aloha[世界上最早的無線電計算機通信網]

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是世界上最早的無線電計算機通信網。它是1968年美國夏威夷大學的一項研究計畫的名字。70年代初研製成功一種使用無線廣播技術的分組交換計算機網路,也是最早最基本的無線數據通信協定。取名ALOHA,是夏威夷人表示致意的問候語,這項研究計畫的目的是要解決夏威夷群島之間的通信問題。Aloha網路可以使分散在各島的多個用戶通過無線電信道來使用中心計算機,從而實現一點到多點的數據通信。

基本信息

背景

ALOHA系統模型 ALOHA系統模型

第一個使用無線電廣播來代替點到點連線線路作為通信設施的計算機系統是夏威夷大學的ALOHA系統。它始建於1971年,這個系統所採用的技術是地面無線電廣播技術,採用的協定就是有名的ALOHA協定,叫做純ALOHA(Pure ALOHA)。以後,在此基礎上,又有了許多改進過的ALOHA協定被用於衛星廣播網和其它廣播網路。

從通信的角度來說,地球同步通信衛星相當於在太空中安裝了一個固定的微波轉播台,由它與地球上的衛星地面站進行互相通信,或者通過地球通信衛星上的轉發器,實現地面站之間的通信,已經出現了頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)等多種技術的通信方式。

九十年代是移動通信大發展的年代,它的迅速發展基於以下幾個方面原因:

* 用戶迫切希望能隨時隨地與對方直接、收集各種信息、處理緊迫問題。

*移動通信設備的集成化、小型化使設備的重量、尺寸減小到可以隨身攜帶,方便。 .技術的不斷改進,價格的不斷下降。

* 可覆蓋常規通信設施不能到達的地區,甚至在城市間漫遊。

移動通信的發展已迅速經歷了第一代、第二代的演變並出現了第三代移動通信。第一代的代表是運用模擬通信技術,但在新業務的發展和新技術的套用方面,受到一定的限制。隨著通信網的數位化,出現了以數字蜂窩移動通信技術為代表的第二代通信。移動通信的數位化可以使電路集成度進一步提高,因而體積、重量進一步減小,價格也更為便宜,更重要的是除了通話之外,還可接通傳真、圖文和高速數據通信可以接入計算機網,還可以進入綜合業務數字網(ISDN),適應各種新的通信業務的發展。此外移動通信的主題就是“個人通信”,設備的體積、重量更趨小型化,桌上的電話機將轉變為小總機,均勻分布於各樓層、各街道及公共場所,行動電話機將變得象計算器、鋼筆和手錶一樣。隨身攜帶的袖珍機通過分散式的任何一個小總機就可接入通信網,隨時隨地進行通信,這將是電話通信的一次革命,有人稱之為“最理想的通信”。

分類

ALOHA協定分為純ALOHA協定和時隙ALOHA兩種。

純ALOHA協定

時隙ALOHA吞吐量 時隙ALOHA吞吐量

純ALOHA協定的思想很簡單,只要用戶有數據要傳送,就儘管讓他們傳送。當然,這樣會產生衝突從而造成幀的破壞。但是,由於廣播信道具有反饋性,因此傳送方可以在傳送數據的過程中進行衝突檢測,將接收到的數據與緩衝區的數據進行比較,就可以知道數據幀是否遭到破壞。同樣的道理,其他用戶也是按照此過程工作。如果傳送方知道數據幀遭到破壞(即檢測到衝突),那么它可以等待一段隨機長的時間後重發該幀。

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對於區域網路LAN,反饋信息很快就可以得到;而對於衛星網,傳送方要在 270ms 後才能確認數據傳送是否成功。通過研究證明,純ALOHA協定的信道利用率最大不超過18.4%( )。

純ALOHA協定 的工作原理和特點

工作原理:站點只要產生幀,就立即傳送到信道上;規定時間內若收到應答,表示傳送成功,否則重發。

重發策略:等待一段隨機的時間,然後重發;如再次衝突,則再等待一段隨機的時間,直到重發成功為止

優點:簡單易行

缺點:極容易衝突

競爭系統:多個用戶以某種可能導致衝突的方式共享公用信道的系統

純ALOHA協定性能分析

T0 幀的傳送時延

吞吐量S 在幀的傳送時間T0內成功傳送的平均幀數

網路負載G 在T0內總共傳送的平均幀數(包括傳送成功的幀和因衝突未傳送成功的幀)。

則:

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吞吐量

極大值為 G = 0.5時,S = 0.184

時隙ALOHA(S-ALOHA)

1972年,Roberts發明了一種能把信道利用率提高一倍的信道分配策略,即時隙ALOHA協定。他的思想是用時鐘來統一用戶的數據傳送。辦法是將時間分為離散的時間片,用戶每次必須等到下一個時間片才能開始傳送數據,從而避免了用戶傳送數據的隨意性,減少了數據產生衝突的可能性,提高了信道的利用率。在時隙ALOHA系統中,計算機並不是在用戶按下回車鍵後就立即傳送數據,而是要等到下一個時間片開始時才傳送。這樣,連續的純ALOHA就變成離散的時隙ALOHA。由於衝突的危險區平均減少為純ALOHA的一半,因此時隙ALOHA的信道利用率可以達到36.8%(1/e),是純ALOHA協定的兩倍。但對於時隙ALOHA,用戶數據的平均傳輸時間要高於純ALOHA系統。

工作原理

基本思想:把信道時間分成離散的時間槽,槽長為一個幀所需的傳送時間。每個站點只能在時槽開始時才允許傳送。其他過程與純ALOHA協定相同。

時隙ALOHA和純ALOHA比較 時隙ALOHA和純ALOHA比較
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信道效率:衝突危險區是純ALOHA的一半,所以, ;與純ALOHA協定相比,降低了產生衝突的機率,信道利用率最高為36.8%。重發策略:同純ALOHA ,等待一段隨機的時間,然後重發;如再次衝突,則再等待一段隨機的時間,直到重發成功為止。

代價:需要全網同步;可設定一個特殊站點,由該站點傳送時鐘信號

時隙ALOHA協定性能分析:

T0 一個數據幀的傳送時間

吞吐量S 在幀的傳送時間T0內成功傳送的平均幀數

網路負載G 在T0內總共傳送的平均幀數(包括傳送成功的幀和因衝突未傳送成功的幀)。

則:

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吞吐量

極大值為 G = 1.0時,S = 0.368

組成

ALOHA時隙 ALOHA時隙

ALOHA網的組成框圖,可以把它分為五個部分。

用戶終端

包括智慧型終端和簡單終端。

用戶接口

執行通信控制部件,例如終端控制器。集中器。用戶終端和用戶接口組成節點。

無線電通信子

由各端收發信機及轉發器組成通信子網。

通信處理機

(IMP):位於中央節點,處理用戶訪問和通信控制。

網路資源

包括本地各台主機以及其他網路。中央IMP與網路資源組成中央節點。經過TIP(是ARPA網的終端接口處理機),中央IMP可與ARPA網的IMP(接口信息處理機)相連線,使ALOHA網的用戶終端可訪問其他網終的資源。

通信方式

廣播和競爭。

從中央節點傳送信息到各用戶節點,採用廣播方式,在UHF頻帶區使用413.475MHz的頻率,占用 100KMz的信道,中央IMP傳送的任何信息,正常情況下各用戶終端控制器都能到。從各用戶節點到中央節點,採用隨機的競爭方式,以 407.350MHz的頻率,也占用100KHz信道。如果各用戶不同時傳送信息,IMP可以正確收到;如果各用戶同時傳送信息,則會發生衝突,使信息不可識別,必須要重發。顯然,信息的衝突會降低傳輸效率。但是考慮到各用戶的數據報文較短(即占用信道時間較短),傳送信息的性帶有突發性和斷續性,因此這種隨機性訪問網路方式還是可行的。

訪問方式

ALOHA訪問方式 ALOHA訪問方式

網路中多個用戶共用一個信道,因此採用競爭方式,各自隨機地訪問中央系統。由於產生衝突現象,使傳輸效率或網路的吞吐率降低。

純ALOHA法

(Pure--ALOHA)

傳送站向網路傳送的報文分組內,包含目的地址和源地址,並在傳送起動計時器,根據在一預定時間內有沒有得到接收應答信號來判斷這個報文分組是否安全到達目的地。對用戶的傳送,不加以限制,就很容易發生衝突,造成重發報文組。

發生衝突以後,有兩種解決措施。一種辦法,是給每個用戶規定一個互不相同的重發時延,即根據優先程度給予用戶重發權利,達到避免再次衝突。另一種辦法,是對每個用戶隨機地選取重發時延,例如時延可在0.2s到1.5s的範圍內選取。當然,最小時延應考慮用戶收到來自中央IMP的確認(ACK),如果太短的話,用戶因可能尚未收到ACK而執行不必要的重發。傳輸效率一般以單位時間內傳輸的有效信息量與額定的信道容量之比值來表示,以此衡量各種訪問網路方法的性能。純ALOHA法的傳輸效率較低,約有18.4%。

開糟法

通過劃分相等的時間片,每個時間片對於一個幀,指定用戶在每個時間的開始端傳送信息,不允許終端在任何時候傳送,由於強加這一種限制,減少了時間片內中間衝突的機率,並且,如果在開始端發生衝突,也只會浪費這個時間片。每個時間片的長度,要合理設計。因為從各個用戶的報文分組到達中央系統的傳輸延遲不同,最大的報文分組長度相關於第一個報文分組首部到達時刻與最後一個報文分組尾部到時刻之時間差值,由這個先後到達的時間差值,選擇每個時間片的寬度。對擁有中等數量用戶的系統,時間片法的傳輸效率約為36.8%,如果用戶數量較少,傳輸效率還可提高。

衛星通信

ALOHA

如前所述,ALOHA的問題是信道效率低,對於純ALOHA,只有0.184效率,即使是開糟ALOHA,也只有0.368(可以通過分析,精確計算而得)。

在衛星通信中也運用開糟ALOHA,分成上行信道和下行信道。每個信道具有2Bbps分配頻寬中的一半,即頻寬Bbps,吞吐量將是B/ebps,信道效率就是(B/e)/2B,或者是1/2e,約為0.184。由於衛星通信要求每個幀都由衛星重新廣播,與每個站可以直接聽到原傳送的ALOHA系統相比,效率只有一半。

如圖所示的是具有兩個上行信道和一個下行信道的ALOHA系統。有幀傳送的站隨機地選擇兩個上行信道中的一個,在下一個時間片中傳送。每個上行信道就是一個獨立的開糟的ALOHA信道。經分析下行信道的利用率為0。599。這一方案所占用的總頻寬為3B,吞量為0.599B,所以此方案的效率約為 0.20,或者說比只有一個上行信道和下行信道的系統效率0.184高9%。

如以具體數據來說明,假設數據傳送可用1Mbps頻寬,如果按照500kbps為上行信道,500kbps為下行信道來分配,吞吐量最多將為 184kbps。然而如果分配成兩個333kbps的上行信道和一個333kbps的下行信道,吞吐量最多將達2o0kbps。由此可見,有兩個上行信道的系統就要比只有一個上行信道和一個下行信道系統有所改進。

不過,在有兩個上行信道的系統中如果兩幀一起成功地到達了,其中一個必須丟棄,因為只有一個下行信道。這裡可能有兩種改進方法:一種是在衛星上增加存儲容量,使得不立即重新廣播的幀能夠保存起來等待以後的時間片。另一種是增加下行信道。從衛星增加存儲器的要求而論,需附加能源,這意味著將帶入空間更多的太陽電池和更大的重量。早期的衛星沒有任何存儲幀和以後重新廣播的措施,隨著衛星技術的進步,衛星上帶存儲器更為常見,在以後還開發了具有衛星存儲器和多波束的衛星。

預約

預約ALOHA 預約ALOHA

預約ALOHA(Reservation ALOHA)為了在信道高負載情況下,更好地利用單個共享信道,按照時分多路復用的原理,對每個站預定分配一個時間片,要允許它在相對應的時間片傳送報文分組。根據預約申請和釋放的方法之不同可以有以下幾種不同形式的預約方案。

第一種是Binder在1975年提出的,如TDM那樣,N個連續時間片組合在一起成為一個組,每個站預擁有它自已的時間片位置。如果時間片數比站點數多,多餘的時間片不分配給其它任何站點。如果一個時間片的擁有站不想在當前的組中使用它,就不做任何事,此時間片就成為空時間片。空時間片是給其它任何站的一個信號,表明擁有者沒有通信量。在下一組中,這個時間片就在競爭的基礎上,為所有想用的站所爭用。如果擁有者想恢復他的時間片,他傳送一個幀,這樣強加了一個碰撞(如果有其它通信的話)。在碰撞之後,除了擁有者外的其它站必須停止使用該時間片,這樣擁有者總是可以在不超過兩個組的時間內開始傳送。在每次碰撞之後,碰撞者必須避開一個組以觀察擁有者是否想要收回那個時間片。

這個方案的微小不足處是:每當一個時間片的擁有者不想用,這個位置必須在下一組中空閒以表明其擁有者不用它。為了消除這種浪費掉的時間片,可以在所有幀的頭部附加一位來通知別人,其擁有者在下一組中有沒有數據。

然而另一嚴重問題在於用戶數必須事先知道,否則,當這種情況發生時的仲裁是:每個用戶分配給一個優先權,在衝突時低優先權服從高優先權用戶。

第二種是Crowther等人在1973年提出的,適用於知站點數目點和站點數動態改變的情況。在此方法中,時間片沒有永的擁有者,而每當一個傳送成功,就給予這個傳送站在下一組中也使用此時間片的權利。這樣,在一個站有數據傳送期間,它可以無限期地連續這樣做。既然所有的站點為不可能同時有長數據傳送,這種方法甚至當每組時間片數遠於站點數時也可工作。在本屬上,這種方法是一種開糟ALOHA與TDM的動態混合,讓專用於每個站的時間片數量隨著要求變化。在一個有8個時間片的組中,初始時,E使用最後一個時間片,但是兩個組以後,它不再需要。此時間片空閒了一個組後,D獲得了該時間片並且一直保持到完成。

第三種是Roberts方案,要求站點在傳送前先申請。每個組包含一個特別的時間片,它被分割成V個小的子時間片用於預約。當一個站想要傳送數據,它就在其中某一個預約子時間片內廣播一個短的申請幀,然後下一個規則是時間片(或一些時間片)就被預約。在所有的時候,每個站都必須保持一個佇列長度的軌跡(預約時間片數),使得當任何一個站作一項成預約時,他將知道在傳送前應該跳過多少數據時間片。站不必保留誰排隊的軌跡,它們只需要知道佇列有多長,當佇列長度跌到0,所有的時間片轉化預約子時間片,加以速預約過程。

1979年Jacobs等人提出把TDM和上述方法結合起來處理流數據突發數據等兩種形式的數據。他們的協定PODA(Priority Oriented Demand Assigment)和其它協定一樣把時間片集合成組,它保留其中一部分作為數據傳送用而其它部分作為預約子時間片。這兩種之間的界限隨要求而變。分配預約時間片有兩種策略:把預約子時間片固定分配給用戶,叫做FPOD,或者競爭分配預約子時間片,叫做CPDOA。PDOA的一個有趣特點是站點通過在數據幀中置某些位來預約的能力,以使重發用戶不必等待下一個預約子時間為(FPDOA0),或者去競爭一個預約時間片(CPDOA)。預約信息包括幀的大小與優先權,可以為單個幀,或為幀流進行預約。

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