ALOHA随机多址通信技术

ALOHA随机多址通信技术——从纯ALOHA到扩
展ALOHA
ALOHA Random Multiple Access Communication Technique ——from Pure ALOHA to Spread ALOHA
[摘要]：自70年代以来，随机多址通信技术取得了很大的进展，在移动通信、卫星通信和计算机通信领域得到了广泛应用。

本文在回顾ALHOHA随机多址技术发展过程的基础上，探讨了ALOHA的吞吐率与信道效率之间的关系，阐述了新一代ALOHA随机多址技术——扩展ALOHA的基本原理，最后指出其应用前景。

[关键词]：ALOHA 纯ALOHA 扩展ALOHA 随机多址通信
1 引言
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。

图1是多址信道的一个简单模型，该网络由n个用户和一个中心台组成。

在蜂窝式移动通信系统中，表示n部移动台或手持机向基站发送数字信息，在VSAT网中则表示n个终端向主站发送分组数据。

图1 多址信道模型
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
有点对点连续信道的10%或更小时，这种比较就不恰当了。

因此，信道效率就需要采用两种不同的度量：ALOHA吞吐率和ALOHA突发效率，前者用于峰值功率受限的ALOHA信道(如原先的ALOHA网)，后者则用于平均功率受限的ALOHA信道，如平均功率受限的卫星信道以及发射机采用电池供电的多址信道。

ALOHA突发效率定义为：
(1)
式中，C
1是带宽为W的高斯噪声突发信道的容量，C
2
是相应的平均功率为
dS的点对点连续信道的容量，d是信道占用率(duty cycle)，H(d)是ALOHA 信道的归一化吞吐率，S／N为信噪比。

对于采用线性转发器的非分隙卫星信道，则有：
(2)
图2画出了在几种信噪比情况下E(d)与d的关系曲线。

这里的信噪比是突发传输期间的信噪比，而不是整个信道的平均信噪比。

由图中可见，当S／N较小时，d越小，信道效率就越高。

同样，从图3可见，d一定，S／N越小，效率就越高。

例如，信噪比为－20dB时，若d为0.6，效率只有0.30，d取0.05，效率可达0.90；另一方面，若d取固定值0.1，则S ／M为20dB时效率为0.16，而当S／N降为－20dB时效率可达0.82。

令信道效率等于最大吞吐率0.184，对于d为0.1和0.2这两种情况，S／N 就应分别为16.5dB和25.4dB。

这些结果表明，在d和S／N的很大的取值范围内，ALOHA信道的效率都远高于最大吞吐率0.184。

图2 ALOHA高斯信道容量
图3 ALOHA信道效率
4 扩展ALOHA多址技术
扩展ALOHA(Spread ALOHA)是N.Abramson为使传统ALOHA能适用于VSAT网及PCN网，在原ALOHA基础上提出的一种新型的随机多址技术。

扩展ALOHA信号是将普通的ALOHA信号既在时间上，又在频率上加以扩展而产生的，形式上等效于扩频CDMA信号，但只需使用一个扩展序列，而不必象CDMA那样为每个用户分配一个不同的扩频码。

4.1 扩展的原因
通过上一节的讨论我们已经知道，为取得很高的ALOHA信道效率，d 和S／N必须很小。

而为了取得很高的最大数据速率，带宽W就必须取得很大，即需要进行频谱扩展。

另一方面，若信噪比低，接收信号的可靠性也就低，因为信号检测的正确与否主要取决于接收到的每比特信号能量的大小。

然而，根据仙农公式，在带宽W和传输速率给定的情况下，小的信噪比是可以通过增加传输时间来补偿的。

因此，对信息包在时间上加以扩展，既能减小所需的发射机峰值功率，又能保证接收机检测所需的比特能量。

可见，为了取得高效率和高可靠性，就需要对传统的ALOHA信号进行扩频和扩时。

通过扩频，可以提高数据传输速率，减小信息包之间碰撞的几率，在一定的通信业务量情况下，信道时间的占用率也随着减小。

通过扩时，可以保证接收机能获得正确检测所需的比特能量，又允许发射机以很低的平均功率发送数据。

4.2 扩展原理
扩展ALOHA是通过扩频与扩时来实现的。

扩频时仍采用纯(或分
隙)ALOHA信道，且保持原来的信息包格式，但带宽大大扩展了。

扩时可通过不同的方法实现，主要有比特扩展法和切普(chip)扩展法。

下面只对比特扩展作一简单介绍。

采用比特扩展法进行扩时的步骤为：
(1)将宽带(即已扩频)ALOHA信道上的信息包在时间上拓展。

(2)令拓展后的信息包通过一个线性滤波器，将每个信息符号代之以一个具有优良自相关特性的扩展频谱编码序列，如巴克码或m序列。

经扩展后得到的扩展ALOHA信息包与扩频CDMA具有相同形式。

设原始信息包由n比特组成，扩展编码序列长r比特，扩展后1信息比特变为r个切普(chip)，若扩展前后能量保持不变，发射机所需的峰值功率便下降到原来的r分之一，这就是说，通过扩时可大大降低网络中发射机的平均功率，同时又能维持接收机检测所需的比特能量。

图4给出了用7位巴克码对信息包进行扩展的一个简单例子。

图4 扩展过程
由于仍采用ALOHA竞争协议，在传输过程中就可能发生信息包之间的重迭，重迭部分可看成信道噪声。

在接收端，匹配滤波器利用一个相同的扩展序列对接收序列进行相关运算，然后在相应的拓展比特位上采样，恢复原来的信息包。

在解扩过程中，有用数据的信号幅度增大到原来的r倍，符号间干扰及因传输时信息包重迭所引起的噪声幅度则大大减小，分别反比于r和r。

可见，只要选用码长r足够大，具有优良自相关特性的扩展序列，即使在传输过程中发生重迭，解扩后信息包能正确恢复的概率仍然很高，即可达到较高的信道效率。

5 应用前景
目前，在N.Abramson的直接指导下，扩展ALOHA系统的研制工作正在加紧进行，美国高技术项目开发署近几年已投入巨资，第一代SkyDSL
产品已经面世。

扩展ALHOA具有扩频CDMA同样的优点，但只需要一个扩展序列，实现更为简单。

最新研究成果表明，在无线本地环中其容量远大于CDMA。

适合采用扩展ALOHA多址技术的主要领域有：(1)无线本地环；
(2)VSAT，USAT网；(3)采用卫星信道或终端采用电池供电的PCN网；(4)数字蜂窝网；(5)局域网(LAN)。

作者单位：五邑大学信息科学研究所。