ALOHA 시스템

통신 네트워크에서 자주 언급되는 ALOHA 시스템은 사실상 오늘날 무선 랜(Wi-Fi), 셀룰러 네트워크 MAC 설계의 "원조"라고 할 수 있다. 

 

1. 정의

• ALOHA는 1970년대 하와이 대학에서 개발한 무선 패킷 라디오 네트워크 프로토콜이다.
• 목적: 여러 사용자가 하나의 무선 채널을 공유할 때, 어떻게 충돌을 해결하고 공평하게 데이터를 전송 할 수 있는가?

 

2. 동작 방식

ALOHA에는 두 가지 변형이 있다. 

1. Pure ALOHA (순수 ALOHA)
   • 사용자가 언제든지 패킷이 생기면 곧바로 채널에 전송
   • 만약 충돌이 나면, 일정 시간 뒤에 랜덤 backoff 후 재전송
   • 문제: 시간 동기화가 없기 때문에 충돌 확률이 매우 높음
2. Slotted ALOHA (슬롯 ALOHA)
   • 시간을 일정한 슬롯 단위로 나눔
   • 사용자는 반드시 슬롯 시작점에서만 전송 가능
   • 충돌 확률 낮춤 (왜냐하면 반쯤 겹치는 경우가 사라짐)

 

3. 성능 분석

ALOHA는 간단하지만 충돌이 많다. 이를 수학적으로 분석하면:

• offered load=$G$  (슬롯 당 평균 전송 시도 수)

 

Pure ALOHA

• 성공 확률: $P_{succ}=Ge^{-2G}$
• 최대 처리율: 약 18% ($S_{max} = 1/(2e)$)

 

Slotted ALOHA

• 성공 확률: $P_{succ}=Ge^{-G}$
• 최대 처리율: 약 37% ($S_{max}=1/e$)

슬롯화를 통해 성능이 거의 2배 개선됨

 

장점은 구현이 매우 단순하다는 점이지만 충돌이 많아서 효율이 낮다는 점은 단점이다. 특히 고부하 상황에서는 throughput이 급격히 떨어진다.

 

4. 현대 시스템에서의 응용

ALOHA는 지금도 여러 프로토콜의 기본 원리로 남아 있다. 

• 이더넷 CSMA/CA: ALOHA에서 발전 -> 충돌 감지 & 재전송
• Wi-Fi CSMA/CA: ALOHA에서 발전 -> 충돌 회피 및 백오프 기반
• LTE/NB-IoT Random Access: ALOHA 기반 -> 기지국에 처음 접속할 때 PRACH 채널 접근
• 위성통신, RFID: 여전히 ALOHA 기반 접근 사용