基于ALOHA技術提高衛星信道利用率

張炎生 周玨

摘要??? 在衛星通信系統中，衛星信道非常有限而珍貴，如何充分利用衛星信道一致是相關領域研究的課題。ALOHA技術作為衛星信道的隨機占用技術，本文分析探討ALOHA技術的特點和應用方法，將大大地提高衛星信道的利用率而得到更加的重視和廣泛使用。

【關鍵詞】衛星通信 ALOHA 衛星信道 利用率

1 引言

利用靜止衛星進行通信是微波中繼通信的繼承和發展，但與微波中繼通信相比具有通信距離遠，覆蓋面積大;組網靈活，便于多址連接;頻帶寬，容量大;通信質量高，可靠性好;成本與通信距離無關，成本低等優點，利用靜止衛星進行通信是衛星通信的主要形式。

由于靜止衛星的成本、技術要求等多方面的因素，人們總在千方百計地尋求提高衛星利用率的方法。如采用FDM和TDM多路復用技術，FDMA、TDMA、SDMA和CDMA多址連接技術，空間分割與極化隔離的頻率再用技術以及預分配和按需分配的信道分配技術等。ALOHA技術是基于TDMA和信道按需分配基礎上的一種新的信道分配技術，它可使衛星信道得到充分地利用。

2 研究背景

隨著衛星通信的不斷發展，數據傳輸和交換也在靜止衛星通信中廣泛應用。與語音傳輸相比，利用衛星信道進行數據傳輸有如下特點：

（1）數據發出的時間具有隨機性和間斷性。當有數據傳送時，數據率很高，可達到幾千bps，但傳送數據的時間很短促，其余的很長時間是空閑的，沒有數據傳送。峰值傳送率與平均傳送率的比值很大，高達幾千，從而使信道的利用率很低。

（2）數據的業務種類多，系統中可能同時傳輸速率相差較大的不同數據。

（3）各類數據可以非實時傳送。為了提高衛星信道的利用率，可以把每組數據劃分為多個分組后分開傳輸。在接收端把接收的各個分組還原為最初完整的數據。對短數據，安排在一個數據分組中。

（4）在衛星通信網中，衛星信道進行數據傳輸一般包括大量成本較低的地球站。

由以上特點可知，除了數據業務非常繁忙或被傳送的數據很長外，如果仍然使用適合于傳送具有電話業務“長流水”特點的衛星FDMA或TDMA方式來傳送具有“突然發生”特點的數據業務時，信道的利用率會很低。即使采用按申請分配方式，也不會有多少改進。因為許多所發送的數據的時間甚至還小于申請分配信道所需的時間。

ALOHA技術則是利用衛星進行數據分組交換，這種技術是在時分多址技術的基礎上，以按需分配中的隨機信道分配方式來隨機占用衛星信道。其特點可概括為16個字即：“信道無需申請，數據分組隨機發送，發生碰撞隨機延時發送”，應用在非實時性的數據傳輸中效果非常好。當前，ALOHA按隨機占用衛星信道的時間不同有純ALOHA、時隙ALOHA和預約ALOHA三種類型。

3 ALOHA技術的工作特點

3.1 純ALOHA的工作特點

在數據傳輸網中，各地球站的發射控制單元將準備發送的數據劃分為許多個段，在每段的前面加上收發地址和一些控制開銷比特的報頭，每段后面加上檢錯碼，形成一個數據分組，如圖1所示。這樣的數據分組一是由發射控制單元經調制后發向衛星，二是由存儲器儲存起來以作碰撞、重傳發時的備用。

數據分組以時間隨機來發射而不需要全網同步，衛星轉發器發出以后，通信網中的全部地球站將能接收到所發的數據分組信號，但只有與報頭中地址相符的地球站才能檢測出星轉發器發出數據分組。接收地球站收到數據分組后，通過檢測若無錯誤，要發出應答信號;如檢測有錯，則不作應答。

發地球站發射數據分組后將等待收地球站的應答信號。如在規定的時間內沒有收到應答信號，發地球站將會把存儲器中儲存的原數據分組重新發出，如此反復，直到收地球站接收正確后發回應答信號為止，此時將同時刪除存儲器所儲存的內容。此時，收地球站將不能正確接收到信號，也就不會作出應答，則發地球站必須重發。純ALOHA技術的最大信道利用率為18.4%。

3.2 時隙S—ALOHA的工作特點

S—ALOHA是將通過衛星轉發器的時間劃分成若干個時隙，每個地球站發射的數據分組進入到規定的時隙中，且要求每個分組所占用的時間填滿一個時隙的時間，時隙的定時由整個通信系統的時鐘來確定，來同步各地球站發射控制單元的工作時間。S—ALOHA技術出現碰撞的幾率比純ALOHA技術的碰撞幾率要小得多，其原因是S—ALOHA技術有效地避免了部分碰撞的情況發生，其最大信道利用率可達到36.8%。S—ALOHA技術還采用把地球站的終端分成不同的優先等級或根據業務等級的不同改變各地球站的發射功率等措施來減小信號發生碰撞的概率，進而解決信道存在的不穩定現象。

3.3 預約R—ALOHA技術的工作特點

在傳輸數據的衛星通信網中，各地球站的業務類型、業務量以及傳送的內容長短等都會有很大的差別。這時，若仍然采用純ALOHA或S—AL0HA技術來傳輸消息，就要將消息數據分成眾多的分組并逐一發出。R—ALOHA技術是當數據網內的地球站要發送長消息時，先向中心地球站提出預約一段（連續幾個時隙時間）的申請，以便能一次性地發送成批的數據;對短的消息則仍按非預約的S—ALOHA技術進行傳送。R—ALOHA技術的優點是解決了長、短消息兼容的問題，使衛星信道的利用率最大可達到83.3%。由于預約ALOHA工作時需要申請排隊，所以仍存在平均傳輸時延較長的缺點。

4 ALOHA技術的應用舉例

例如，一個純ALOHA系統發生碰撞與重發的情況，如圖2所示。圖中表示1#、2#、......K#等地球站發射的信號正在通過轉發器。其中2#站發射的第一個分組信號與K#地球站發射

的第三個分組信號發生了碰撞，于是這兩個地球站就要分別等待不同的時間重發。由于純ALOHA不需要整個系統的統一定時同步，各個地球站發射數據分組的時間是任意和隨機的，因此，在發射的數據分組數目不太多時，純ALOHA系統的信道利用率優于按需分配的TDMA方式，并且還具有一定的抗干擾能力。但是，在數據業務繁忙即發射的數據分組數目很多時，發生碰撞的概率也會增大，重發的分組的次數也隨之增多，將會出現碰撞次數增多引起重發次數增多引起碰撞次數更多引起重發次數更多......的惡性循環，直至發展到無法控制的不穩定現象。這就需要采用其它ALOHA的技術來加以克服。

5 結束語

不同的ALOHA方式在工作特點、適用場合、信道利用率等多方面都有所不同，因而其應用場合也將不同，見表1所示。只要我們充分認識它們的優缺點，恰當使用不同的ALOHA技術，衛星通信中的信道利用率將達到期望的目標。隨著衛星通信的不斷發展，ALOHA技術必將得到進一步的完善，ALOHA技術的應用前景也將愈來愈廣闊。

參考文獻

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