ALOHA随机多址通信技术

ALOHA随机多址通信技术从纯ALOHA到扩展ALOHAALOHA Random Multiple Access Communication Techniquefrom 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 Multiple Access)。FAMA又分为频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。FDMA只适用于用户数比较少，通信业务量又比较稳定的网络。DAMA根据用户的需要为其分配一定的信道容量，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况，但实现DAMA需要一个专用信道，供所有用户以固定分配或随机接入方式提出呼叫申请。当网络由大量用户组成，而这些用户又只是间歇性地工作时，采用FDMA或DAMA效率便很低，故需要采用随机多址技术。目前已得到广泛应用的随机多址技术有两类：扩频码分多址(SSCDMA)和ALOHA多址。本文首先简单回顾ALOHA多址技术的发展过程，随后讨论ALOHA吞吐率和信道效率之间的关系，并着重介绍扩展ALOHA的基本原理，最后展望其应用前景。2ALOHA多址技术2.1ALOHA网的历史回顾在60年代末期，随着数据业务的迅速增长，现有的电话网络已不能满足计算机联网的需要。其基本原因在于，传统的电话网是多年前为连续话音通信设计的。交互式时分共享的计算机系统中所传输的数据和电话网中所传输话音信号的主要区别是：(1)用户终端与计算机之间的数据传输具有突发性，两次突发之间有相当长的时间没有数据传送；(2)计算机网络中的数据通信具有非对称性，从中央计算机传送到用户终端的平均数据量远大于从终端发往中央计算机的平均数据量；(3)计算机数据通信所要求的可靠性远高于话音通信。为了研究用于无线通信来取代传统的电话网络，以实现计算机通信的可行性，并决定在何种场合采用无线通信而不是传统的有线通信更为适宜，夏威夷大学于1968年9月开始研制ALOHA系统一种实验性的计算机网络。该系统于1971年6月建成，随后又通过租用的卫星话音信道与ARPANET相连接。在此基础上，又于1973年建成了世界上第一个通过卫星(ATS1)实现数据包广播的网络。ALOHA网的重要意义并不在于这是第一个用无线信道实现计算机通信的网络，而在于它首次在无线信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构，这种结构与传统的点对点信道及分组交换网有很大不同，故称之为ALOHA信道。通过这一公共的广播信道，网中的每个用户随时都可以给另一用户发送信息，完全不需要同步。ALOHA信道的主要优点是：(1)允许大量间歇性工作的发射机共享同一信道，不需要路由选择与交换，建网简单。(2)利用ALOHA信道进行数据通信时，中心台或服务器只需要一个高速接口，而不必为网中的每个用户提供一个单独的接口。2.2ALOHA多址协议ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道结构的通信。自1970年以来，已设计了多种用于卫星通信和地面通信的ALOHA多址协议，其中最基本的有三种；纯ALOHA、分隙ALOHA和预约ALOHA。(1)纯ALOHA(非分隙ALOHA)在一个含多台发射机的地面ALOHA网中，每台发射机随时都可以通过同一条高速信道向主台发送信息包，信息包采用检错编码。当有两台以上发射机同时发送时，便会发生信息包“碰撞”或重迭，而导致信息包的丢失或错误。为了恢复丢失或错误的信息包，主台利用一条专用的反馈信道向各终端发送确认信号，主台对收到的信包进行译码，若发现无错，则发回一个表示正确的应答信号ACK。如果终端发完信息后在一个限定的时间内仍收不到ACK，便重发信包，直至收到ACK为止。纯ALOHA最显著的优点是实现简单，可采用变长信息包，特别适用于具有大量间歇性工作的发射机的网络。其缺点有两个，一是最大吞吐率低，只有0.184，主要由“碰撞”及重发时的随机延时所引起；二是当有许多发射机同时处于工作状态时会导致系统的不稳定，该缺点可通过设计适当的重传方式，或者将系统转入非随机接入状态加以解决，但协议会失去其简单性。应特别强调的是，0.184的吞吐率仅在一定的限定条件下成立，将不意味着效率总是那么低，对此在下一节将做进一步的讨论。(2)分隙ALOHA(Slotted ALOHA)为了提高纯ALOHA的吞吐率，Roberts提出了一种改进型协议，称之为分隙ALOHA(或时槽ALOHA)。根据这一协议，将信道时间划分成等长的时隙，时隙宽度恰好等于传输一个信息包所需的时间。为避免信息包“碰撞”时发生部分重迭，所有发射机都只允许在时隙的开始时刻发送信息包。改进后，最大信道吞吐率提高到0.368，但由于网络中的全部发射机只能同步发射信号，实现的复杂性也随之增大。(3)预约ALOHA(Reservation ALOHA)为了更有效地利用卫星信道，可采用预约ALOHA。该协议把信道时间分成帧，每帧再分成M1个时隙，前M个时隙用来发送信息包，第M1时隙再进一步细分成V个子时隙，供网中的发射机按分隙ALOHA方式发送预约信号，一旦预约成功，该发射机便可利用前M1个时隙中的某个空闲时隙发送信息。由于在前M1个时隙内不会发生“碰撞”，预约ALOHA的信道效率可高达0.88，但其代价是进一步增加了延时及系统的复杂性。除了上述三种协议外，还提出了各种各样的ALOHA随机多址协议，其中比较著名的是载波监听多址(CSMA)，目前已在局域网中得到广泛应用，另一个是近年来研究得比较多的分组预约多址(PRMA)，可望应用于将来的微蜂窝移动通信系统。3ALHOA信道效率众所周知，纯ALOHA的最大吞吐率为12e，即0.184，长期以来往往使人误解，认为ALOHA的信道效率总是很低的。然而，N.Abramson得出一个惊人的结论，指出对于工作在低信道占用率的小型卫星地面站而言，ALOHA的信道容量接近于仙农信道容量。上述两个结论似乎是矛盾的，其基本原因在于，ALOHA吞吐率的计算是基于把ALOHA突发信道的平均数据速率与整个时间为两个用户所独用的点对点信道进行比较。在这两种不同信道上工作的发射机通常具有不同的平均功率，故在接收机上产生的信噪比也不同。工作在ALOHA突发信道的发射机的平均功率一般均低于点对点连续信道发射机的平均功率。这种比较对于发射机平均功率比较大的场合(如最早的ALOHA网)可能是适当的，但当ALOHA信道发射机的平均功率只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，C1是带宽为W的高斯噪声突发信道的容量，C2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，SN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SN较小时，d越小，信道效率就越高。同样，从图3可见，d一定，SN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SM为20dB时效率为0.16，而当SN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，SN就应分别为16.5dB和25.4dB。这些结果表明，在d和SN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2ALOHA高斯信道容量图3ALOHA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SN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参考文献1N Abramson，Editor，Multiple Access Communications-Foundations of Emerging Technologies.IEEE Press，1992.2N Abramson.Fundamentals of packet