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 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(SS／CDMA)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。
2 ALOHA 多址技术
2.1 ALOHA 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(ATS－1)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。 2.2 ALOHA 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 M＋1 个时隙，前 M 个时隙用来发送信息包，第 M＋1 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 M＋1 个时隙中的某个空 闲时隙发送信息。由于在前 M＋1 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。
3 ALHOA 信道效率
众所周知，纯 ALOHA 的最大吞吐率为 1／2e，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。