一、基礎概念

70年代，Norman Abramson設計了ALOHA(Additive Link On-line Hawaii system)協(xié)議
-目的：解決信道的動態(tài)分配，基本思想可用于任何無協(xié)調(diào)關系的用戶爭用單一共享信道使用權的系統(tǒng)；
-分類：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，可以直接發(fā)至信道；然后監(jiān)聽信道看是否產(chǎn)生沖突，若產(chǎn)生沖突，則等待一段隨機的時間重發(fā);

時隙ALOHA協(xié)議 -基本思想：把信道時間分成離散的時隙，時隙長為一個幀所需的發(fā)送時間。每個站點只能在時隙開始時才允許發(fā)送。其他過程與純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發(fā)展起來的兩個協(xié)議。第一個發(fā)展的ALOHA協(xié)議（純ALOHA）是使用無線電頻率的包交換系統(tǒng)。站可以在任意給定時間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。在給定時間之后仍未收到應答，就重新發(fā)一個包，因而減少碰撞。時隙ALOHA不同于純粹的ALOHA。用時隙ALOHA，每個工作站在傳輸之前必須等待某一個時間片。使用時間邊界或時間片能減少碰撞。

2.2　ALOHA多址協(xié)議
　　ALOHA多址通信是指采用ALOHA信道結構的通信。自1970年以來，已設計了多種用于衛(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和預約ALOHA。
　　(1)純ALOHA(非分隙ALOHA)
　　在一個含多臺發(fā)射機的地面ALOHA網(wǎng)中，每臺發(fā)射機隨時都可以通過同一條高速信道向主臺發(fā)送信息包，信息包采用檢錯編碼。當有兩臺以上發(fā)射機同時發(fā)送時，便會發(fā)生信息包“碰撞”或重迭，而導致信息包的丟失或錯誤。為了恢復丟失或錯誤的信息包，主臺利用一條專用的反饋信道向各終端發(fā)送確認信號，主臺對收到的信包進行譯碼，若發(fā)現(xiàn)無錯，則發(fā)回一個表示正確的應答信號ACK。如果終端發(fā)完信息后在一個限定的時間內(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)點是實現(xiàn)簡單，可采用變長信息包，特別適用于具有大量間歇性工作的發(fā)射機的網(wǎng)絡。其缺點有兩個，一是最大吞吐率低，只有0.184，主要由“碰撞”及重發(fā)時的隨機延時所引起；二是當有許多發(fā)射機同時處于工作狀態(tài)時會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，該缺點可通過設計適當?shù)闹貍鞣绞�，或者將系統(tǒng)轉入非隨機接入狀態(tài)加以解決，但協(xié)議會失去其簡單性。應特別強調(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，對此在下一節(jié)將做進一步的討論。
　　(2)分隙ALOHA(Slotted ALOHA)
　　為了提高純ALOHA的吞吐率，Roberts提出了一種改進型協(xié)議，稱之為分隙ALOHA(或時槽ALOHA)。根據(jù)這一協(xié)議，將信道時間劃分成等長的時隙，時隙寬度恰好等于傳輸一個信息包所需的時間。為避免信息包“碰撞”時發(fā)生部分重迭，所有發(fā)射機都只允許在時隙的開始時刻發(fā)送信息包。改進后，最大信道吞吐率提高到0.368，但由于網(wǎng)絡中的全部發(fā)射機只能同步發(fā)射信號，實現(xiàn)的復雜性也隨之增大。
　　(3)預約ALOHA(Reservation ALOHA)
　　為了更有效地利用衛(wèi)星信道，可采用預約ALOHA。該協(xié)議把信道時間分成幀，每幀再分成M＋1個時隙，前M個時隙用來發(fā)送信息包，第M＋1時隙再進一步細分成V個子時隙，供網(wǎng)中的發(fā)射機按分隙ALOHA方式發(fā)送預約信號，一旦預約成功，該發(fā)射機便可利用前M＋1個時隙中的某個空閑時隙發(fā)送信息。由于在前M＋1個時隙內(nèi)不會發(fā)生“碰撞”，預約ALOHA的信道效率可高達0.88，但其代價是進一步增加了延時及系統(tǒng)的復雜性。
　　除了上述三種協(xié)議外，還提出了各種各樣的ALOHA隨機多址協(xié)議，其中比較著名的是載波監(jiān)聽多址(CSMA)，目前已在局域網(wǎng)中得到廣泛應用，另一個是近年來研究得比較多的分組預約多址(PRMA)，可望應用于將來的微蜂窩移動通信系統(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，長期以來往往使人誤解，認為ALOHA的信道效率總是很低的。然而，N.Abramson得出一個驚人的結論，指出對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。上述兩個結論似乎是矛盾的，其基本原因在于，ALOHA吞吐率的計算是基于把ALOHA突發(fā)信道的平均數(shù)據(jù)速率與整個時間為兩個用戶所獨用的點對點信道進行比較。在這兩種不同信道上工作的發(fā)射機通常具有不同的平均功率，故在接收機上產(chǎn)生的信噪比也不同。工作在ALOHA突發(fā)信道的發(fā)射機的平均功率一般均低于點對點連續(xù)信道發(fā)射機的平均功率。這種比較對于發(fā)射機平均功率比較大的場合(如最早的ALOHA網(wǎng))可能是適當?shù)�，但當ALOHA信道發(fā)射機的平均功率只有點對點連續(xù)信道的10%或更小時，這種比較就不恰當了。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是相應的平均功率為dS的點對點連續(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，而不是整個信道的平均信噪比。由圖中可見，當S／N較小時，d越小，信道效率就越高。同樣，從圖3可見，d一定，S／N越小，效率就越高。例如，信噪比為－20dB時，若d為0.6，效率只有0.30，d取0.05，效率可達0.90；另一方面，若d取固定值0.1，則S／M為20dB時效率為0.16，而當S／N降為－20dB時效率可達0.82。令信道效率等于最大吞吐率0.184，對于d為0.1和0.2這兩種情況，S／N就應分別為16.5dB和25.4dB。這些結果表明，在d和S／N的很大的取值范圍內(nèi)，ALOHA信道的效率都遠高于最大吞吐率0.184。

四　擴展ALOHA多址技術

　　擴展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基礎上提出的一種新型的隨機多址技術。擴展ALOHA信號是將普通的ALOHA信號既在時間上，又在頻率上加以擴展而產(chǎn)生的，形式上等效于擴頻CDMA信號，但只需使用一個擴展序列，而不必象CDMA那樣為每個用戶分配一個不同的擴頻碼。
4.1　擴展的原因
　　通過上一節(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，即需要進行頻譜擴展。另一方面，若信噪比低，接收信號的可靠性也就低，因為信號檢測的正確與否主要取決于接收到的每比特信號能量的大小。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增加傳輸時間來補償?shù)�。因此，對信息包在時間上加以擴展，既能減小所需的發(fā)射機峰值功率，又能保證接收機檢測所需的比特能量。
　　可見，為了取得高效率和高可靠性，就需要對傳統(tǒng)的ALOHA信號進行擴頻和擴時。通過擴頻，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)務量情況下，信道時間的占用率也隨著減小。通過擴時，可以保證接收機能獲得正確檢測所需的比特能量，又允許發(fā)射機以很低的平均功率發(fā)送數(shù)據(jù)。
4.2　擴展原理
　　擴展ALOHA是通過擴頻與擴時來實現(xiàn)的。擴頻時仍采用純(或分隙)ALOHA信道，且保持原來的信息包格式，但帶寬大大擴展了。擴時可通過不同的方法實現(xiàn)，主要有比特擴展法和切普(chip)擴展法。下面只對比特擴展作一簡單介紹。
　　采用比特擴展法進行擴時的步驟為：
　　(1)將寬帶(即已擴頻)ALOHA信道上的信息包在時間上拓展。
　　(2)令拓展后的信息包通過一個線性濾波器，將每個信息符號代之以一個具有優(yōu)良自相關特性的擴展頻譜編碼序列，如巴克碼或m序列。經(jīng)擴展后得到的擴展ALOHA信息包與擴頻CDMA具有相同形式。設原始信息包由n比特組成，擴展編碼序列長r比特，擴展后1信息比特變?yōu)閞個切普(chip)，若擴展前后能量保持不變，發(fā)射機所需的峰值功率便下降到原來的r分之一，這就是說，通過擴時可大大降低網(wǎng)絡中發(fā)射機的平均功率，同時又能維持接收機檢測所需的比特能量。圖4給出了用7位巴克碼對信息包進行擴展的一個簡單例子。

　　由于仍采用ALOHA競爭協(xié)議，在傳輸過程中就可能發(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相同的擴展序列對接收序列進行相關運算，然后在相應的拓展比特位上采樣，恢復原來的信息包。在解擴過程中，有用數(shù)據(jù)的信號幅度增大到原來的r倍，符號間干擾及因傳輸時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�，只要選用碼長r足夠大，具有優(yōu)良自相關特性的擴展序列，即使在傳輸過程中發(fā)生重迭，解擴后信息包能正確恢復的概率仍然很高，即可達到較高的信道效率。

五、GSM網(wǎng)中的應用

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

當移動臺接入網(wǎng)絡需啟動一次立即指配過程，從該過程開始，移動臺將在RACH信道上發(fā)送（M+1）個信道請求消息。為了減少RACH信道上的沖突次數(shù)，移動臺發(fā)送信道請求消息的時間遵循以下準則：

·移動臺啟動立即指配開始到第一個信道請求消息發(fā)送之間的時隙數(shù)（不包括發(fā)送消息的時隙）是一個隨機數(shù)。這個隨機數(shù)屬于集合{0，1，，MAX(T,8)-1}中的一個元素。移動臺每次啟動立即指配過程時，從中隨即取數(shù)。

·任意兩次相鄰的信道請求之間的間隔時隙數(shù)（不包括發(fā)送的時隙）有移動臺隨機的從集合{S，S+1，…，S+T-1}中取出