随机接入技术ALOHA

1.ALOHA协议概述在数据网络中，目前已得到广泛应用的随机多址接入技术有两类：ALOHA多址和扩频码分多址（CDMA），它们是两种不同类型随机多址技术，在理论研究和实际应用中均占有重要地位。

ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信，可以使分散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。

最初是由夏威夷大学研究出来为了解决夏威夷群岛间通信问题的，自1970年以来，已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议[1][2]。

它的主要优点为：允许大量间断性工作的发射机共享同一个信道，不需要路由选择与交换，建网简单。

利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中每个用户提供单独接口。

但是ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络，而在于它首次在无线信道中引入了数据包广播结构，使每个用户随时都可以给另一个用户发送信息，完全不需要同步。

ALOHA系统分为两种典型的类型：纯ALOHA（P-ALOHA）和时隙ALOHA（S-ALOHA）。

下面将分别从他们的性能一一分析。

2.纯ALOHA协议纯ALOHA基本思想是：当用户有帧即可发送，采用冲突监听与随机重发机制。

这样的系统是竞争系统(contention system)。

在P-ALOHA系统中，任何时间有一用户要发送信息时，立即以定长信息包形式，将欲发送出去的信息送入信道。

即用户以随机方式抢占信道。

因为信道是广播式的，如果没有冲突出现，则认为是发射成功；若通信用户和其它用户发生碰撞，信息包和一个或更多其它用户信息包重叠，则发射失败，必须重发。

若还重叠，则随机独立的重新排定碰撞信息包，再一次重发，直至发射成功。

图2-1示出了P-ALOHA信道的典型例子。

有三个用户A,B,C共享一个ALOHA信道。

为了简化问题，我们假设传播时延为零。

即认为3个站点（用户）非常靠近。

计算机网络与通信（第2版）习题参考答案1.6 比较电路交换、存储转发交换、报文交换和分组交换的区别。

（1）电路交换的基本原理是在源端和目的端间实时地建立起电路连接，构成一条信息通道，专供两端用户通信。

通信期间，信道一直被通信双方用户占有，通信结束，立即释放。

线路交换的特点是：数据传输可靠、迅速、有序，但线路利用率低、浪费严重，不适合计算机网络。

（2）存储转发交换是在传统的电路交换技术的基础上提出的。

存储转发和电路交换的主要区别是：发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网，通信子网中的结点要负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。

存储转发交换包括报文交换和分组交换两种。

（3）报文交换采用"存储-转发"方式进行传送，无需事先建立线路，事后更无需拆除。

它的优点是：线路利用率高、故障的影响小、可以实现多目的报文；缺点是：延迟时间长且不定、对中间节点的要求高、通信不可靠、失序等，不适合计算机网络。

（4）分组交换中数据以短分组的形式传输，分组长度一般为1000字节。

如果发送端有更长的报文需要发送，那么这个报文被分割成一个分组序列，每个分组由控制信息和用户数据两部分组成。

分组交换适用于计算机网络，在实际应用中有两种类型：虚电路方式和数据报方式。

分组交换的优点是：高效、灵活、迅速、可靠、经济，但存在如下的缺点：有一定的延迟时间、额外的开销会影响传输效率、实现技术复杂等。

2.1 （1）双绞线：是最常见的、最经济的传输媒质，主要用于网络和建筑物的通信线路；（2）同轴电缆：主要应用于电视转播、长途传输、近距离的计算机系统连接、局域网等；3）光纤：主要用在长途电信中；2.11 什么是扩频通信？基本的扩频技术有哪两种？试分析其基本原理。

扩频(spread spectrum)的基本思想是将携带信息的信号扩散到较宽的带宽中，用以加大干扰及窃听的难度。

计算机网络原理ALOHAAloha协议或称Aloha技术、Aloha网，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。

取名Aloha，是夏威夷人表示致意的问候语，这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。

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。

1．ALOHA多址技术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，当多个用户通过一个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个公共信道发送信号的技术。

按照信道资源的共享方式，多址技术通常又可分为三类：固定分配多址(FAMA-Fixed Assignment Multiple Access)、按需分配多址(DAMA-Demand Assignment Multiple Access)和随机多址(Random Multiple Access)。

FAMA又分为频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。

FDMA 只适用于用户数比较少，通信业务量又比较稳定的网络。

DAMA根据用户的需要为其分配一定的信道容量，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况，但实现DAMA 需要一个专用信道，供所有用户以固定分配或随机接入方式提出呼叫申请。

当网络由大量用户组成，而这些用户又只是间歇性地工作时，采用FDMA或DAMA效率便很低，故需要采用随机多址技术。

目前已得到广泛应用的随机多址技术有两类：扩频码分多址(SS／CDMA)和ALOHA多址。

2．回顾ALOHA网在60年代末期，随着数据业务的迅速增长，现有的电话网络已不能满足计算机联网的需要。

其基本原因在于，传统的电话网是多年前为连续话音通信设计的。

5.3.1 附录B 随机接入技术：ALOHA在20世纪70年代初期夏威夷大学首次试验成功随机接入。

这是为了使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机。

由于无线电信道是一个公用信道，一个站发送的信息可以同时被多个站收到，而每个站又是随机发送的，因此这种系统是一个随机接入系统。

夏威夷大学早期研制的系统称为ALOHA，是Additive Link On-line HAwaii system的缩写，而ALOHA恰好又是夏威夷方言的“你好”。

下面先介绍纯ALOHA。

B.1 纯ALOHA1. 工作原理样做就必然会继续产生碰撞。

ALOHA系统采用的重传策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重传。

如再发生碰撞，则需再等待一段随机的时间，直到重传成功为止。

图中其余的一些帧的发送情况是帧4发送成功，而帧5和帧6发生碰撞。

2. 性能分析下面我们来分析纯ALOHA 的一些主要性能，这就是吞吐量和平均时延的计算。

为便于分析，我们在图B-2中用最下面的一个坐标将所有各站的发送情况都画在一起，用一个垂直向下的箭头表示某个帧的开始发送(可以和上面各站的发送情况对照来看)。

从图中可看出，一个帧如欲发送成功，必须在该帧发送时刻之前和之后各一段时间T 0内(一共有2T 0的时间间隔)，没有其他帧的发送。

否则就必产生碰撞而导致发送失败。

例如，帧3发送时刻之前T 0的时间内，出现帧2的发送，因此帧3和帧2的发送都要失败。

而帧4的发送时刻之前和之后的时间T 0内，没有其他帧的发送，因此帧4的发送必定成功。

我们可以把每发送一个帧看成是有一个帧到达ALOHA 网络。

这样，一个帧发送成功的条件，就是该帧与该帧前后的两个帧的到达时间间隔均大于T 0。

我们设帧的到达服从泊松分布。

但这并不完全符合实际情况。

这是因为，虽然大量的站同时随机地发送数据帧时，在每个站的通信量都很小的条件下，整个系统的帧到达可看成是泊松过程，但在出现重传过程时，这样的到达过程就不再是泊松过程，而是一个与重传策略有关的较为复杂的过程。

水声通信组网及应用一、水声通信组网水声通信网络协议在物理层之上，解决多个节点之间数据传输的问题，主要研究内容包括媒体访问控制协议(MAC)、路由协议、同步和定位技术等。

用于水声通信网络中的竞争性媒体访问控制协议一般可分为以下三类：随机接入的Aloha协议、握手方式的MACAW协议、载波侦听冲突检测的CSMA/CS协议。

CSMA/CS协议需要专门的侦听硬件和算法支持，一般用于吞吐量较大的组网中，在海洋环境监测组网中不常用。

因而，对于海洋环境监测水声通信组网，如果数据较短，采用Aloha 协议，发射端直接使用信道发送数据，收到正确应答即完成一次传输过程，避免握手带来的开销；如果数据较长，采用MACAW协议，在数据发射之前发送端利用握手信号占据信道使用权，保证传输不被其他节点干扰。

路由协议需根据网络的拓扑结构、数据产生的时间周期、数据流的方向、节点布放的灵活性来综合考虑。

对于海洋环境监测，网络拓扑一般中心式拓扑结合多跳转发的结构，图1 所示是2014年5月南中国海试验的结构。

数据传输一般在中心网关和观测节点之间发生，不要求任意两个观测节点之间的相互数据访问。

中心网关向观测节点下发命令，观测数据按固定时间周期经观测潜标回传至中心网关。

大部分观测节点为固定布放，允许移动节点接入。

另外，水声信道的时变特点可能导致链路的短时中断，各节点的电量需要均衡使用，因而要求水声通信网络具有对路由表进行优化的能力。

图1 水声通信网试验的网络拓扑图二、应用情景分析水声网络观测技术的应用情景主要有：（一）海洋立体观测在深海潜标的不同深度设置多个观测节点，在海底布设多个观测站，通过水声通信网络把各观测设备数据传输到主控器，再通过移动节点将数据取走或通过卫星将数据发送到岸站，解决了水下设备难以用电缆连接的问题。

（二）突发事态的海洋观测在出现类似石油平台爆炸沉没、海上油田溢油、水下输油管泄漏等突发污染事故，以及赤潮爆发等突发生态事件时，采用水声网络观测技术可以快速响应，投放位置和传感器类型选择灵活，观测数据实时性和连续性好。

ALOHA协议的填空题
一、填空题
1、按照多个用户与一个主机连接的方法来划分，信道共享技术主要有( )和( )两大类。

(第四章信道共享技术知识点信道共享技术的分类答案:通过集中器或复用器与主机相连、使用多点接入技术)
2、多点接入技术可划分为( )和( )两种。

(第四章信道共享技术知识点信道共享技术的分类答案:受控接入、随机接入)
3、受控技术的特点是各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。

这又可分为两种，即( )和( )。

(第四章信道共享技术知识点多点接入技术答案:集中式控制、分散式控制
4、属于集中式控制的有多点线路( ),即主机按一定顺序逐个询问各用户有无信息发送。

如有，则被询问的用户就立即将信息发给主
机;如无，则再询问下一站。

5、随机接入可分为( )、( )和( )三种。

二、简答题
1、简述纯ALOHA协议的工作原理。

(第四章信道共享技术知识点随机接入技术)
答案:一个纯ALOHA系统的工作原理如下图所示。

每一个站均自由地发送数据帧。

aloha协议Aloha协议。

Aloha协议是一种用于多点数据传输的协议，最早由夏威夷大学提出。

它是一种简单而有效的协议，适用于无线网络、卫星通信等多点传输场景。

Aloha协议的提出对后来的网络通信协议设计产生了深远的影响，本文将对Aloha协议的原理、特点和应用进行介绍。

Aloha协议的原理非常简单，它允许多个发送方在同一信道上进行数据传输。

当一个发送方有数据要发送时，它就直接发送出去。

如果发送的数据没有发生冲突，那么接收方就能够正确接收到数据；如果发生了冲突，发送方会在一段随机的时间后重新发送数据。

这种随机的重传机制使得Aloha协议具有一定的抗干扰能力，能够在一定程度上提高数据传输的成功率。

Aloha协议有两种不同的实现方式，分别是纯Aloha和载波监听多点接入协议（CSMA）。

纯Aloha是最早提出的版本，它的特点是发送方在发送数据之前不会进行任何检测，直接发送出去。

而CSMA协议则是在发送数据之前会先监听信道，如果信道上有其他数据正在传输，就会等待一段时间再进行发送。

CSMA协议相对于纯Aloha来说，能够减少冲突的发生，提高了信道的利用率。

Aloha协议的应用非常广泛，特别是在无线传感器网络、卫星通信、无线局域网等领域有着重要的地位。

在无线传感器网络中，由于节点分布广泛，很难进行集中式的调度，因此Aloha协议能够很好地满足节点之间的数据传输需求。

在卫星通信领域，Aloha协议能够有效地提高卫星通信系统的数据传输效率，降低成本。

在无线局域网中，Aloha协议也被广泛应用，特别是在低负载情况下，能够提供较高的信道利用率。

总的来说，Aloha协议作为一种简单而有效的多点数据传输协议，对于无线网络、卫星通信等领域有着重要的意义。

它的成功应用不仅促进了相关领域的发展，也为后续的通信协议设计提供了有益的借鉴。

随着通信技术的不断发展，相信Aloha协议在未来会有更广泛的应用。

故障现象：随机接入是移动终端与网络在Um口建立无线连接的重要步骤,是接入网络时发生的第一个事件。

位臵更新、主叫起呼、响应寻呼、紧急呼叫、呼叫重建等情况下都将触发随机接入,所以随机接入成功率是影响网络性能的一项重要指标。

在使用爱立信设备后,发现存在大量随机接入失败较高的小区,为此,我们进行了专题的分析与总结。

原因分析：随机接入失败原因有很多，主要有以下几个方面：1. 同BCCH/BSIC、同临频干扰这是最常见的影响随机接入成功率的原因。

由于网络规模和容量的不断提高再加上频率规划的不合理，使得同临频复用的间距越来越小，势必造成因BCCH 上行干扰，而导致BTS 不能正确解码RACH 上的接入请求消息（表现为信息错误编码）。

对于同频（BCCH）小区来说，尽管BSIC 参与了随机接入信道的编码译码过程（为得到36bit 的RACH 突发脉冲消息字段，在8bit 的消息比特基础上，加上6bit 的色码，这6bit 的色码是通过将6bit 的BSIC 和6bit 的奇偶校验码加和取模2 而获得的。

然后再加上4bit 的尾位，这样就得到了18bit，再将这18bit 按照1:2 的卷积编码速率，最后得到RACH 突发脉冲上36bit 的消息位；解码过程与此相反，当小区收到一个接入脉冲，在解码的过程中将比较自己的BSIC。

如果相同，则进行下一步解码，如果不同，将丢弃之并产生相应的误码检测告警），但如果两个具有相同BCCH/BSIC 的小区相距不足够远，则手机发出的RACH 上的“CHANNEL REQUEST”消息会被这两个小区都收到，这样就会使得较远处小区接收RACH 时产生译码错误或TA 超限导致随机接入失败（由于手机与较远处小区未同步），即使随机接入译码成功也不能成功给移动台指配信道，甚至有可能干扰近处小区的立即指配等。

另一方面，在GSM 系统的空中接口UM 中，随机接入（RANDOM ACCESS）（RACH 上发送）和切换接入（HANDOVER ACCESS）（FACCH 上发送）均使用相同的编码和脉冲方式，即使用8 位信息码加上6 位奇偶校验位，并且这6 位奇偶校验位和目标小区的BSIC 相异或（加和模2）。