第54卷 第3期2021年3月
通信技术
Communications Technology
Vol.54 No.3
Mar. 2021
文献引用格式：李源，石燕华，刘翠萍，等.一种基于卫星通信系统的可变时隙ALOHA协议分析[J].通信技 术，2021，54（3）：642-646. LI Yuan,SHI Yanhua,LIU Cuiping,et al.Analysis of a Variable Slot ALOHA Protocol based on
Satellite Communication System[J].Communications Technology,2021,54(3):642-646.
doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2021.03.018
一种基于卫星通信系统的可变时隙ALOHA协议分析*
李 源，石燕华，刘翠萍，邵俊松
（75841部队，云南 昆明 650034）
摘 要：多址接入技术是卫星通信中最重要的技术之一，而ALOHA协议是卫星通信特别是卫星分组通信中常用的多址接入技术。通过分析研究，纯ALOHA协议结构简单，容易实现，但系统吞吐率低。在此基础上，人们提出时隙ALOHA协议，能使系统的吞吐率提高最大一倍。为进一步改善系统传输性能，对时隙长度作可变调整，提出了一种新的ALOHA协议——可变时隙ALOHA 协议。理论计算和仿真实验表明，该协议在一定程度上降低了系统的空闲率，提高了系统吞吐率。 关键词：卫星通信；ALOHA协议；S-ALOHA协议；可变时隙ALOHA协议
轮道中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1002-0802(2021)-03-0642-05
Analysis of a Variable Slot ALOHA Protocol based on
Satellite Communication System
LI Yuan, SHI Yanhua, LIU Cuiping, SHAO Junsong
(Unit 75841 of PLA, Kunming Yunnan 650034, China)
Abstract: Multiple access technology is one of the most important technologies in satellite communication, and ALOHA protocol is a common multiple access technology in satellite communication, especially in satellite packet communications. Through analysis and research, although ALOHA protocol is simple in structure and easy to implement, the system throughput is low. On this basis, slotted ALOHA protocol is proposed to double the system throughput. In order to further improve the transmission performance of the system and make variable adjustments to the length of the time slot, a new ALOHA protocol-the variable time slot ALOHA protocol is proposed. Theoretical calculations and simulation experiments indicate that this method can reduce the idle rate of the system to a certain extent and improve the throughput of the system.
Keywords: satellite communication; ALOHA protocol; S-ALOHA protocol; variable slot ALOHA protocol
0 引 言
多址通信技术就是网中多个用户共同利用一个公共信道与其他用户进行通信的方式，也称多址联接技术，在卫星通信、移动通信以及计算机通信等现代通信网络中得到了广泛应用。根据信道资源的不同分配方式，多址技术通常又分为固定分配、按需分配和随机多址方式等3类。ALOHA方式及其各种衍
生协议是在卫星通信系统中得到广泛应用的随机多址接入方式。本文在研究分析ALOHA和S-ALOHA协议基础上，提出一种可变时隙ALOHA
* 收稿日期：2020-11-21；修回日期：2021-02-10 Received date:2020-11-21;Revised date:2021-02-10
图1 ALOHA 分组发送示意
可以得到一个完整段长度的均值为：
()1
d 1t t q G
=+ （1）
划分容易得到：
（2）协议实现方式简单，数据分组随时发送，初次接入的时延较小，且数据分组长度随机可变，特别适用于传输分组数量不大且具有大量需要间歇性工作的发射机网络。通过分析，ALOHA 协=G e -2G 。当负载为0.5时，系统的
最大平均吞吐率只能达到0.184。随着负载的进一
步加大，发生碰撞的分组数量不断增多，会导致系统吞吐率迅速下降，使得系统进入不稳定工作区，因此需要进一步改进和提高。
2 S-ALOHA（Slotted-ALOHA）协议
北大院长面试学霸S-ALOHA（Slotted-ALOHA）隙-ALOHA 协议。为了提高P-ALOHA 率（信道利用率），1972年人们提出了一种改进型协议，即S-ALOHA 协议[2]。它的根本思想是用设立系统公共时钟来统一用户的数据发送基准时刻。
图2 时隙ALOHA 分组发送示意
这样时间轴上就有数据分组被成功发送、数据分组发生碰撞和时隙空闲（无数据分组发送）3种情况。如果将数据分组发生碰撞和空闲看成为一种复合事件，这样在时间轴上的事件只有两种事件，即报文数据分组被成功发送的事件（U）和数据分组发生碰撞及时隙空闲的复合事件（BI），且这两种事件在时间轴上是不断循环发生的，循环周期为为一个循环周期内成功的分组个数。N BI 为一个循环周期内碰撞和空闲的次数。通过以上假定，有：
()
()
摩托车下乡补贴(
)()
U BI 1
1
e
1e 1e i
j
j i
j
G G
续作指南
j G
i p p i G G G ∞
=∞
−−=−=
−=∑∑ （3）
1e
G −
（4）
())()U U BI 1e 11
G E N G E N −×=×+× （5）
综上所述，S-ALOHA 协议的系统吞吐率S =G e -G 。 比P-ALOHA 协议提高一倍，信道利用率相应提高
一倍。但是，对于S-ALOHA 系统，全网需要定时和同步，且数据分组长度必须是固定的，用户数据的平均传输时间要高于P-ALOHA 了实现的复杂性。此外，S-ALOHA 着不稳定性。
3 可变时隙ALOHA
（VariabIe SIot-ALOHA） 协议
针对P-ALOHA 协议和S-ALOHA 不足，为提高卫星分组通信系统的传输性能和可靠性，本文提出一种可变时隙ALOHA 为VS-ALOHA 协议。当系统处于空闲时，时隙长度为a (a ≤1)；当有分组到来时，时隙长度为采用两个不同的时隙（用两个不同时钟控制）对应不同的事件，将空闲时隙长度设为随机可变，就可以减少空闲时间，提高系统吞吐率和信道利用率。3.1 系统原理
剖腹自杀假定初始时系统处于时隙长为当有信息分组进行发送时，概率为隙长为1，并从该时隙开始处进入长为
图3 VS-ALOHA 系统信息分组发送原理
在可变时隙ALOHA 多址接入协议控制下，利用平均周期法进行计算[4-5]，可得系统的空闲率为：
I
BU
1e G
aG
N N −−=
×=+×−
（6）
系统的吞吐率为：
)e e e e aG aG G aG
G G
a −−−−−++−
（7）
retaillink
可以看出，当a =1时，有S =G ALOHA 的吞吐率。a 越小，S 越大。当S 达到极大值，即：
20e ()
lim e G G
a G G S G −−→+=
+ 3.3 性能分析
对S-ALOHA 协议模拟值和理论值进行比较，如图4所示，理论值与计算机模拟结果一致。当a =0.8时，s 约为0.4，当a 取0.000 10.54，这充分说明，基于减小空闲时隙长度原理的可变时隙ALOHA 系统是真实可行的，该系统与时隙ALOHA 系统相比，吞吐率有了明显的提高。
图4 a 取值为0.8和0.000 1时的VS-ALOHA 理论值和仿真值
P-ALOHA 和S-ALOHA 协议相比，不论在轻负载情况下还是重负载情况下，VS-ALOHA 协议均可达到较高的吞吐率。这是由于P-ALOHA 系统没有采取任何避免冲突的策略，数据分组随到随发，因此发生碰撞的可能性大，而S-ALOHA 和VS-ALOHA 系统都利用设置时隙来避免冲突，且对VS-ALOHA 系统而言，当信道处于空闲期时，一旦有分组到达就立即发送（空闲期时隙长度节约了等待时间，缩短了信道空闲周期，提高了信道利用率，极大地改善了其性能。所以，由图
理工程师，主要研究方向为有线通信；
邵俊松（1985—），男，硕士，助理工程师，主要研究方向为通信网络运维管理。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议