一、基礎(chǔ)概念

70年代，Norman Abramson設(shè)計(jì)了ALOHA(Additive Link On-line Hawaii system)協(xié)議
-目的：解決信道的動(dòng)態(tài)分配，基本思想可用于任何無(wú)協(xié)調(diào)關(guān)系的用戶爭(zhēng)用單一共享信道使用權(quán)的系統(tǒng)；
-分類(lèi)：純ALOHA協(xié)議和分槽ALOHA協(xié)議

純ALOHA協(xié)議 -基本思想：用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，可以直接發(fā)至信道；然后監(jiān)聽(tīng)信道看是否產(chǎn)生沖突，若產(chǎn)生沖突，則等待一段隨機(jī)的時(shí)間重發(fā);

時(shí)隙ALOHA協(xié)議 -基本思想：把信道時(shí)間分成離散的時(shí)隙，時(shí)隙長(zhǎng)為一個(gè)幀所需的發(fā)送時(shí)間。每個(gè)站點(diǎn)只能在時(shí)隙開(kāi)始時(shí)才允許發(fā)送。其他過(guò)程與純ALOHA協(xié)議相同。

二、ALOHA多址協(xié)議

2.1 [摘 要]： ALOHA 是70年代早期在夏威夷大學(xué)發(fā)展起來(lái)的兩個(gè)協(xié)議。第一個(gè)發(fā)展的ALOHA協(xié)議（純ALOHA）是使用無(wú)線電頻率的包交換系統(tǒng)。站可以在任意給定時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。在給定時(shí)間之后仍未收到應(yīng)答，就重新發(fā)一個(gè)包，因而減少碰撞。時(shí)隙ALOHA不同于純粹的ALOHA。用時(shí)隙ALOHA，每個(gè)工作站在傳輸之前必須等待某一個(gè)時(shí)間片。使用時(shí)間邊界或時(shí)間片能減少碰撞。

2.2　ALOHA多址協(xié)議
　　ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道結(jié)構(gòu)的通信。自1970年以來(lái)，已設(shè)計(jì)了多種用于衛(wèi)星通信和地面通信的ALOHA多址協(xié)議，其中最基本的有三種；純ALOHA、分隙ALOHA和預(yù)約ALOHA。
　　(1)純ALOHA(非分隙ALOHA)
　　在一個(gè)含多臺(tái)發(fā)射機(jī)的地面ALOHA網(wǎng)中，每臺(tái)發(fā)射機(jī)隨時(shí)都可以通過(guò)同一條高速信道向主臺(tái)發(fā)送信息包，信息包采用檢錯(cuò)編碼。當(dāng)有兩臺(tái)以上發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)送時(shí)，便會(huì)發(fā)生信息包“碰撞”或重迭，而導(dǎo)致信息包的丟失或錯(cuò)誤。為了恢復(fù)丟失或錯(cuò)誤的信息包，主臺(tái)利用一條專(zhuān)用的反饋信道向各終端發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，主臺(tái)對(duì)收到的信包進(jìn)行譯碼，若發(fā)現(xiàn)無(wú)錯(cuò)，則發(fā)回一個(gè)表示正確的應(yīng)答信號(hào)ACK。如果終端發(fā)完信息后在一個(gè)限定的時(shí)間內(nèi)仍收不到ACK，便重發(fā)信包，直至收到ACK為止。
　　純ALOHA最顯著的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可采用變長(zhǎng)信息包，特別適用于具有大量間歇性工作的發(fā)射機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。其缺點(diǎn)有兩個(gè)，一是最大吞吐率低，只有0.184，主要由“碰撞”及重發(fā)時(shí)的隨機(jī)延時(shí)所引起；二是當(dāng)有許多發(fā)射機(jī)同時(shí)處于工作狀態(tài)時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，該缺點(diǎn)可通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹貍鞣绞剑�或者將系統(tǒng)轉(zhuǎn)入非隨機(jī)接入狀態(tài)加以解決，但協(xié)議會(huì)失去其簡(jiǎn)單性。應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)的是，0.184的吞吐率僅在一定的限定條件下成立，將不意味著效率總是那么低，對(duì)此在下一節(jié)將做進(jìn)一步的討論。
　　(2)分隙ALOHA(Slotted ALOHA)
　　為了提高純ALOHA的吞吐率，Roberts提出了一種改進(jìn)型協(xié)議，稱(chēng)之為分隙ALOHA(或時(shí)槽ALOHA)。根據(jù)這一協(xié)議，將信道時(shí)間劃分成等長(zhǎng)的時(shí)隙，時(shí)隙寬度恰好等于傳輸一個(gè)信息包所需的時(shí)間。為避免信息包“碰撞”時(shí)發(fā)生部分重迭，所有發(fā)射機(jī)都只允許在時(shí)隙的開(kāi)始時(shí)刻發(fā)送信息包。改進(jìn)后，最大信道吞吐率提高到0.368，但由于網(wǎng)絡(luò)中的全部發(fā)射機(jī)只能同步發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性也隨之增大。
　　(3)預(yù)約ALOHA(Reservation ALOHA)
　　為了更有效地利用衛(wèi)星信道，可采用預(yù)約ALOHA。該協(xié)議把信道時(shí)間分成幀，每幀再分成M＋1個(gè)時(shí)隙，前M個(gè)時(shí)隙用來(lái)發(fā)送信息包，第M＋1時(shí)隙再進(jìn)一步細(xì)分成V個(gè)子時(shí)隙，供網(wǎng)中的發(fā)射機(jī)按分隙ALOHA方式發(fā)送預(yù)約信號(hào)，一旦預(yù)約成功，該發(fā)射機(jī)便可利用前M＋1個(gè)時(shí)隙中的某個(gè)空閑時(shí)隙發(fā)送信息。由于在前M＋1個(gè)時(shí)隙內(nèi)不會(huì)發(fā)生“碰撞”，預(yù)約ALOHA的信道效率可高達(dá)0.88，但其代價(jià)是進(jìn)一步增加了延時(shí)及系統(tǒng)的復(fù)雜性。
　　除了上述三種協(xié)議外，還提出了各種各樣的ALOHA隨機(jī)多址協(xié)議，其中比較著名的是載波監(jiān)聽(tīng)多址(CSMA)，目前已在局域網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，另一個(gè)是近年來(lái)研究得比較多的分組預(yù)約多址(PRMA)，可望應(yīng)用于將來(lái)的微蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。

三　ALHOA信道效率

　　眾所周知，純ALOHA的最大吞吐率為1／2e，即0.184，長(zhǎng)期以來(lái)往往使人誤解，認(rèn)為ALOHA的信道效率總是很低的。然而，N.Abramson得出一個(gè)驚人的結(jié)論，指出對(duì)于工作在低信道占用率的小型衛(wèi)星地面站而言，ALOHA的信道容量接近于仙農(nóng)信道容量。上述兩個(gè)結(jié)論似乎是矛盾的，其基本原因在于，ALOHA吞吐率的計(jì)算是基于把ALOHA突發(fā)信道的平均數(shù)據(jù)速率與整個(gè)時(shí)間為兩個(gè)用戶所獨(dú)用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道進(jìn)行比較。在這兩種不同信道上工作的發(fā)射機(jī)通常具有不同的平均功率，故在接收機(jī)上產(chǎn)生的信噪比也不同。工作在ALOHA突發(fā)信道的發(fā)射機(jī)的平均功率一般均低于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連續(xù)信道發(fā)射機(jī)的平均功率。這種比較對(duì)于發(fā)射機(jī)平均功率比較大的場(chǎng)合(如最早的ALOHA網(wǎng))可能是適當(dāng)?shù)模�但�?dāng)ALOHA信道發(fā)射機(jī)的平均功率只有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連續(xù)信道的10%或更小時(shí)，這種比較就不恰當(dāng)了。因此，信道效率就需要采用兩種不同的度量：ALOHA吞吐率和ALOHA突發(fā)效率，前者用于峰值功率受限的ALOHA信道(如原先的ALOHA網(wǎng))，后者則用于平均功率受限的ALOHA信道，如平均功率受限的衛(wèi)星信道以及發(fā)射機(jī)采用電池供電的多址信道。

式中，C1是帶寬為W的高斯噪聲突發(fā)信道的容量，C2是相應(yīng)的平均功率為dS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連續(xù)信道的容量，d是信道占用率(duty cycle)，H(d)是ALOHA信道的歸一化吞吐率，S／N為信噪比。

　　在幾種信噪比情況下E(d)與d的關(guān)系曲線。這里的信噪比是突發(fā)傳輸期間的信噪比，而不是整個(gè)信道的平均信噪比。由圖中可見(jiàn)，當(dāng)S／N較小時(shí)，d越小，信道效率就越高。同樣，從圖3可見(jiàn)，d一定，S／N越小，效率就越高。例如，信噪比為－20dB時(shí)，若d為0.6，效率只有0.30，d取0.05，效率可達(dá)0.90；另一方面，若d取固定值0.1，則S／M為20dB時(shí)效率為0.16，而當(dāng)S／N降為－20dB時(shí)效率可達(dá)0.82。令信道效率等于最大吞吐率0.184，對(duì)于d為0.1和0.2這兩種情況，S／N就應(yīng)分別為16.5dB和25.4dB。這些結(jié)果表明，在d和S／N的很大的取值范圍內(nèi)，ALOHA信道的效率都遠(yuǎn)高于最大吞吐率0.184。

四　擴(kuò)展ALOHA多址技術(shù)

　　擴(kuò)展ALOHA(Spread ALOHA)是N.Abramson為使傳統(tǒng)ALOHA能適用于VSAT網(wǎng)及PCN網(wǎng)，在原ALOHA基礎(chǔ)上提出的一種新型的隨機(jī)多址技術(shù)。擴(kuò)展ALOHA信號(hào)是將普通的ALOHA信號(hào)既在時(shí)間上，又在頻率上加以擴(kuò)展而產(chǎn)生的，形式上等效于擴(kuò)頻CDMA信號(hào)，但只需使用一個(gè)擴(kuò)展序列，而不必象CDMA那樣為每個(gè)用戶分配一個(gè)不同的擴(kuò)頻碼。
4.1　擴(kuò)展的原因
　　通過(guò)上一節(jié)的討論我們已經(jīng)知道，為取得很高的ALOHA信道效率，d和S／N必須很小。而為了取得很高的最大數(shù)據(jù)速率，帶寬W就必須取得很大，即需要進(jìn)行頻譜擴(kuò)展。另一方面，若信噪比低，接收信號(hào)的可靠性也就低，因?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)的正確與否主要取決于接收到的每比特信號(hào)能量的大小。然而，根據(jù)仙農(nóng)公式，在帶寬W和傳輸速率給定的情況下，小的信噪比是可以通過(guò)增加傳輸時(shí)間來(lái)補(bǔ)償?shù)�。因此，�?duì)信息包在時(shí)間上加以擴(kuò)展，既能減小所需的發(fā)射機(jī)峰值功率，又能保證接收機(jī)檢測(cè)所需的比特能量。
　　可見(jiàn)，為了取得高效率和高可靠性，就需要對(duì)傳統(tǒng)的ALOHA信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻和擴(kuò)時(shí)。通過(guò)擴(kuò)頻，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，減小信息包之間碰撞的幾率，在一定的通信業(yè)務(wù)量情況下，信道時(shí)間的占用率也隨著減小。通過(guò)擴(kuò)時(shí)，可以保證接收機(jī)能獲得正確檢測(cè)所需的比特能量，又允許發(fā)射機(jī)以很低的平均功率發(fā)送數(shù)據(jù)。
4.2　擴(kuò)展原理
　　擴(kuò)展ALOHA是通過(guò)擴(kuò)頻與擴(kuò)時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。擴(kuò)頻時(shí)仍采用純(或分隙)ALOHA信道，且保持原來(lái)的信息包格式，但帶寬大大擴(kuò)展了。擴(kuò)時(shí)可通過(guò)不同的方法實(shí)現(xiàn)，主要有比特?cái)U(kuò)展法和切普(chip)擴(kuò)展法。下面只對(duì)比特?cái)U(kuò)展作一簡(jiǎn)單介紹。
　　采用比特?cái)U(kuò)展法進(jìn)行擴(kuò)時(shí)的步驟為：
　　(1)將寬帶(即已擴(kuò)頻)ALOHA信道上的信息包在時(shí)間上拓展。
　　(2)令拓展后的信息包通過(guò)一個(gè)線性濾波器，將每個(gè)信息符號(hào)代之以一個(gè)具有優(yōu)良自相關(guān)特性的擴(kuò)展頻譜編碼序列，如巴克碼或m序列。經(jīng)擴(kuò)展后得到的擴(kuò)展ALOHA信息包與擴(kuò)頻CDMA具有相同形式。設(shè)原始信息包由n比特組成，擴(kuò)展編碼序列長(zhǎng)r比特，擴(kuò)展后1信息比特變?yōu)閞個(gè)切普(chip)，若擴(kuò)展前后能量保持不變，發(fā)射機(jī)所需的峰值功率便下降到原來(lái)的r分之一，這就是說(shuō)，通過(guò)擴(kuò)時(shí)可大大降低網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射機(jī)的平均功率，同時(shí)又能維持接收機(jī)檢測(cè)所需的比特能量。圖4給出了用7位巴克碼對(duì)信息包進(jìn)行擴(kuò)展的一個(gè)簡(jiǎn)單例子。

　　由于仍采用ALOHA競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議，在傳輸過(guò)程中就可能發(fā)生信息包之間的重迭，重迭部分可看成信道噪聲。在接收端，匹配濾波器利用一個(gè)相同的擴(kuò)展序列對(duì)接收序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，然后在相應(yīng)的拓展比特位上采樣，恢復(fù)原來(lái)的信息包。在解擴(kuò)過(guò)程中，有用數(shù)據(jù)的信號(hào)幅度增大到原來(lái)的r倍，符號(hào)間干擾及因傳輸時(shí)信息包重迭所引起的噪聲幅度則大大減小，分別反比于r和r�？梢�(jiàn)，只要選用碼長(zhǎng)r足夠大，具有優(yōu)良自相關(guān)特性的擴(kuò)展序列，即使在傳輸過(guò)程中發(fā)生重迭，解擴(kuò)后信息包能正確恢復(fù)的概率仍然很高，即可達(dá)到較高的信道效率。

五、GSM網(wǎng)中的應(yīng)用

由于GSM系統(tǒng)中RACH信道是一種ALOH信道，為了減少移動(dòng)臺(tái)接入時(shí)RACH信道上的沖突次數(shù)，提高RACH信道的效率，GSM中移動(dòng)臺(tái)的接入算法中應(yīng)用了三個(gè)參數(shù)，即發(fā)送時(shí)隙數(shù)T(Tx_integer)、最大重發(fā)次數(shù)M（MAX retrans）、參數(shù)S。

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)需啟動(dòng)一次立即指配過(guò)程，從該過(guò)程開(kāi)始，移動(dòng)臺(tái)將在RACH信道上發(fā)送（M+1）個(gè)信道請(qǐng)求消息。為了減少RACH信道上的沖突次數(shù)，移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信道請(qǐng)求消息的時(shí)間遵循以下準(zhǔn)則：

·移動(dòng)臺(tái)啟動(dòng)立即指配開(kāi)始到第一個(gè)信道請(qǐng)求消息發(fā)送之間的時(shí)隙數(shù)（不包括發(fā)送消息的時(shí)隙）是一個(gè)隨機(jī)數(shù)。這個(gè)隨機(jī)數(shù)屬于集合{0，1，，MAX(T,8)-1}中的一個(gè)元素。移動(dòng)臺(tái)每次啟動(dòng)立即指配過(guò)程時(shí)，從中隨即取數(shù)。

·任意兩次相鄰的信道請(qǐng)求之間的間隔時(shí)隙數(shù)（不包括發(fā)送的時(shí)隙）有移動(dòng)臺(tái)隨機(jī)的從集合{S，S+1，…，S+T-1}中取出