間長(zhǎng)度減少為一個(gè)單位時(shí)間（時(shí)隙）。 時(shí)隙 ALOHA 協(xié)議 假定系統(tǒng)有無(wú)窮多個(gè)節(jié)點(diǎn) 在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)有一個(gè)分組成功傳輸?shù)母怕蕿長(zhǎng) e-L，它被定義為系統(tǒng)的通過(guò)率S（或離開(kāi)系統(tǒng)的速率），即S=L e-L 如果分組的長(zhǎng)度為一個(gè)時(shí)隙寬度，則系統(tǒng)的通過(guò)率就是指在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)成功傳輸所占的比例（或有一個(gè)分組成功傳輸?shù)母怕剩?其最大通過(guò)率為1/e0.368，對(duì)應(yīng)的 L=1圖2. 時(shí)隙ALOHA 碰撞機(jī)理碰撞機(jī)理ALOHA的通過(guò)率曲線L圖3. ALOH

7、A的通過(guò)率曲線ALOHA 協(xié)議例子 例 若干個(gè)終端用純 ALOHA 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議與遠(yuǎn)端主機(jī)通信，信道速率為 2.4kb/s。每個(gè)終端平均每3分鐘發(fā)送一個(gè)幀，幀長(zhǎng)為 200bit，問(wèn)系統(tǒng)中最多可容納多少個(gè)終端？若采用時(shí)隙 ALOHA 協(xié)議，其結(jié)果又如何？ 設(shè)可容納的終端數(shù)為N。每個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率是 由于純ALOHA系統(tǒng)的最大系統(tǒng)通過(guò)率為1/2e，則有 若采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議，最大通過(guò)率為1/e，則有載波偵聽(tīng)型多址協(xié)議載波偵聽(tīng)型多址協(xié)議 CSMA 是從 ALOHA 協(xié)議演變出的一種改進(jìn)型協(xié)議，它采用了附加的硬件裝置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠檢測(cè)（偵聽(tīng)）到信道上有無(wú)分組在傳輸。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)有分組要傳輸，

8、它首先檢測(cè)信道是否空閑，如果信道有其他分組在傳輸，則該節(jié)點(diǎn)可以等到信道空閑后再傳輸，這樣可以減少要發(fā)送的分組與正在傳輸?shù)姆纸M之間的碰撞，提高系統(tǒng)的利用率。 CSMA 協(xié)議可細(xì)分為幾種不同的實(shí)現(xiàn)形式： 非堅(jiān)持型（ Non-persistent）CSMA 1-堅(jiān)持型 CSMA CSMA 所謂非堅(jiān)持型 CSMA 是指當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，若信道空閑，則立即發(fā)送分組；若信道處于忙狀態(tài)，則分組的發(fā)送將被延遲，且節(jié)點(diǎn)不再跟蹤信道的狀態(tài)（即節(jié)點(diǎn)暫時(shí)不檢測(cè)信道），延遲結(jié)束后節(jié)點(diǎn)再次檢測(cè)信道狀態(tài)，并重復(fù)上述過(guò)程，如此循環(huán)，直到將該分組發(fā)送成功為止。 所謂 1-堅(jiān)持型 CSMA 是指當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，若信道空閑，則立即發(fā)送分

9、組；若信道處于忙狀態(tài)，則該節(jié)點(diǎn)一直堅(jiān)持檢測(cè)信道狀態(tài)，直至檢測(cè)到信道空閑后，立即發(fā)送該分組。檢測(cè)時(shí)延 眾所周知，由于電信號(hào)在介質(zhì)中的傳播時(shí)延，在不同的觀察點(diǎn)上監(jiān)測(cè)到同一信道的出現(xiàn)或消失的時(shí)刻是不相同的。因此，在 CSMA 多址協(xié)議中，影響系統(tǒng)性能的主要參數(shù)是（信道）載波的檢測(cè)時(shí)延。 它包括兩部分：發(fā)送節(jié)點(diǎn)到檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延和物理層檢測(cè)時(shí)延（即檢測(cè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始檢測(cè)到檢測(cè)節(jié)點(diǎn)給出信道是忙或閑所需的時(shí)間）。 設(shè)信道速率為C bit/s，分組長(zhǎng)度為 L bit ，則歸一化的載波偵聽(tīng)（檢測(cè)）時(shí)延為非時(shí)隙 CSMA 非時(shí)隙 CSMA 協(xié)議的工作過(guò)程如下：當(dāng)分組到達(dá)時(shí)，如果信道空閑，則立即發(fā)送該分組；如果信道忙

10、，則分組被延遲一段時(shí)間后，重新檢測(cè)信道。 如果信道忙或發(fā)送時(shí)與其它分組碰撞，則該分組變成等待重傳的分組。每個(gè)等待重傳的分組將重復(fù)地嘗試重傳，重傳間隔相互獨(dú)立且服從指數(shù)分布。 非時(shí)隙 CSMA 控制算法描述 1) 若有分組等待發(fā)送，則轉(zhuǎn)到第 2）步，否則處于空閑狀態(tài)，等待分組到達(dá)。 2) 監(jiān)測(cè)信道：若信道空閑，啟動(dòng)發(fā)送分組，發(fā)完返回第 1）步；若信道忙，放棄監(jiān)測(cè)信道，選擇一個(gè)隨機(jī)時(shí)延的時(shí)間長(zhǎng)度t 開(kāi)始延時(shí)（此時(shí)節(jié)點(diǎn)處于退避狀態(tài)）。 3) 延時(shí)結(jié)束，轉(zhuǎn)至第 1）步。非時(shí)隙 CSMA 非時(shí)隙非堅(jiān)持型 CSMA 多址協(xié)議的主要特點(diǎn)是在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)測(cè)信道，一旦監(jiān)測(cè)到信道忙時(shí)，能主動(dòng)的退避一段時(shí)間（暫時(shí)

11、放棄監(jiān)測(cè)信道） 圖4. 非時(shí)隙非時(shí)隙CSMA碰撞機(jī)理碰撞機(jī)理時(shí)隙 CSMA 協(xié)議 非時(shí)隙非堅(jiān)持 CSMA吞吐量為 時(shí)隙非堅(jiān)持 CSMA吞吐量為 非時(shí)隙1-堅(jiān)持CSMA吞吐量為 時(shí)隙1-堅(jiān)持CSMA吞吐量為典型隨機(jī)接入多址協(xié)議性能曲線提供的負(fù)載提供的負(fù)載 L因?yàn)榈闹敌?，時(shí)隙與非時(shí)隙1-堅(jiān)持CSMA曲線是相同的=0.01圖5. 隨機(jī)接入多址協(xié)議性能曲線有碰撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)型多址協(xié)議（有碰撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)型多址協(xié)議（ CSMA/CD ） 前面討論的 CSMA 協(xié)議由于在發(fā)送之前進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，所以減少了沖突的機(jī)會(huì)。但由于傳播時(shí)延的存在，沖突還是不可避免的。只要發(fā)生沖突，信道就被浪費(fèi)一段時(shí)間。 CSMA

12、/CD比CSMA又增加了一個(gè)功能，這就是邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng)。只要監(jiān)聽(tīng)到信道上發(fā)生了沖突，則沖突的節(jié)點(diǎn)就必須停止發(fā)送。這樣，信道就很快空閑下來(lái)，因而提高了信道的利用率。這種邊發(fā)送邊監(jiān)聽(tīng)的功能稱(chēng)為沖突檢測(cè)。 CSMA/CD 的工作過(guò)程如下：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有分組到達(dá)時(shí)，它首先偵聽(tīng)信道，看信道是否空閑。如果信道空閑，則立即發(fā)送分組；如果信道忙，則連續(xù)偵聽(tīng)信道，直至信道空閑后立即發(fā)送分組。該節(jié)點(diǎn)在發(fā)送分組的同時(shí)，監(jiān)測(cè)信道秒，以便確定本節(jié)點(diǎn)的分組是否與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞。 如果沒(méi)有發(fā)生碰撞，則該節(jié)點(diǎn)會(huì)無(wú)沖突地占用該總線，直至傳輸結(jié)束。如果發(fā)生碰撞，則該節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送，隨機(jī)時(shí)延一段時(shí)間后重復(fù)上述過(guò)程。（在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)送

13、節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到碰撞以后，還要產(chǎn)生一個(gè)阻塞信號(hào)來(lái)阻塞信道，以防止其它節(jié)點(diǎn)沒(méi)有檢測(cè)到碰撞而繼續(xù)傳輸。）時(shí)隙預(yù)約多址協(xié)議（預(yù)約ALOA） 在前面介紹的幾種隨機(jī)多址接入技術(shù)中，我們可以看到它們共同的關(guān)鍵技術(shù)是如何最大限度的減少發(fā)送沖突，從而盡量提高信道利用率和系統(tǒng)吞吐率。 預(yù)約多址協(xié)議的要點(diǎn)就是最大限度的減少或消除隨機(jī)因素，避免發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)所帶來(lái)的對(duì)信道資源的無(wú)秩序競(jìng)爭(zhēng)，使系統(tǒng)能按各節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求合理地分配信道資源。 在隨機(jī)多址協(xié)議中，當(dāng)數(shù)據(jù)分組發(fā)生碰撞時(shí)，整個(gè)分組都被破壞。如果分組較長(zhǎng)，則信道的利用率較低。 當(dāng)數(shù)據(jù)分組較長(zhǎng)時(shí)，我們可以在數(shù)據(jù)分組傳輸之前，以一定的準(zhǔn)則，發(fā)送一個(gè)很短的預(yù)約分組，為數(shù)據(jù)分組預(yù)約

14、一定的系統(tǒng)資源。如果預(yù)約分組成功傳輸，則該數(shù)據(jù)分組在預(yù)約到的系統(tǒng)資源（頻率、時(shí)隙等）中無(wú)沖突的傳輸。由于預(yù)約分組所浪費(fèi)的信道容量很少，因而提高了系統(tǒng)效率。預(yù)約ALOA 這種多址協(xié)議常用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。 假定每個(gè)預(yù)約的時(shí)隙僅預(yù)約一個(gè)分組傳輸?shù)臅r(shí)隙，這時(shí)系統(tǒng)可達(dá)到的最大通過(guò)量為1/1+v。設(shè)數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度為1，預(yù)約分組的長(zhǎng)度為v（通常v 1） 如果假定每個(gè)預(yù)約的時(shí)隙可以預(yù)約多個(gè)分組傳輸?shù)臅r(shí)隙，這時(shí)幀長(zhǎng)較長(zhǎng)，則預(yù)約區(qū)間所占的比例很小，因而系統(tǒng)的通過(guò)率將趨于1。預(yù)約預(yù)約ALOHA圖6. 預(yù)約ALOHA圖7. 書(shū)上碰撞機(jī)理圖PRMA（分組預(yù)約多址） PRMA是預(yù)約ALOHA派生的，它把TDMA和時(shí)隙A

15、LOHA結(jié)合在一起。它的優(yōu)點(diǎn)是能利用話音激活檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)人的話音激活周期(35%40%的單向講話時(shí)間)及通過(guò)增加虛擬信道來(lái)增加無(wú)線電信道的容量。當(dāng)頻率復(fù)用系數(shù)K減少時(shí)，PRMA的運(yùn)行可能不會(huì)太好。 PRMA協(xié)議設(shè)計(jì)用于隨機(jī)分布的移動(dòng)終端，通過(guò)上行鏈路接入基站，并充分利用有限的信道資源。PRMA結(jié)合了TDMA的帶寬有效性及競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議時(shí)隙ALOHA的有效控制特性。在PRMA協(xié)議中，上行信道被分為預(yù)約時(shí)隙和可用時(shí)隙，移動(dòng)終端使用時(shí)隙ALOHA協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)上行鏈路的可用時(shí)隙以接入基站。通過(guò)識(shí)別業(yè)務(wù)信息是周期的還是突發(fā)的來(lái)確定是否可以預(yù)約后續(xù)時(shí)隙。PRMA（分組預(yù)約多址） 終端通過(guò)分組頭部的1bit來(lái)標(biāo)志該分

16、組是屬于周期信息分組還是突發(fā)信息分組。語(yǔ)音和視頻通常被視為周期的，因?yàn)樵谕ㄔ捚跀?shù)據(jù)流是穩(wěn)定的。數(shù)據(jù)分組可能是周期的也可能是突發(fā)的，這取決于他們是恒定比特流數(shù)據(jù)的一部分還是突發(fā)事件如鍵盤(pán)敲擊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。較長(zhǎng)的文件傳輸可以看作周期數(shù)據(jù)流。如果一個(gè)終端的業(yè)務(wù)類(lèi)型為周期業(yè)務(wù)類(lèi)型，通過(guò)在一個(gè)可用時(shí)隙成功傳輸一個(gè)分組，它就預(yù)約了后續(xù)幀中同一個(gè)時(shí)隙。分組傳輸完畢，該時(shí)隙為空?；緳z測(cè)出來(lái)之后，就在隨后的廣播信息中通知各終端該時(shí)隙為可用時(shí)隙。如果終端的數(shù)據(jù)類(lèi)型為突發(fā)數(shù)據(jù)，則不能預(yù)約后續(xù)時(shí)隙。每個(gè)分組都必須競(jìng)爭(zhēng)可用時(shí)隙以獲得接入。在傳統(tǒng)的PRMA協(xié)議中，只有語(yǔ)音和視頻可以預(yù)約時(shí)隙以減少分組接入時(shí)延，獲得更好的性

17、能。而無(wú)論是周期的還是突發(fā)的數(shù)據(jù)分組，由于可以忍受較長(zhǎng)的延遲，所以必須每個(gè)分組參與競(jìng)爭(zhēng)。其他多址方案 PRMA*(分組預(yù)約多址*)是一種增強(qiáng)型PRMA版本，在此方式中，為了更好地管理信道，在原協(xié)議中的時(shí)隙分配和基于幀的結(jié)構(gòu)可以動(dòng)態(tài)地變化。集中式算法使變換易于實(shí)現(xiàn)。然而，仍保留了嚴(yán)密的TDMA傳輸方案。 BTMA(忙音多址)是解決秘密終端問(wèn)題的一種技術(shù)。例如，兩個(gè)終端可能處在受第三個(gè)終端干擾的距離內(nèi)。在這種情況下，系統(tǒng)頻譜帶寬分成兩類(lèi)信道:信息信道和忙音信道。當(dāng)用戶(hù)終端在信息信道上偵聽(tīng)到信號(hào)時(shí)，它就接通忙音信道。當(dāng)一用戶(hù)終端檢測(cè)到另一用戶(hù)是在信息信道上，該用戶(hù)終端就在忙音信道上發(fā)送告警信號(hào)通知其

18、他用戶(hù)。這一技術(shù)用在移動(dòng)臺(tái)必須始終保持相互通信的軍事通信領(lǐng)域中。其他多址方案 DSMA(數(shù)據(jù)偵聽(tīng)多址)用在AMPS(高級(jí)移動(dòng)電話業(yè)務(wù))、CDPD(蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù))和ARDIS(高級(jí)無(wú)線電數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù))。DSMA是一種全雙工無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。正向信道(基站到移動(dòng)臺(tái))將忙閑比特發(fā)送到每個(gè)數(shù)據(jù)幀，當(dāng)忙閑比特變?yōu)榭臻e時(shí)，通知用戶(hù)終端發(fā)送。因此用戶(hù)一旦接收，基站就轉(zhuǎn)換成忙比特狀態(tài)。 ISMA(空閑信號(hào)多址)是CSMA的一種改進(jìn)型，是一種更靈活的分組接入技術(shù)。 RAMA(資源拍賣(mài)多址)是一種基于確定解決爭(zhēng)用的快速指配資源和動(dòng)態(tài)分配信道的技術(shù)。其他多址方案 CDPA(捕獲分配分組接入)以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)并在所有小區(qū)中使用相同信道。ALOHA重發(fā)機(jī)理用來(lái)解決不同小區(qū)傳輸之間的爭(zhēng)用。在一小區(qū)內(nèi)，CDPA使