基于ＡＬＯＨＡ的ＯＣＤＭＡ接入网ＭＡＣ协议 研究 【郑直】 ｌ＿圜 ＿ 目￣ＯＣＤＭＡ（光码分多址）接入网协议基本上都是基于ＡＬｏＨ Ａ－ＣＤＭＡ， 使得同一信道中可能有多个数据包，造成阻塞 为避免这种情况，文章结合无 线射频识别中的抗碰撞、动态帧结构、标签识别等思想，提出一种新￣ＡＬＯＨＡ一 一 关键词：光码分多址接入网协议ＡＬｏＨＡ＿ｏｃＤＭＡ算法 郑直 ． 男，重庆邮电大学光电工程学院微光机电研究所，硕士，主要从事ＯＣＤＭＡ＃４ 入网的ＭＡＣ协议研究工作。 １ 引言 ＯｃＤＭＡ技术的研究可以追溯到上个世纪７Ｏ年代末。 １ ９７８￣，Ｅ．Ｍａ ｒ。ｍ提出采用光纤延迟线进行光信号处 用场合主要针对传送网 和局域网 。随着ｏｃＤＭＡ技术 不断发展，驱使研究者寻找ＯｃＤＭＡ技术的新的应用领 域，光接入是接入网的发展趋势，ＯｃＤＭＡ是接入网中一 理，为ＯｃＤＭＡ技术提供了理论和实验研究的基础；１９８９ 年，Ｊａｗａ￣Ａ．ＳａＩｅｈＩ提出采用光正交码的ＯＣＤＭＡ理论和 实验方法，被认为是这一领域的起点。随着光器件的快速 种理想的接入方式。因此，基于ＯｃＤＭＡ技术的宽带光接 入网极具竞争力，成为新的研究热点。ＯＣＤＭＡ技术是一 种扩频技术，每个工作站采用各自的码字发送和接收信 发展，比如具有高速调制性能的宽光谱光源、高速光开 关、ＦＢＧ、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅ Ｇｕｉｄｅ）等都有了极大的 发展。上个世纪９０年代以来，ＯＣＤＭＡ技术得到快速发展 并引起广泛重视，成为光通信研究的热点。迄今为止，国 内外有关ＯＣＤＭＡ的学术论文和研究报道在５０Ｏ篇以上。 在对ＯＣＤＭＡ系统进行深入研究的基础上，ＯＣＤＭＡ 网络应用研究也日益受到重视。早期的ＯＣＤＭＡ技术的应 息，在码字足够多（相对工作站数目）时，ＯＣＤＭＡ网络具 有随机接人，没有接入延时的巨大优点，非常适合多媒体 信息传输的要求，特别适合具有实时通信要求的多媒体用 户。但在实际接入网络中，工作站数量的不断增加以及各 类多媒体信息对网络传输质量的高要求，需要一种更适合 工作站数量大于（或远大于）ＯＣＤＭＡ系统所能提供的理想 码字数目的控制协议，从而有效地解决这种供需矛盾。 ２０１ ０．４‘广东通信技术 新技术．新业务 ２ 算法描述 就目前而言，几乎现有的协议都是基于时隙ＡＬＯＨＡ— ＣＤＭＡ，它把时间划分成离散、等间隔的时隙，每个时隙 对应一个分组，即分组所需的传输时间恰好等于时隙长 度。用户在每个时隙开始的时候发送数据，进行随机接 入，这样可以多个用户使用同一个信道，在增加信道的同 时就可以增加网络吞吐量。中心站通过地址码的相关性来 区分不同的用户。 利用ＡＬＯＨＡ—ＣＤＭＡ协议，将时间划分成等间隔时 隙，用户只能在每个时隙开始的时候发送数据，否则自动 等待下一个时隙再进行发送。这样会使同一信道中可能有 多个数据包，造成阻塞。为避免这种情况，我们需要寻找 种更好的方法，来尽可能避免这种情况。目前现有的协 议还远不能满足飞速发展的通信业务，究其原因，总结为 以下几点： （１）当网络负载较重的时候，多用户干扰更严重，导 致分组发送成功的概率大大降低，网络吞吐性能急剧下降。 （２）分组数据包长度较长时，网络吞吐量也会大大 下降。 （３）码长的限制。码长越长，碰撞的概率就越小， 反之，就越大，但是在实际运用中，由于器件的限制，码 长太长会使得有效发送数据的速率下降。 从以上几点可以看出，我们需要找到一种更好的方 法来满足发展的需要。 在无线射频识别系统（ＲＦＩＤ）中，碰撞（即阻塞）是一个 非常常见的一个问题，如何防冲突、碰撞是实现标签快速 识别的关键 。射频识别系统是由两个部分组成：一个是 标签，一个是读写器。目前解决ＲＦＩＤ标签阅读冲突问题 主要是基于两种防冲突算法即：基于时隙ＡＬＯＨＡ的防冲 突算法和基于树结构的防冲突算法。这与通信系统有着极 其相似之处，鉴于此思想，本文提出一种抗碰撞动态帧时 隙ＡＬＯＨＡ－ＯＣＤＭＡ算法，使得信道中分组数据的碰撞大 大减少，同时没了码长的限制，从而提高系统吞吐量。 ２。１算法基本思想 将信道用帧结构表示，每帧分为多个时隙（ｓｌｏｔ），每个 标签随机选择一个时隙来发送自己的识别码信息，在整个 信息帧的时间内，每个标签只响应一次，如图１所示。图中 每个方块代表一个标签发出的识别码信息，这样发射机在 ３８ 一新＝技＝术一．一新亚 一 整个接收过程中遇到的标签回复有３种情况：成功、阻塞、 空闲，它们分别代表信道中某一时隙内传输有一个分组数 据包，两个及以上分组数据包，没有分组数据包，发射机 分别接ｑ２］￣Ｊｉ－个标签，两个标签（若遇到两个以上，只需要 判断两个即可，则可认为已产生阻塞），没有标签。 ＿＿＝ Ｉ Ｉ Ｉ 成功钥 ＂ＶＩ￣Ｊ 褒成功成Ｊ ＪＪ Ｉ１１ｉ寒 图１时隙ＡＬＯＨＡ算法帧结构 ２．２动态帧时隙 在将帧结构分为多个时隙的时候，传统的时隙 ＡＬＯＨＡ．￣构，将时间分为等间隔的时隙，也就是固定时 隙数（即时隙数ｎ为常数），使得ＡＬＯＨＡ协议有着众所周 知的不稳定性和上限为１／ｅ（－－０．３８６）系统吞吐量 （每时隙 成功传输数据包的期望值）。为了消除这种不稳定性，增 加系统吞吐量，动态帧时隙 加 Ｅ解决这种问题。 图２动态帧时隙创建过程 如图２所示，在分组数据进入队列缓存器的同时，阅 读器发送请求命令给其覆盖下的所有分组，以此创建一个 阅读循环。应答器得到标签回复之后，通过识别到的标签 总数估计分组数量，然后立即发送信息给发射机，让其根 据即将进入的分组数量来将信道进行动态帧结构划分：如 果标签总数小于使系统吞吐量达到最大值的数量，那么减 少帧长，否则增加帧长；如果标签总数超出系统允许的最 大值，那么用取模的方式将标签分成几个子集，再按以上 的方法进行读取，每一个读取周期里，读写器都估计现场 的标签总数，调整帧长，以保证系统能以最大的效率进行 基于ＡＬＯＨＡ的ＯＣＤＭＡ接入网ＭＡＣ协议研究 工作。用户在每个时隙开始的时候随机接入，发送分组数 总数Ｎ＞系统吞吐量Ｄ，则增加帧长。 （２）当标签总数Ｎ＞系统允许的最大值Ｃ 。 ，则 将Ｎ按照取模的方式划分成ｋ份，即ｋ＝ｍｏｄ（Ｎ，ｍ）， 据（否则自动等待进入下一时隙再进行传输），分组数据 在队列缓存器中进行排队，等待时隙开始的时候进行接 入。分组数据包随机选择一个可用时隙，系统分配其一个 码字作为ｌＤ。之后发射机随即分配码字给接收机，告知接 收机该数据包的ＩＤ，让接收机明确目标地址，同时发送标 ｒｎ＝（１，２，３…），每份按照上一步的原则来进行计算。 ３结论 ＡＬＯＨＡ算法操作简便，便于进行实际应用，但 ＡＬＯＨＡ算法在应用中随着标签数量的增大，性能将会急 剧恶化，但是结合了源自于无线射频识别（ＲＦＩＤ）的抗 碰撞算法之后，对标签的识别将会大大提高，从而将使得 ＡＬＯＨＡ在高负载的情况下同样能发挥较好的性能。 签，监听信道，通过信道中标签的回复情况（任意给定时 隙，只有３种结果：成功、阻塞、空闲）判断是否发生阻 塞。若已发生阻塞，则认为数据发送失败，让其自动请求 重发（ＡＲＱ），被发射机确认之后，再次发送，若多次发 送失败，抛弃此数据包。 参考文献 ２，３算法原理及流程 阅读器发送请求命令给其覆盖下的所有分组，由此 创建一个阅读循环。Ｍ个数据包进入后，随机接入，形成 了ａ个空时隙，ｂ个成功时隙，ｃ－＇ｔ－冲突时隙，从而得到标 签数Ｎ，￣．Ｊ１Ｎ＝ａ＋ｂ＋ｃ，设定系统吞吐量为Ｄ，系统允许最 大值Ｃ…，帧长Ｌ。如图３所示，在做动态帧结构划分时， 按照以下的方法来决定： 阅凄循环 １ Ｋｉｔａｙａｍａ Ｋ．Ｃｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｂａｓｅｄ ｕｐｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａｓ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９８，７（１６）：１３０９—１３１９ ２ Ｓｏｔｏｂａｙａｓｈｉ Ｈ，Ｃｈｕｊｏ Ｗ，Ｋｉｔａｙａｍａ Ｋ．Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｄｅ／ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｐａｔｈ ｎｅｔｗｏｒｋ．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏｐｉｃ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，８（３）：６９９－７０８ ３ Ｍａｒｉｃ Ｓ Ｖ，Ｚｏｒａｎ Ｉ Ｋ．Ａ．Ｎｅｗ ｆａｍｉｌｙ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｄｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｕｓｅ ｉｎ ｓｐｒｅａｄ－－ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｆｉｂｅｒ－－ｏｐｔｉｃ ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ＣＯｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． １９９３，８（１４１）：１２１７—１２２１ ４ 皮扬，刘长江．动态分配时隙ＡＬＯＨＡ抗碰撞算法．计算机工程， ２００９。７（３５）：２６９—２７２ ５ 廉国斌．射频识别系统中的防碰撞算法研究．计算机技术与发 展，２００９，１（１ ９），３６—４２ ６ Ｆｒｉｔｓ Ｃ．Ｓｃｈｏｕｔｅ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｍｅ ｌｅｎｇｔｈ ＡＬＯＨＡ．ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１ ９８３，３１（４）：５６５—５６８ ７ Ｗｅｎ—Ｔｚｕ Ｃｈｅｎ．Ａｎ ａｃｃｕｒａｔｅ ｔａｇ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ＲＦＩＤ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｍｅ ｌｅｎｇｔｈ ＡＬＯＨＡ．ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９， ６（１）：９—１５ ８ 徐圆圆，曾隽芳，刘禹．基于ＡＬＯＨＡ算法的帧长及分组数改进 帧Ｋ＝划分 图３抗碰撞动态帧时隙ＡＬＯＨＡ—ＯＣＤＭＡ算法流程 （１）当标签总数Ｎ 系统允许的最大值Ｃ 。 ， （１）若 标签总数Ｎ＜系统吞吐量Ｄ，则减少帧长； （２）若标签 研究．计算机应用，２００８，２８（３）：５８８—５９０ ９ 蒋松云，肖炎根基于时隙ＡＬＯＨＡ＃￣无线射频系统防冲突算 法的研究与实现．电子元器件应用，２００８，１２（１０）：７０－７２ 一新＝技一术一．一新二业＝务一 １０ 程文青，赵梦欣，徐晶．改进的ＲＦＩＤ动态帧时隙ＡＬＯＨＡ算法． 华中科技大学学报（自然科学版），２００６，６（３５）：１４—１６ （收稿日期：２０１０—３—１６） 勘ｉ溅癞 鑫 广东通信技术 ２０１０４－第２期目次页中《多载波ＨＳＰＡ技术及其演进》的作者“任洁”有误，更改为“任浩” 谨向作者和读者致歉！ 广东通信技术 编辑部 ２０１０生４ｆＪ ９ Ｅｌ ３９ ２０１ ０．４‘广东通信技术